（通信与信息系统专业论文）基于mst9251的液晶显示器软件设计.pdf

摘要 论文题目：基于m s t 9 2 5 1 的液晶显示器软件设计 学科专业：通信与信息系统 研究生：娄抗震 指导教师：柯熙政教授 摘要 签 签 名 名 显示器件是人机联系和信息展示的窗口，随着信息技术和计算机互联网的高速发展， 知识和信息传播交流越来越依赖显示技术，显示器件已成为全球性、实时性信息交流的主 要手段。近年来，液晶显示技术飞速发展，液晶显示器以其轻薄短小、低耗电量、无辐射 危险、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，在价格不断下跌的吸引下，己全面取代 c r t 显示器而占据主流地位，目前正朝着更大尺寸方向发展，分辨率越来越高。本文对大 屏幕高分辨率液晶显示器相关技术及其系统软件的开发进行了研究。 本论文的研究课题来源于讯诚光电公司一款4 7 英寸液晶显示器开发项目。该项目采 用了m s t a r 公司的m s t 9 2 5 1 图像处理芯片和w i n b o n d 公司的w 7 9 e 6 3 2 a 微处理器构成的硬 件系统，按照液晶显示器产品开发规格书的具体要求来设计液晶显示器的软件部分，实现 了种基于m s t 9 2 5 1 的液晶显示器软件系统。 论文基于微处理器和图像处理芯片的硬件系统，分析了信号输入模块、键盘输入模块、 m c u 控制模块和图像处理模块的功能。软件部分介绍了i i c 总线协议，对按键处理、模式 探测处理、o s d ( o n s c r e e nd i s p l a y ) 用户菜单、工厂模式及烧机模式等各部分进行了具体 的设计与开发。设计出了一种最高支持分辨率为1 9 2 0 1 2 0 0 ，能自动识别处理v g a 和d v i 信号的液晶显示器。显示器具有正常满框显示输入视频图像，用户模式o s d 菜单和工厂模 式菜单对图像的调节等功能。 测试阶段，使用视频图形信号产生器对所有的相关功能进行了严格的系统测试。测试 结果完全符合产品开发规格书，是目前比较先进和功能完善的以m s t 9 2 5 1 为核心的液晶显 示系统。 关键词：液晶显示器；m s t 9 2 5 1 ：o s d ( o n s c r e e nd i s p l a y ) a b s t r a c t t i t l e ：s o f t w a r ed e s l g nf o rl i o u i dc r y s r a ld i s p l a 丫b a s e d o nm s t 9 2 5 1 m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e = k a n g z h e nl o u 、+ s u p e r v i s o r ：p r o f x i z h e n gk e a b s t r a c t s i g n a t u r e ：基哟盘 d 以 s i g n a t u r e ：丕i 逝1 3 9 陋 i nr e c e n ty e a r s ，t h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a yh a sa l r e a d yr e p l a c e dc r t d i s p l a ya n do c c u p i e d t h em a j o rp o s i t i o nf o ri t sa d v a n t a g e so ft h i na n ds m a l l ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，n or a d i a t i o n d a n g e r o u s ，s t e a d yi m a g ea n df l i c k e r - f r e e ，u n d e rt h ea t t r a c t i o no fc o n s t a n t l yd r o p p i n gp r i c e i n 2 0 0 6 ，t h e1 7 ”l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yh a sb e c o m em a i np r o d u c to fm a r k e ti nc h i n a 1 5 e l i m i n a t e dp r o g r e s s i v e l y 1 9 ”a n dw i d e rd i s p l a yi n c r e a s e db yal a r g em a r g i n ，d e v e l o p i n gi n l a r g e rs i z ea n dh i g h e rr e s o l u t i o na tp r e s e n t t h e r e f o r ei t i sg r e a tr e a l i s t i c a l l ym e a n i n g f u lt o r e s e a r c ht h eh i i g h r e s o l