（计算机应用技术专业论文）基于nt68521+scaler的液晶显示器软件设计.pdf

西南交通大学硕士研究生论文 第1 页 摘要 现今，液晶显示器以其体积小、重量轻、功耗低、无闪烁等优点正逐步取 代c r t 显示器而成为主流。在国内对于液晶显示器这一新型显示技术的研究 起步较晚，落后于欧美以及亚洲的一些技术发达国家。因而对液晶显示器相 关技术的研究及其系统软件的开发都具有诸多现实意义。 本论文的研究课题来源于一款1 5 时液晶显示器开发项目。该项目采用了 n o v a t e k 公司的n t 6 8 f 6 3 3 微处理器和n t 6 8 5 2 1 图像处理芯片构成的硬件系 统，并基于此硬件系统，按照显示器产品开发规格说明书的具体要求来设计 液晶显示器软件部分，以实现视频图像的正常显示和o s d 菜单对图像的调节 等功能。 本论文以液晶显示器的工作原理为基础，通过对硬件系统分析、软件设计 和系统测试的研究和开发，实现了一种基于n t 6 8 5 2 1s e a l e r 的液晶显示器软 件系统。 论文首先对液晶的物理特性、液晶显示器显示原理和驱动原理进行了介 绍，然后基于微处理器和图像处理芯片的硬件系统，具体分析了视频输入模 块、键盘输入模块、m c u 控制模块和图像处理模块的功能，同时对模块间的 数据传输以及视频信号的处理过程也进行了相应分析。软件设计中主要采用 了c 语言和部分汇编语言对i i c 总线程序、按键处理、模式探测处理、o s d 菜单以及工厂模式等各部分进行了具体的设计与开发。 系统测试阶段使用视频图像发生器，对所有的设计功能进行了相关测试。 通过严格的系统测试，验证了论文研究工作中各个部分设计的有效性和正确 性。从而得到了一种基于n t 6 8 5 2 1s c a l e r 的液晶显示器软件系统。 关键词：液晶显示器；s c a l e r ；o s d a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) i ss u p e r c e d i n gc r t d i s p l a ya n d b e c o m i n g t h em a i n s t r e a mf o ri t sf e a t u r e so fs m a l l e l v o l u m e ，l i g h t e rw e i g h t , l o w e r c o n s u m p t i o n ，f l i c k e r - f l e e ，e t c i nt h e m e a nt i m e ，r e s e a r c h e si no u rc o u n t r yo nt h i s n e wt e c h n o l o g ys t a r t e dr e l a t i v e l yl a t e ，a n dt h u sa r ed r o p p e db e h i n dt h o s ei n e u r o p e a n ，a m e r i c a na n d s o m ea s i a nc o u n t r i e s s oi ti sr e a l i s t i c a l l ym e a n i n g f u lt o d e v e l o ps y s t e m s o f t w a r ef o rl c da n d i n v e s t i g a t et e c h n o l o 百e s r e l a t e dt oi t t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i so f f g i n a t e df r o map r o j e c td e v e l o p i n g15 一i n c hl c d d i s p l a y t h ep r o j e c ta d o p t sm i c r o p r o c e s s o rn t 6 8 f 6 3 3 a n di m a g i n gp r o c e s s o r n t 6 8 5 2 1f r o mn o v a t e kc o r p o r a t i o na si t sk e r n e lh a r d w a r es y s t e m b a s e do nt h e h a r d w a r e ，l c ds o f t w a r es y s t e m ，w h i c hw a su s e dt or e a l i z en o r m a lv i d e oi m a g e s a sw e l la so s dm e n u s w 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 ml c d s s p e c i f i c a t i o n t h r o u g ht h ep r o c e s so f h a r d w a r ea n a l y s i s ，s o f t w a r ed e s i g n ，a n