u t i o no ft h el a r g es c r e e na n dr e l e v a n ts y s t e ms o f t w a r e t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i so r i g i n a t e df r o map r o j e c td e v e l o p i n g4 7 - i n c hl c dd i s p l a y m i c r o p r o c e s s o rw 7 9 e 6 3 2 af r o mw i n b o n dc o r p o r a t i o na n di m a g i n gp r o c e s s o rm s t 9 2 5 1f r o m m s t a rc o r p o r a t i o na r ea d o p t e di nt h ep r o j e c ta si t sk e r n e lh a r d w a r es y s t e m l c ds o f t w a r e s y s t e mw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n tf r o ms p e c i f i c a t i o na n dr e a l i z e dw i t h m s t 9 2 51s c a l e r o nt h eb a s i so fh a r d w a r ec o n t a i n i n gm i c r o p r o c e s s o ra n di m a g i n gp r o c e s s o r , ac o n c r e t e a n a l y s i si sp r e s e n t e dt ot h ef u n c t i o n a l i t yo fs i g n a li n p u tm o d u l e ，k e y b o a r di n p u tm o d u l e ，m c u c o n t r o l l i n gm o d u l ea n di m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e t h ep r o c e s s i n gc o u r s eo ft h es i g n a lw a s c a r r i e do nc o r r e s p o n d i n ga n a l y s i s t h ei i cb u sw a si n t r o d u c e d a l lt h ep o r t i o n sw e r er e s e a r c h e d a n dd e s i g n e ds u c ha sk e y b o a r dp r o c e s s i n g ，m o d ed e t e c t i o n ，o s du s e rm e n u ，f a c t o r ym o d ea n d b u r ni nm o d e al c dd i s p l a yw a sd e s i g n e do fs u p p o r t i n gu pt o19 2 0 12 0 0a n da u t o m a t i c a l l y i d e n t i f y i n ga n dp r o c e s s i n gi n p u ts i g n a lv g a a n dd v i n o r m a lv i d e oi m a g e sa d j u s t i n gt h e p i c t u r ef r o mo s d m e n uw e r er e a l i z e df i n a l l y t h ev i d e oi m a g eg e n e r a t o rw a su s e df o re x a m i n i n ga l ld e s i g n e df u n c t i o ns t r i c t l ya tt h e p h a s eo fs y s t e mt e s t t h et e s t r e s u l t t o t a l l y a c c o r d sw i t ht h es p e c i f i c a t i o no f p r o d u c t d e v e l o p m e n t c o n s e q u e n t l yas o f t w a r es y s t e mf o rl c d w i t hm s t 9 2 51i sa c h i e v e d k e yw o r d s ：l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ；m s t 9 2 51 ；o s d 独刨性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明一本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 