ds y s t e mt e s t ， t h i sp a p e r , b a s e do nt h et h e o r yo f l c d ，f i n a l l yr e a l i z e das o r w a r es y s t e m f o rl c d w i t hn t 6 8 5 2 1s c a l e r a tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r , a ni n t r o d u c t i o ni s g i v e n t ot h ep h y s i c a l p r o p e r t i e so fl i q u i dc r y s t a l ，w o r k i n gt h e o r yo f l c da n di t sd r i v e rp r i n c i p l e t h e n 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 , a t h o r o u g ha n a l y s i s i s p r e s e n t e d t ot h e f u n c t i o n a l i t y o fv i d e o i 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 ea n dm c uc o n t r o l l i n gm o d u l e a tt h es a m et i m et h ed a t a t r a n s p o r t a t i o nb e t w e e nm o d u l e sa n dt h ep r o c e s s i n gp r o c e d u r eo fi m a g i n gs i g n a l s a r ea l s oa n a l y z e d t h es o f t w a r ef u n c t i o n sd e a l i n gw i t hi i cb u s ，k e ：y b c a r d ，m o d e d e t e c t i o n ，o s dm e n ua n df a c t o r ym o d ew e r ei m p l e m e n t e dm o s t l yb ycl a n g u a g e a n d p a r t l yi f n e c e s s a r yb ya s s e m b l yl a n g u a g e a tt h ep h a s eo f s y s t e mt e s t ，t h ev i d e oi m a g eg e n e r a t o ri su s e df o re x a m i n i n g a l lr e l a t e dd e s i g n e df u n c t i o n s h e r e b y , as o f t w a r es y s t e mf o rl c dw i t hn t 6 8 5 2 1 i sa c h i e v e db yt h ev a l i d i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h ed e s i g nf o re v e r yp a r t ，w h i c ha r e v e r i f i e dv i at h ep a s s i n go fs t r i c ts y s t e mt e s t k e yw o r d s ：l c d ：s c a l e r ；o s d 西南交通大学硕士研究生论文 第1 页 1 1 引言 第一章绪论 现在，电脑已经成为人们生活工作中不可缺少的工具，而显示器则是一台 电脑不可缺少的部分。在家用电脑市场上，我们接触最多的是c r t ( 阴极射 线显像管) 显示器。尽管c r t 显示器历经发展，目前技术已经越来越成熟， 显示质量也越来越好，大屏幕也逐渐成为主流，但c r t 固有的物理结构限制 了它向更广的显示领域发展。例如，当屏幕加大后，显示器的体积必然要加 大，功耗增加，这是由于c r t 显示器显像管长度要与屏幕对角线长度相当， 当把显示器做得很大时，必然会加大显示器的厚度，在使用时就会受到空间 的限制。另外，由于c r t 显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，产生 辐射与电磁波干扰便成为其最大的弱点。人们在长期使用下对健康必然会产 生不良影响。于是，液晶显示器便粉墨登场。 人们早在1 8 8 8 年就发现了液晶这一呈液体状的物质，它是一种几乎完全 透明的物质，同时呈现固体与液体的某些特征。液晶从形状和外观看上去都 是一种液体，但它的晶体结构又表现出固体的形态。像磁场中的金属一样， 当受到外界电场影响时，其晶体会产生精确的有序排列。如果对分子的排列 加以适当的控制，液晶分子将会允许光线穿透，光线穿透液晶的路径可由构 成它的分子排列来决定，这又是固体的一种特征。 六十年代起，人们发现给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光线的 扭曲或折射。经过反复测试，1 9 6 8 年，美国发明了液晶显示器件，随后l c d 液晶显示屏就正式面世了。 第一台成形的液晶显示器出现在1 9 7 1 年，这就是最初的t n l c d ( 扭曲 向列) 显示屏。尽管当时仍然是单色的、十分简单的显示工具，但仍在某些 领域得到了推广应用，如电子表、计算器、掌上游戏机等，它们都是采用了 类似的技术。到了8 0 年代初，这一技术开始应用到计算机产品上。1 9 8 4 年， 欧美提出了s t n - l c d ( 超扭曲向列) ，同时t f t - l c d ( 薄膜式晶体管) 技术 也被提出，但仍不成熟。8 0 年代末，日本掌握了s t n l c d 的大规模生产技 术，l c d 产业获得飞速发展。1 9 9 3 年，日本又掌握了t f t - l c d 大规模生产技 术，液晶显示器开始向廉价、低成本的方向发展，随后d s t n l c d ( 双层超扭 曲向列) 诞生；另一方面向高端的薄膜式晶体管t f t l c d 发展，1 9 9 7 年，日 西南交通大学硕士研究生论文第2 页 本建成了一大批以5 5 0 姗x 6 7 0 r a m 为代表的第三代大尺寸基板t f t l c d 生产 线。在此期间，韩国和我国台湾开始介入液晶显示器生产领域，我国内地企 业也引进生产线，生产t n l c d ，目前，我国仍然是世界上最大的t n l c d 生产 国，但已经在技术上落在了后面。而东亚地区，已经逐渐发展成为世界液晶 显示器的主要生产地，日本、韩国和我国台湾，走在最前列。展望内地在加 入w t o 后，这一产业将得到进一步的发展。 1 2 目前研究现状 随着液晶面板和集成电路的发展，l c d 显示器的接口技术和图像处理电路 也得到迅速的发展。现在l c d 显示器不但能够接受传统的r g b 模拟输入信号 ( 模拟接口) ，也能够接受新定义的t m d s 信号( 数字接口) 。另一方面输入的 模拟信号在经过a d c 转换得到r g b 数字信号，或者直接输入的t m d s 信号都需 要输入到s c a l e ri c ( 图像缩放控制处理电路) 中进行处理，因此它是l c d 显示器的一个重要组成部分。 s c a l e ri c 主要用来将输入的各种视频信号( 如v g a 、s v g a 、x g a 或s x g a 等) 放大( s c a l e u p ) 至t f t l c d 面板所提供的分辨率。在较先进的s c a l e ri c 中，除了放大的功能之外，也具备缩小( s h r i n k i n g ) 的功能。有鉴于它的重 要性和高利润，以及l c d 的发展，国内外多个i c 设计厂家开始竞逐s c a l e ri c 市场，使其得到迅速的发展。 最早的液晶显示器所用的s c a l e ri c 是由加拿大的g e n e s i s 一 【i e r o c h i p 公 司生产的g m z l 。在g m z l 刚推出时，一颗e s ( e n g i n e e r i n gs a m p l e ) i c 售价高 达9 5 美元，量产后的售价仍为6 5 美元，价格相当昂贵；现在处于高端的g m 5 0 2 0 ， 几乎整合了全部的功能，但售价却不到2 0 美元，芯片的发展相当迅速。除了 g e n e s i s m i c r o c h i p 公司之外，其它还有p i x e lw o r k 、s a g e 、a r i t h m o s 等外 国公司都在进行s c a l e ri c 的研发和生产。在台湾岛内的厂家中，n o v a t e k 是做的比较好的一家公司。 初期的s c a l e ri c 功能较为单纯，只能对图像进行放大处理，例如g m z l 和g m z 2 。随着市场的需求、竞争的加剧和技术的发展，s c a l e ri c 逐渐将外 围搭配的其它i c 也整合进来了。 l c d 显示器分为模拟显示器和数字显示器两种。对于模拟l c d 显示器，其 输入的为r g b 模拟信号，因此需要一个3 通道的a d c 电路将其转换为数字信 号输入到s c a l e r 单元进行图像处理，同时还需要一个锁相环( p l l ) 电路产 西南交通大学硕士研究生论文 第3 页 生a d 转换时的采样频率。g m z l 之后的g m z n l 和g m b l 3 5 便在原来的s c a l e r i c 中整合了a d c 和p l l 电路。 在模拟l c d 显示器出现之后，数字式l c d 显示器开始面市。数字式l c d 显 示器输入的是t m d s 数字视频信号，因此需要一个t m d s ( t r a n s i t i o n m i n i m i z e d d i f f e r e n t i a ls i g n a l ) 接收器来接收并解调出原来的数字视频信号，它不需 要a d 转换电路，接收器输出的数字视频信号可以直接输入到s c a l e r 中进行 处理。