苯论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任t 论文仟者签名莲选盘一，加墓年了月王7 日 字位论文使用授秋声明 本遘主盘塑：在导师的指导下创作完成毕业论文：，本人已通过论文的答辩，一： 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子舨学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 ，4 i 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后， i 一 一 、 适用本梧极说明) 论文作者签名莲垫毽2 导师签 年) 月叫日 前言 1 刖吾 1 1 液晶显示的发展 由最初的阴极射线管( c r t ) ，到现在的液晶显示、等离子、大屏幕投影，显示技术的 发展可以说是一目千里。进入新千年，作为信息产业重要构成部分的显示器件正在加速推 进其平板化的进程，用平板显示器代替阴极射线管显示器已成为高技术发展的必然趋势。 近年来国内外主要平板显示技术的发展动态以及最新成果表明，平板显示技术已经或即将 占据显示技术的主流地位。其中尤以液晶显示技术目前应用最为广泛，最有市场前景。 液晶显示器具有科学合理的结构，随着材料科学、光源技术及半导体工艺技术的发展 而同步发展。同时，在计算机软件和网络技术的支持下，它正向着集成化、智能化和廉价 化的方向发展，发展潜力非常大，发展空间也十分广阔。 在中国市场，从2 0 0 0 年开始，液晶显示器就开始受到人们的关注。之后几年液晶显示 器市场一直保持高速发展态势，技术的革新、产能的扩大以及价格的持续下滑，使得液晶 显示器市场规模快速膨胀。据相关数据统计显示n 1 ，2 0 0 6 年整个中国显示器市场的需求增 长了2 0 ，其中液晶显示器市场的需求量达到1 0 0 0 万台以上，预计至2 0 0 7 年会增至2 0 0 0 万 台以上，所占市场份额也将全面超越c r t 产品。 纵观近几年的液晶显示器市场，当今显示器件正朝着小、薄、轻、大( 屏幕) 、高( 分 辨率) 的方向发展。依托技术的不断进步以及行业应用市场的迅速发展，大屏幕产品在液 晶显示设备中所占的市场份额越来越大，仅一两年时间，1 5 英寸液晶显示器已逐渐淡出市 场，1 7 、1 9 英寸由盛极一时走向表现平平，而市场新宠则是2 2 寸显示器，2 7 、3 0 一5 0 英寸 显示器已不鲜见。面对大屏幕的诱惑，液晶显示器发展动力强劲。 1 2 液晶显示器的特点 液晶显示器( l c d ) 英文全称为l i q u i dc r y s t a ld is p l a y ，它一种是采用了液晶控制 透光度技术来实现色彩的显示器。作为l c d 主流技术的薄膜晶体管液晶显示屏t f t l c d ( t h i nf i l mt r a n s i s t o rl c d ) 是集大规模半导体集成电路技术、驱动i c 技术和平板光源 技术于一体的高新技术，采用薄膜晶体管有源矩阵，在每个像素上设计有一个场效应开关 管，易于实现真彩、高分辨率，而且响应速度快、灰度高，使l c d 进入高画质真彩图像显 示的新阶段。 和c r t 显示器相比，l c d 具有如下优点p 3 ： ( 1 ) 体积小、能耗低。一般一台1 5 寸l c d 显示器的耗电量也就相当于1 7 寸纯平c r t 显示 器的三分之一。 ( 2 ) 平板型结构。l c d 显示器通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它 做到了真正的完全平面。 ( 3 ) 被动显示型，无眩光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳。由于通过控制是否透光来 西安理工大学硕士学位论文 控制亮和暗，当画面不变时，液晶显示器每一个点也保持不变，而不像c r t 那样需要不断 刷新亮点，这样就无须考虑刷新率的问题。对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器，届i 新 率不高但图像也很稳定。 ( 4 ) 显示信息量大。与c r t 相比，液晶显示器件没有荫罩限制，像素可以做得很小，因 此在同样大小的显示面积内，可以容纳更多的像素，显示更多的信息。 ( 5 ) 易于彩色化。一些高档的数字l c d 显示器采用了数字方式传输数据、显示图像，这 样就不会产生由于显卡造成的色彩偏差或损失。 ( 6 ) 无电磁辐射，对人体安全。液晶显示器件在使用时不会产生像c r t 使用中产生的软 x 射线及电磁波辐射，即使长时间观看l c d 显示器屏幕也不会对眼睛及身体造成很大伤害。 ( 7 ) 长寿命，由于采用了长寿命的液晶背灯，其余器件几乎没有什么劣化问题，因此 寿命极长。 1 3 液晶输入信号介绍 目前的l c d 可处理的输入信号有v g a 、d v i 、v i d e o 、s - v i d e o 、t v 等。市场上出售的 大多数液晶显示器都配备了v g a 和d v i 两种接口p 1 。 