早期的t m d s 接收器采用s i l i c o ni m a g e 公司的s i i l 4 l 和s i l l 5 1 芯片， 随后g e n e s i s m i c r o c h i p 公司将此电路整合到供纯数字式l c d 显示器使用的 g m z r x l 和后续的g m 3 0 2 0 中。 双讯号式l c d 显示器可以接受输入的t m d s 数字信号和r g b 模拟信号，因 此双讯号式l c d 显示器不但需要个t m d s 接收器，也需要一个三通道的a d c 转换电路，它可视为模拟式l c d 显示器和数字式l c d 显示器两者的综合体。双 讯号式l c d 显示器常用的s c a l e ri c 有g e n e s i s m i c r o c h i p 公司的g m 5 0 1 0 ( 可 用于x g a 等级的1 5 时机种) 、g m 5 0 2 0 ( 可用于s x g a 等级的1 7 或1 8 1 时机种) 和g m 5 0 6 0 ( 可用于u x g a 等级的2 0 1 时机种) ，它们都同时整合了a d c 、p l l 和t m d s 电路。 s c a l e ri c 输出的视频信号可以直接输入到t f t l c d 面板中，但为了降低 数据传输速率以减少电磁干扰( e m i ) 问题，输出到t f t l c d 面板的数据通常会 分割为奇( o d d ) 、偶( e v e n ) 两半。如此一来，2 4 位宽度的视频数据便成为4 8 位的宽度了( 即奇、偶数据的宽度各为2 4 位) ，因而数据传输速率也随之降低 为原来的一半。现在使用的t f t l c d 面板，其视频信号常采用l v d s ( l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ，一种t m d s 信号) 格式来传送，因此s c a l e ri c 的输出数据必须先送至一个t m d s 信号发送器( t r a n s m i t t e r ) 进行编码后再输 出到t f t l c d 面板中。最新的s c a l e ri c 已经整合了l v d s 功能。 除此之外，某些厂家也在推出所谓的伶俐型面板( s m a r tp a n e l ) l c d 显示 器。所谓伶俐型面板是指将原先l c d 面板上的一片时序控制( t c o n ，t i m i n g c o n t r 0 1 ) 芯片整合到s e a l e ri c 中。与此同时，s c a l e ri c 中也逐渐加入了 o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ) 功能。应用在c r t l c d 显示器上的o s d 模块可以 在屏幕的任何位置显示一些特殊的字符和图形，是人机界面的一种重要交互 通道。 目前用于1 5 、1 7 时模拟输入l c d 显示器中的s c a l e ri c 主要有 g e n e s i s - m i c r o c h i p 公司的g m z a n 3 与台湾n o v a t e k 公司的n t 6 8 5 2 1 ，它们将 s c a l e r 、p l l 、t c o m 、o s d 、l v d s 等功能整合到块控制器芯片中。可以用来 西南交通大学硕士研究生论文第4 页 设计出尺寸比以往更小的单块双层控制板，其成本仅有8 美元左右，极具市 场竞争力。 1 _ 3 课题来源及其主要研究内容 本课题来源于飞利浦公司显示器研发部所承接的一款1 5 时液晶显示器研 发项目，这是为国内一家著名的电脑厂商开发的产品，其液晶面板采用上海 l g p h i l i p s 公司生产的第四代产品，硬件系统和软件内核采用p h i l i p s 公 司的h u d s o n 架构，此架构已于2 0 0 4 年2 月被成功地应用在飞利浦公司的 h u d s o n1 5 0 s 4 液晶显示器中。这是飞利浦公司在中国大陆的第一款显示器开 发项目。 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1 5 时液晶显示器。 参加本课题的研究工作要求掌握液晶的物理结构，了解单色和彩色液晶显 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；并掌握视频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。 本论文首先讨论了液晶显示器的工作原理，分别对液晶的物理特性、单色 和彩色液晶显示器的显示原理进行介绍，并给出了一个完整的液晶显示器模 型。然后对s c a l e r 硬件系统的各个功能模块进行说明，重点分析了图像处理 模块中的时钟电路、显示输出接口、视频处理器、同步处理器、频率检测和 极性检测单元。 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 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 c i 接口程序；通过对o s d 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o s d 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。 最后对详细的系统测试过程进行讨论，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。 西南交通大学硕士研究生论文第5 页 第二章液晶显示器工作原理 在新一代的显示器技术中，最受人重视的要算平面显示器( f p d ，f l a t p a n e ld i s p l a y ) 技术，而在种种平面显示器技术中，应用最广、也最为成熟 的便是液晶显示器( l c d ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 技术。与c r t 显示器 ( c a t h o d e r a yt u b e ，阴极射线管) 相比，它以低工作电压、微功耗、轻便、 体积小、易彩色化等优点，得到迅速的发展，同时由于两者采用的材料和技 术的不同，决定了它们在工作原理上有着明显的区别。 2 1 液晶的物理特性 液晶是一种介于液体和晶体之间的中间态物质，它既有液体的流动性，又 有类似晶体结构的有序性。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子 构成。目前已发现的液晶物质有近万种，其中l c d 显示器中的液晶材料普遍 采用的是向列型液晶( n e m a t i c ，或称向列相) ，其棒状分子之间相互平行排列， 但不分层。从整体来看，分子轴向着同一方向( 取向有序) ，并且各个分子沿 着分子轴的方向能够自由地移动，如图2 一l 所示。 图2 1 向列型液晶 液晶分子在电场的作用下，由某种排列方式转变成另一种排列方式，从而 引起液晶盒的光学性质发生变化，所产生的这种电光调制现象称作液晶的电 光效应( e l e c t r oo p t i ce f f e c t ) 。要利用液晶的电光效应来显示文字或图像，必 须制成液晶盒，液晶盒是由镀了透明电极的两块玻璃板之间注入厚度均为 l o u m 的液晶层组成，同时对玻璃基板与液晶的接触面施行一种特殊的表面处 理，使液晶分子形成一种均匀的排列方式。液晶盒的结构如图2 - 2 所示。现在 普通的t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 有源矩阵薄膜晶体管液晶显示器采用的是 西南交通大学硕士研究生论文 第6 页 液晶电光效应中的扭曲向列型( t n ，t w i s t e dn e m a f i c ) 效应，这是一种电场 性效应。 图2 - 2 液晶盒结构 2 2 单色液晶显示器的显示原理 使用n p ( 正极性) 向列型液晶( 厚度约为1 0 u m ) 夹在内表面带有导电膜 的两块玻璃基板之间，做成使液晶分子长轴在上下两块基板之间连续扭曲 9 0 0 的t n 液晶盒。由于n p 向列型液晶分子长轴方向的介电常数较大，所以入 射光将沿着分子长轴方向传播。而这种t n 排列液晶盒的扭矩远大于可见光的 波长，所以入射光垂直入射到玻璃基板上的线偏振光( 光矢量只限于单一方 向振动的光) 在通过液晶盒的过程中，偏振方向将沿着液晶分子长轴的扭曲 方向旋转9 0 。( 即旋光度为9 0 。) 。将液晶盒放置在两偏振片( 也称作偏光板， 它只能透过沿某个方向振动的光矢量而不能透过与该方向垂直振动的光矢 量) 之间，当两偏振片相互平行时，光线不能通过；当两偏振片相互垂直时， 光线可以通过。 t n 型液晶盒在施加高于其阀值电压【( 使液晶分子的初始排列开始产生 改变时的电压) 的外加电压( u 2 【， ) 时，液晶分子长轴都沿着平行于电场的 方向重新排列，从而导致9 0 0 旋光性消失。在这种状态下，当液晶盒放置在两 块平行偏振片之间时，光线能够产生透射，而当液晶盒处于两块垂直偏振片 西南交通大学硕士研究生论文第7 页 之间时，光线不能产生透射，与无外加电场的情况完全相反。 图2 - 3 为t n 模式的工作原理，在两块垂直的偏振片之间放置t n 型排列液 晶盒所产生的电光效应。无外加电压时，光线能够产生透射( 图2 - 3 a ) ；而施 加电压时，光线被遮断( 图2 - 3 b ) 。但是当液晶盒放置于两块平行的偏振片之 间时，光线的透射或遮断刚好与图2 3 的情况相反。它可以实现白底黑像或 黑底白像的显示。 图2 - 3t n 模式工作原理 从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的l c d 显示屏都是由不同部分组成的分层结构。