v g a 的英文全称是v i d e og r a p h i ca r r a y ，即视频图形阵列。v g a 接口也叫d - s u b 接口， 是1 5 针的梯形插头，分成3 排，每排5 个，传输模拟信号。v g a 接口采用非对称分布的 1 5 针连接方式，其工作原理是将显存内以数字格式存储的图像( 帧) 信号经过模拟调制 成模拟高频信号，然后再输出到显示设备成像。v g a 支持在6 4 0 4 8 0 的较高分辨率下同 时显示1 6 种色彩或2 5 6 种灰度，同时在3 2 0 2 4 0 分辨率下可以同时显示2 5 6 种颜色。v g a 由于良好的性能迅速开始流行，厂商们纷纷在v g a 基础上加以扩充，如将显存提高至l m 并使其支持更高分辨率如s v g a ( 8 0 0 6 0 0 ) 或x g a ( 1 0 2 4 7 6 8 ) ，这些扩充的模式就称之 为v e s a ( v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r d sa s s o c i a t i o n ，视频电子标准协会) 的s v g a ( s u p e r v g a ) 模式，现在的显卡和显示器基本上都支持s v g a 模式。此外后来还有扩展的s x g a ( 1 2 8 0 1 0 2 4 ) 、u x g a ( 1 6 0 0 1 2 0 0 ) 、w u x g a ( 1 9 2 0 1 2 0 0 ) 等模式，这些符合v e s a 标准的分辨 率信号都可以通过v g a 接口实现传输。 d v i 全称为d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ，它是以s i l i c o ni m a g e 公司的p a n a l l i n k 接 口技术为基础，基于t m d s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e dd if f e r e n t i a ls i g n a li n g ，最小化传 输差分信号) 协议作为基本电气连接。t m d s 是一种微分信号机制，可以将象素数据编码， 并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器按照t m d s 协议编码后通过t m d s 通道 发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。一个d v i 显示系统包括一个传送器和一个接 收器。传送器是信号的来源，可以内建在显卡芯片中，也可以以附加芯片的形式出现在显 卡p c b 上；而接收器则是显示器上的一块电路，它可以接受数字信号，将其解码并传递到 数字显示电路中，通过这两者，显卡发出的信号成为显示器上的图象。 d v l 与v g a 接口相比，主要具备两大优势，一是速度快。d v i 传输的是数字信号，数 2 前言 字图像信息不需经过任何转换，就会直接被传送到显示设备上，因此减少了数字一模拟一 数字繁琐的转换过程，大大节省了时间，因此它的速度更快，有效消除拖影现象，而且使 用d v i 进行数据传输，信号没有衰减，色彩更纯净，更逼真。二是画面更加清晰。计算机 内部传输的是二进制的数字信号，使用v g a 接口连接液晶显示器的话就需要先把信号通过 显卡中的d a ( 数字模拟) 转换器转变为r 、g 、b 三原色信号和行、场同步信号，这些信 号通过模拟信号线传输到液晶内部还需要相应的a d ( 模拟数字) 转换器将模拟信号再一 次转变成数字信号才能在液晶上显示出图像来。在上述的d a 、a d 转换和信号传输过程 中不可避免会出现信号的损失和受到干扰，导致图像出现失真甚至显示错误，而d v i 接口 无需进行这些转换，避免了信号的损失，使图像的清晰度和细节表现力都得到了大大提高。 1 4 本文完成的工作 本方案要设计成能够处理v g a 及d v i 液晶显示系统解决方案，能够支持1 7 、1 9 、3 2 、 3 7 及4 7 寸超大显示屏幕，最高分辨率达1 9 2 0 x1 2 0 0 ，图像显示效果良好，菜单易于操作、 功能完善。 项目要求以产品开发规格书为依据，对显示器的o s d 菜单、模式探测等功能进行程序 设计，开发出一款完全符合商业用户标准的液晶显示器。 完成本课题的研究工作要求掌握液晶的物理结构，了解液晶显示器的工作原理及显示 控制方式，在此基础上分析大屏幕液晶显示器的系统结构和工作原理，并掌握信号处理环 节中各个模块的功能、数据处理方法和控制方式。这样才能进行各模块的软件设计，最终 完成系统运行试验和测试工作。 本方案硬件电路采用台湾晨星公司( m s t a rs e m i c o n d u c t o r ) 的m s t 9 2 5 1 作为主显示控 制芯片，m c u 采用华邦公司( w i n b o n d ) 的w 7 9 e 6 3 2 a ，另外还有外扩存储器4 m x3 2 b i td d r s d r a m 。本文首先对硬件系统的各个功能模块进行说明，包括电源管理模块，m c u 控制模 块，图像处理模块，键盘输入模块，v g a d v i 视频输入模块及存储模块等。