l c d 由两块玻璃板构成，厚约l m m ， 其间由包含有液晶( l c ) 材料的5 u r n 均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发 光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块 背光板( 或称匀光板) 和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线， 其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振板 之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层，液晶层中的水晶液滴都被包含在 细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板 与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通 过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。 在液晶材料周围是控制电路部分和驱动电路部分，当l c d 中的电极产生电场 时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然 后经过第二层偏振片的过滤在屏幕上显示出来。 西南交通大学硕士研究生论文第8 页 2 。3 彩色液晶显示器的显示原理 液晶显示器的彩色显示是利用彩色滤色膜来实现的。彩色滤色膜的r 、g 、 b 三基色按一定顺序排列，并与t f t 基板上的子像素一一对应( 一个像素由三 个子像素组成) ，如图2 4 所示。背光源发出的白光经过滤色膜过滤后成为相 应的r 、g 、b 色光，通过t f t 阵列( 对于一个普通的1 0 2 4 7 6 8 分辨率的t f t 液晶显示器，总共有1 0 2 4 7 6 8 3 = 2 3 5 9 2 9 6 个子像素，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成一种驱动阵列) 可以调节加 在各个子像素上的电压值，从而改变各色光的透射强度值。不同强度的r 、g 、 b 色光混合在一起就实现了彩色显示。 图2 4 彩色t f t l c d 像元结构 2 4 液晶显示器面板驱动原理 s c a l e r 板输出的数字视频信号必须经过相应的处理才能驱动液晶面板。 信号 ( l v d s ) 5 v 1 2 v 图2 - 5t f t l c d 驱动电路的方块图 西南交通大学硕士研究生论文 第9 页 对于常用的t f t 显示器，它是利用各像素内的薄膜晶体管( t f t ) 进行视频信 号的写入和保持，并获得高对比度、高速反应等影像特性。如图2 - 5 所示， 它通常将6 b i t 或8 b i t 数字r g b 信号输至数据驱动器内，再将信号转换成驱 动液晶所需的模拟电压。此外，为了控制薄膜晶体管的开和关，需要进行扫 描驱动，其驱动信号是通过a s i c 控制电路从l v d s 信号中分离得到的。背光 型l c d 显示器的背光源应是亮度均匀的面光源，t f t 液晶显示器采用的背光源 是冷阴极荧光灯，需要采用高压交流驱动和电阻电容限流，1 2 v 的直流电经过 转换产生约6 0 0 v 的高压作为荧光灯的工作电压。 1 5 时的t f t 显示屏具有大约2 4 0 万个子像素，每个子像素由像元电极、 公共电极以及封闭在两者之间的液晶构成，通过一个薄膜晶体管控制加到像 元上的电压，如图2 - 6 所示。为了节省庞大的硬件驱动电路，在液晶显示器 件电极的制作与排列上作了加工，实施了矩阵型的结构，即把水平一组显示 像素的电极都连在起引出，称之为行电极，把纵向一组显示像素的电极都 连在一起引出，称之为列电极，如图2 7 a 所示，在液晶显示器上每一个显示 像素都由其所在的列与行的位置唯一确定。在驱动方式上采用了类似c r t 的 光栅扫描方法，液晶显示器采用的是动态驱动方式，即循环地给行电极施加 选择脉冲，同时为所有显示数据的列电极给出相应的选择或非选择的驱动脉 冲，从而实现某行所有显示像素的显示。这种扫描是逐行顺序进行的，循环 周期很短，使得液晶显示屏上呈现出稳定的图像。 教i i 线教据线 扫描蛀 等哗乜等 羹i 目5 自 公菇电撮 公共电橙 扫描线 图2 - 6t f t - l c d 像元等效电路 t f t l c d 的动态驱动时序如图2 7 b 所示，先将r g b 数字信号输入到数据 驱动器内，接着施加s t b 脉冲，驱动器内的数据将被输出至与之相连的对应 列电极上，此时再给行电极施加选择脉冲，图像数据就被加载到t f t 液晶面 板内并开始显示。扫描驱动器从上往下依序进行扫描，最后完成整个画面显 示。 西南交通大学硕士研究生论文第l o 页 二二 亟豳 二二 l q q d 舯。 fg 肿。 - q 上 q 历历 上 - qq 历荔 列电扳 2 5 液晶显示器模型 o n e r o w d 目l a i + 咖0 0 吼呻0 衄0 4 哪0 朋0 1 0 斓唧咖朋咖0 0 叩耻雠眦咖8 0 0 6 0 6 0 朋0 栅雎哪目 j?【，。且 n nn n n n n n n n n “n n n n n n n n n n nn n i n n nn n n n n n n n n n n n n n n n n n “n n ； n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n nn n | g 厂 g ，、 6 0 j 、 _ 。1 _ 。 