在此基础上对 l c d 显示器进行了软件设计，主要讨论了i i c 通信协议程序的实现，设计出基于i i c 总线 的多种数据传输模式函数和符合v e s a 标准的d d c 接口程序，通过对键盘事件、视频信号 模式探测机制和o s d 字符属性的分析，介绍了按键程序、模式探测处理程序和o s d 菜单程 序的具体实现。 最后进行了详细的系统测试过程，测试结果表明产品性能满足设计要求，达到了预期 的设计目标。 西安理工大学硕士学位论文 2 液晶显示器的结构与特点 液晶显示模块l c m ( l i q u i dc r y s t a lm o d u l e ) 是整个液晶显示器的核心部分。它是一 种将液晶显示器件、连接件、集成电路、p c b 线路板、背光源、结构件配在一起的一体化 组件。本章将对液晶显示的基本原理，液晶的驱动以及液晶模块的构成进行简要的介绍。 2 1 液晶的物理特性 液晶是一种介于固态和液态之间的中间相物质，它不但具有固态晶体光学特性，又具 有固态流动特性。液晶的物理特性包括它的黏性( v i s c o s i t y ) 与弹性( e l a s t i c i t y ) 和 其极化特性( p o l a r i z a b i l i t y ) 。液晶的黏性和弹性从流体力学的观点来看，可说是一个 具有排列性质的液体，依照作用力量的不同方向，会有不同的效果。其棒状分子之间相互 平行排列，分子轴沿着同一方向，并且各个分子沿着分子轴的方向能自由移动。 液晶除了有黏性的特性外，还具有弹性的表现，对于外加的力，呈现出方向性的特点。 因此，光线射入液晶物质中，必然会按照液晶分子的排列方式进行传播，产生了自然的偏 转现象。由于液晶分子中的电子结构都具备很强的电子共轭运动能力，所以当液晶分子受 到外加电场的作用，便很容易被极化产生感应偶极性( i n d u c e dd i p o l a r ) ，而这是液晶分 子间互相作用力的来源。一旦使液晶分子取向发生变化，液晶的光学特性将随之变化，于 是在液晶中传输的光就受到调制，这种由电场产生的光调制现象叫做液晶的电光效应 ( e l e c t r o - o p t i ce f f e c t ) 。它是液晶显示的基础。 2 2 液晶面板的结构 液晶面板的结构如图2 1 所示，t f t 型的液晶显示器主要是由：背光源、偏光板、 滤光片、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等构成。将设有透明电极的两块玻 璃基板用环氧类黏合剂以4 - 6 p r a 间隙进行封合，并把液晶封入其中而成，这就是液晶盒， 盒的两个外侧贴有偏光板。透明电极的作用主要是使外部电信号通过其加到液晶上去，在 t f t l c d 中的电极为f e t ( f i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r ) 场效应晶体管和共用电极。与液晶 相接的玻璃基板内侧表面覆盖着一层配向膜。配向膜的作用是使液晶分子按特定的方向排 列，上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，在垂直于玻璃片表面的方向，盒内液 晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到下玻璃片扭曲了9 0 。这里利用了液晶分子的物 理特性：当通电施加上电场时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混 乱，阻止光线通过。 在光源设计上，由于液晶材料本身并不发光，t f t - l c d 的显示采用“背透式”照射方式， 光源一般采用荧光灯管，由背光板和反光膜提供均匀的背景光源。当光照射时先通过下偏 光板向上透出，由于上下夹层的电极改成f e t 电极和共通电极，所以在f e t 电极导通时， 液晶分子会立即发生改变，这时显示的手段同样是遮光和透光。但不同的是，由于f e t 晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直 4 液品显示嚣的结构与特点 到f e t 电极下一次再加电改变其抖列方式，这样大大提高了液品屏的反应速度 幽2 - 1 液品面扳截面结构 f i 9 2 - 1 s e c t i o n a ls 衄l c m m o f l c dp a n e l 除此外，t f ti c d 在显示图像的效果主要是由像素晶体管控制的。为显示彩色，在t f t 的面板中包含由红、绿、蓝组成的滤色片，这三个滤光片对应一个像素，每一个单色滤色 片也称为子像素。如图2 2 所示。经过液晶层的光线还必须经过前方的彩色滤光片与另 块偏光扳。因此我们只要改变激发液晶的电压值就可以控制虽后出现的光线强度与色彩， 这样就能在液晶面板上变化出有不同色调的颜色组合了。 图2 - 2 彩色l e d 像素 f i 9 2 - 2c o l o r e d l c d p t x e l 如果我们的l e d 显示器分辨率为l 0 2 4 7 6 8 ，那它实际上其由1 0 2 4 7 6 8 3 个子像素 和晶体管组成，每一个子像素都有一个场效应薄膜晶体管，它们按照一定的方式排列成一 种驱动矩阵。可以通过调节加在每个子像素h 的电压值，从而改变各色光的透射强度值， 不同强度的r 、g 、b 光混合在一起就实现了彩色显示。 2 3 液晶显示器件的驱动 液晶的光学传输特性取决于分子排列状态，改变分子的排列状态就可以改变液晶层光 西安理工大学硕士学位论文 学传输特性，这就是液晶电子学的应用基础。而液晶分子排列的改变可以通过电、磁、热 等外部场的作用来实现。我们把这种通过外场作用来改变分子排列状态的过程称为液晶显 示器的驱动。液晶显示器常用的驱动方式分为如图2 3 所示的几种类型。 ， f 静态驱动方式 i电驱动方式f 直接矩阵驱动方式 l c d j【动态驱动方式 驱动方式1 光寻址驱动方式【有源矩阵驱动方式 【热寻址驱动方式 图2 - 3 液晶显示器驱动方式 f i 9 2 - 3 d r i v i n gm o d eo fl c d 目前广泛采用的t f t - l c d 的驱动方式为有源矩阵驱动型。有源矩阵驱动也叫做开关矩 阵驱动。这是一种在显示面板的各像素设置开关元件和信号存储电容，以实施驱动的方式， 其加工工艺类似于大规模集成电路。图2 - 4 哺1 表示了以t f ，i 为开关元件时的工作原理。液 晶显示器上每一个显示像素都由其所在的行和列的位置唯一确定。每一行的驱动为栅极驱 动器，每一列的驱动为数据驱动器。栅极驱动器所在的行为扫描线，数据驱动器所在的列 为信号线。栅极驱动器的作用是实施开关的导通和断开；而数据驱动器的作用就是对信号 线施加目标电压。在以行顺序驱动方式依次扫描行电极过程中，当某行一旦被选通，则该 行上所有的t f t 开关元件同时被行脉冲闭合，变成低阻导通状态。与行扫描同步，各列信 号电荷分别通过列电极从保持电路送入与导通元件t f t 相连的各相应像素电容，信号电压 被记录在像素电容和储存电容上。当行选一结束，t f l 开关元件即断开，被记录的信号电 压将被保持并持续驱动像素液晶，直到下帧扫描到来再进行更新。由于每个像素都可通过 点脉冲直接控制，使得每个节点相对独立，并可以连续控制。这样不仅提高了反应时间， 同时在灰度控制上也可以做到非常精确。 6 图2 4t f t - l c d 的等效电路 f i 9 2 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f t f f - l c d 液晶显示器的结构与特点 t f t l e d 的单个开关管像素是用像素电极和共用电极夹液晶的结构，从电的角度可以 把他视为电容。t f t 具有开关功能，因此，对于图2 4 第i 行第j 列的单个像素p ( i ，j ) ， 将其表示为最简单的等效电路如图2 5 所示。所谓驱动像素与通过开关对电容实施充放电 基本上是等效的。要对图2 5 中电容充电，就要把开关t ( i ，j ) 导通，对信号线o ( j ) 施加 目标电压。当像素电极被充分放电之后，即使将开关断开，电容中的电荷得到保存，电极 间的液晶层继续有电压施加。由此工作过程可看出，扫描电压只做t f t 元件的开关电压之 用，而驱动液晶的是信号电压通过导通t f t 元件对像素电容充电后在像素电极和公用电极 之间形成的电位差v l c ，v l c 大小决定于信号电压。可见，采用t f t 元件作有源矩阵驱动， 可实现开关电压和驱动电压分开，从而可达到开关元件的开关特性和液晶像素的电光特性 的最佳组合。 母何 爿 t i i ) 。过 层 图2 - 5 简佳的像素等效电路 f i 醇5s i m p l ee q u i v a l e n tc i r c u i to fp i x e l 一由于施加于液晶层的显示电压存储于各像素的存储电容，可以使液晶层稳定地工作。 这个显示电压通过t f t 在短时间内可以重新写入。由于液晶像素的电容存储效应，只要 t f t 单元的漏电流足够小，写入的数据信号在一帧的时间内可基本保持不变，就能实现占 空比接近1 0 0 的静态显示效果。因此，即使在高清晰度l c d 中，也不降低图像品质，能 够以最高的品质显示图像。 2 4 液晶显示器整机模型 液晶显示器整机模型如图2 6 所示，一般由液晶面板、p c b 主控制板、a d a p t e r 电源 适配器、按键板、i n v e r t e i ：逆变器构成。来自p c 的模拟信号或数字信号经过v g a d v i 接 口输入到主控制板中，经过图像处理于液晶面板显示出来。实际电路板如图2 - 7 所示。 主控制板用于外部信号v g a d v i 的输入处理，并控制p a n e l 工作以及整个显示器的工 作状态。液晶模板p a n e l 部分为液晶显示模块，它是液晶显示器的核心部件，包含液晶板 和驱动电路。a d a p t e r 电源适配器用于将2 2 0 v 的交流电压转变为1 2 v 、5 v 的直流电源供 给显示器工作。i n v e r t e r 逆变器：用于将主板或a d a p t e r 输出的1 2 v 的直流电压转变为 p a n e l 需要的高频的1 5 0 0 - - 一1 8 0 0 v 的高压交流电，用于点亮p a n e l 的背光灯。 7 西安理工大学硕士学位论文 囝2 _ 6 液晶显示器整机模型 f 啦4 5i n t c g r a t e d m o d e l o f l c d 圈2 7 实际电路楹 f i 9 2 - 7 a c t u a lc i r c n b o a r d 系统的硬件结构 3 系统的硬件结构 3 1 系统的整体结构 如图3 1 所示，系统结构主要由视频输入、m c u 控制模块、图像处理模块、存储模块 及视频输出构成。该系统能够自动检测并识别v g a 和d v i 不同显示模式的信号，将检测到 的输入信号进行相应的处理，转换成l c d 面板所要求的数据格式进行显示，并可实现不同 输入源之间的自由切换。 图3 一l电路系统框图 f i 9 3 1s y s t e m a t i cb l o c kd i a g r a mo f t h ec i r c m t 计算机输出的模拟信号或数字信号进入系统后，其中的r g b 信号被输入到图像处理模 块中，经过模拟视频放大、a d c 转换和图像缩放控制，输出可以驱动液晶面板的数字视频 信号，计算机输出的水平同步信号和垂直同步信号也被输入到图像处理模块中。其中的数 字信号由d v i 接收器接收后送到图像缩放处理器，然后输出到液晶屏。整个系统由微控制 器w 7 9 e 6 3 2 a 通过i i c 总线与p c 机、d d rs d r a m 和图像处理模块进行通信，通过修改s c a l e r i c 寄存器中的值以达到对图像的控制( 液晶显示器图像处理技术中，最核心的技术是缩 放电路，也叫s c a l e r 的技术) 。系统可通过i s p 进行p c 机在线调试。 3 2 信号输入部分 液晶显示器的输入信号分为模拟视频信号v g a 和数字视频信号d v i ，v g a 输入电路如 图3 2 所示。l c d 显示器接收的v g a 信号是传统的r g b 模拟信号，由1 5 脚的d s u b 连接 头将视频信号传输到l c d 显示器上。其中的1 、2 、3 脚分别为输入的r 、g 、b 信号，6 、7 、 8 脚分别为r 、g 、b 信号的地线。i s p s d a 和i s p s c l 采用i i c 总线协议在p c 机与m c u 之间进行数据传输，p c 机通过此总线下载程序到m c u 的程序代码区进行在线编程( i s p ， i n s y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ) 。另外也可通过此接口控制d d c ( d i s p l a yd a t ac h a n n e l ) ， 向2 4 c 2 1 存储器读取或写入值，在此存储的数据包括显示器的型号、尺寸、垂直水平扫 描频率，最大分辨率等。水平同步信号v g a h s 和垂直同步信号v g a - v s 被输入到视频模块 o 西安理工大学硕士学位论文 中进行相应的处理，同步信号的处理包括探测输入图像的t i m i n g 信息，即图像分辨率和 图像刷新率等。 口 _ v w l d 图3 - 2v g a 输入电路图 f i 9 3 - 2v o ni n p u tc i r c u i td i a g r a m d v i 输入部分如图3 - 3 所示。 d 、，1 1 图3 3d y i 输入电路图 f i 9 3 - 3d v ii n p u tc i r c u i td i a g r a m 管脚1 、2 、9 、1 0 、1 7 、1 8 、2 3 、2 4 输入数据为r 、g 、b 及时钟数字信号，d v i s c l 和d v is d a 为d v i 口d d c 数据。输入的颜色及时钟数字信号不需a d 转换直接进入s c a l e r 图像处理芯片。 3 36k e y 键盘输入部分 如图3 - 4 ，l e d _ r 与l e d _ 6 接于m c l j 的p 4 0 和p 4 1 引脚，用来控制按键板l e d 灯， 1 0 系统的硬件结构 当指示灯为绿色时表示显示器处于正常工作状态；当l e d 灯变为橙色时，表明显示器进入 省电模式，此时显示器背光关闭，m c u 和s c a l e r 处于低功耗状态。管脚4 9 分别对应6 k e y 按键板的六个按键：p o w e r 、m e n u 、e n t e r 、u p 、d o w n 、a u t o 。每一个按键对应一个4 7 k 上拉电阻和一个滤波电容，当某一按键被按下时，该引脚被拉至低电位。另一端连至m c u ， 由m c u 探测电平高低则可判断是哪一个按键被按下。 面。晶 高 面赢叮 孟。面 孟 c 0 8 0 3c d o d 3c 0 0 0 3c d 0 0 3c 0 0 0 3c o a 0 3c 0 0 0 3c d b d 3 图3 - 4 键盘输入电路图 f i 9 3 - 4k e y b o a r di n p u tc i r c u i td i a g r a m 3 4m c u 控制部分们 m c u 控制模块采用的微控制器w 7 9 e 6 3 2 a 是一款快速8 0 5 1 兼容微控制器，它的内核经 过重新设计，提高了时钟速度和存储器访问周期速度，最高频率可达4 0 m h z ，因而在相同 的时钟频率下，它的指令执行速度比标准8 0 5 1 要快许多。一般来说，根据指令类型， w 7 9 e 6 3 2 a 的指令执行速度是标准8 0 5 1 的1 5 3 倍。在同一时钟频率下的整体性能是标 准8 0 5 1 的2 5 倍。在相同的吞吐量及低频时钟情况下，功耗也有所降低，因此w 7 9 e 6 3 2 a 是完全静态的c m o s 设计。另外还支持i s p 在线编程，包括1 2 8 k 可区域寻址的f l a s he p r o m ， 4 k 辅助f l a s he p r o m 用于下载程序。m c u 外围电路图如图3 - 5 所示。 w 7 9 e 6 3 2 a 与8 0 5 2 在管脚及指令集上兼容，它具有8 0 5 2 的资源如：4 个8 位i o 口，3 个1 6 位定时器计数器，7 个中断源，2 个优先级，一个增强型全双工串口。另外还有一 个附加的4 位1 0 口( 片选) ，片上振荡器及时钟电路，2 5 6 字节片内暂存r a m ，片内1 k b 外部数据存储器( 用m o v x 指令访问) ，可编程看门狗定时器，6 通道8 位p w m 等，对外部 r a m 及外设的访问周期可以进行软件编程。m c u 内部模块图如图3 6 所示。 1 2 7 k i i l = j m i r4 t k i i p 4 r p 10 i p 1 ， 0 p 3 7 p 4 0 l 雕3 图3 - 5m c u 控制部分电路图 f i 9 3 - 5m c uc o n t r o l l i n gc i r c u i td i a g r a m 图3 - 6m c u 内部模块图 f i 9 3 - 6m c u b l o c kd i a g r a m 系统的硬件结构 i o 口：w 7 9 e 6 3 2 a 有4 个8 位i o 口，及一个附加的4 位i o 口。当处理器用m o v c 或m o v x 指令执行外部程序、访问外部设备存储器时，p o 口可用作地址数据总线。此时 它内部有强上拉或下拉功能，无须再使用外部上拉。p 2 口主要提供1 6 位地址的高8 位。 当用作地址线时它同样具有强上拉或下拉功能。p l 、p 3 口作为i o 口具有不同的功能。 p 4 口是和p 1 、p 3 相同的通用i o 口。 串行口：w 7 9 e 6 3 2 a 有1 个增强型串行口，功能与标准8 0 5 2 串行口相似。w 7 9 e 6 3 2 a 的 串行口能以不同的方式运行，以获得时序相似。串行口有自动地址识别和帧错误检测等增 强功能。 定时器：w 7 9 e 6 3 2 a 有3 个1 6 位定时器，其功能与8 0 5 2 体系中的定时器类似。当作为定 时器使用时，可将它们设置为每4 个时钟周期进行一次计数，或者每1 2 个时钟周期进行一 次计数。这为用户提供了模拟标准8 0 5 2 时钟运行的一种方式。w 7 9 e 6 3 2 a 具有特殊的功能： 看门狗定时器，该定时器可用作系统监控器，或超长周期定时器。 中断：w 7 9 e 6 3 2 a 的中断系统与标准8 0 5 2 的中断系统有细微的差别。由于存在新增功能 和外设，中断源的数量和中断向量都要相应的增加。w 7 9 e 6 3 2 a 提供7 个中断源2 级中断能力， 包括2 个外部中断，定时器中断及串行i 0 口中断。 电源管理：类似于标准8 0 c 5 2 ，w 7 9 e 6 3 2 a 有空闲和掉电2 种节电方式。另# w 7 9 e 6 3 2 a 还 提供一个新的称为经济模式的节电方式，它允许用户将时钟频率进行4 、6 4 或1 0 2 4 的分频。 在空闲模式下，c p u 核停止工作，而定时器、串行口、中断时钟继续运行。在掉电模式下， 所有时钟停止工作，芯片运行完全停止，是最省电的运行模式。 片上数据s r a m ：w 7 9 e 6 3 2 a 有1 k 字节的数据s r a m 空间，它是可读写的并且具有存储器映 射。这些片上m o v xs r a m 用m o v x 指令来访问。这片区域不用于存放可执行代码。对于片内 2 5 6 字节暂存r a m 和l k 字节数据s r a m 来说，不存在数据的冲突和重叠，因为他们有不同的寻 址方式和单独的访问指令。所有0 0 0 0 h - f f f f h 地址空间的访问均为对外部s r a m 的访问。 3 5 图像处理芯片m s t 9 2 5 1 3 5 1m s t 9 2 5 1 特性1 现在的液晶显示屏普遍采用l v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 接口，即 低压差分信号，是一种满足当今高性能数据传输应用的新型技术。图像处理电路部分的主 要功能就是将p c 信号进行数据格式的转换，使之适合液晶显示器对输入数据格式的要求。 图像处理芯片m s t 9 2 5 1 是专门为业液晶显示器设计的功能强大的处理和接口芯片。 m s t 9 2 5 1 的主要特点有： 高性能图像缩放引擎，最高可支持u x g a w u x g a ( 1 9 2 0 1 2 0 0 ) 集成8 位三路a d c p l l 集成d v i 兼容接收器 m s t a r a c e 一2 图像色彩处理引擎 西安理工大学硕士学位论文 内嵌o s d