图2 7t f t l c d 动态驱动模式 典型的液晶显示器模型如图2 8 所示，一般由液晶面板、图像处理板( s c a l e r b o a r d ) 、开关电源板和控制板构成。来至p c 的r g b 模拟信号经过d _ s u b np 迄i o s d 按键| l e dl l c d 显示器 图像处理板 ( m c u + s c a l e ri c ) 开关电源板 背光灯电源 图2 - 8 l c d 显示器模型 il_侧蚓蚓耐剥r_i_ 西南交通大学硕士研究生论文第1 l 页 接口输入到图像处理板中，由a d c 电路将其转换为数字信号，经过图像处理， 再配合微处理器、p l l 锁相环电路，提供给可以驱动液晶面板的数字图像信 号。 控制板用来控制显示器的工作状态，并对图像质量进行设定。液晶面板则 负责图像的显示。2 2 0 v 的交流电经过开关电源转换，输出+ 1 2 v 、+ 5 v 、+ 3 3 v 直流电，分别作为背光灯的逆变电源和微处理器、图像处理芯片的工作 电源。 小结：本章以目前普遍使用的t f t 有源矩阵液晶显示器为例，介绍了其 所用的向列液晶材料的物理特性，单色和彩色显示器的显示原理以及液晶面 板的驱动原理，最后对一个完整的液晶显示器模型进行了介绍。 西南交通大学硕士研究生论文第1 2 页 第三章s e a ie t 硬件系统结构 一台性能良好的l c d 显示器主要由液晶面板、开关电源板、图像处理板、 控制板以及一个漂亮的外壳构成。液晶面板和开关电源都有专门的厂商在进 行生产，如上海l g p h i l i p s 公司、苏州友大光电都是国内比较大的液晶面板 生产厂商：而台达、联昌则负责开关电源的生产，本设计中使用的是 l g p h i l i p s 的液晶面板和联昌的开关电源。因此这里只对l c d 显示器的图像 处理电路进行介绍并开发基于n t 6 8 5 2 ls c a l e r 的l c d 显示器控制软件。 3 1s e a ie r 硬件系统概述 典型的s c a l e r 板结构框图如图3 - 1 所示。主要由视频输入模块、m c u 控 制模块、键盘输入模块和图像处理模块构成。 f c y g a 卡 图3 - 1s c a l e r 板结构框图 计算机的图形卡输出的模拟信号进入s c a l e r 板后，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，同步信号处理单元对输入的同步信号进行模 式探测( 即探测输入图像的t i m i n g 信息，包括图像分辨率和图像刷新率等) ， 西南交通大学硕士研究生论文第1 3 页 最后经过锁相环电路合成新的像素时钟对a d c 转换单元和图像缩放处理单元 进行控制。m c u 控制模块主要通过i i c 总线与p c 主机、e e p r o m 串行存储器和 图像处理模块进行通信，通过修改s c a l e ri c 寄存器中的值以达到对图像的 控制。 3 2 视频输入模块 l c d 液晶显示器输入的视频信号一般分为模拟视频信号和数字视频信号 两种，这里设计的l c d 显示器接受的视频信号是传统的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。视频输入电路如图 3 2 所示。 2 2 2 5 图3 2 视频输入电路 ds u b 接头共有1 5 根引脚，其中的三根信号地线合并为一根地线，见图 3 - 2 中第5 引脚。i s p s d a 与i s p c s l 采用i i c 总线( v e s a 标准中称这里采用 的总线为d d c 2 b i 总线，i i c 总线为飞利浦专利) 在p c 主机和m c u 之间进 行数据传输，p c 主机通过此总线下载固件程序到m c u 的6 4 k 程序代码区， 同时p c 主机也可以通过此总线使用d d c c i ( d a t a d i s p l a y c h a n n e l c o m m a n d i n t e r f a c e ，数据显示通道命令接口) 命令接口对m c u 下达命令，向a t 2 4 c 1 6 串行存储器或s e a l e ri c 寄存器读取或写入值，完成对图像的控制处理。 水平同步信号、垂直同步信号( v s i n 、h s i n 引脚) 和模拟视频信号( r i n 、 g i n 、b i n 引脚) 被输入到视频模块中进行相应的处理。v g ad e t e c t o r 引 脚与m c u 的y o 引脚相连，m c u 根据此引脚电平来判断显示器视频电缆是 西南交通大学硕士研究生论文 第1 4 页 否与计算机相连，以决定在显示屏上是否显示“电缆无连接”的警告信息。 3 3 键盘输入模块 在l c d 显示器中，键盘的设计一般采用分压电路与m c u 的a d 转换弓 脚相连来实现。如图3 3 所示。 二t 6 9 1 2 。f 。洲 一一r 1 1 1 j l e dg i 7 1 l 1 0 l e d r g k - p w r 上 8 a l 丌oi1 9 0 1 7 m e n u3 9 0 1 f 1 9 0 2 v v ” 6 3 9 0 2 1 9 0 3 r i g h t | 5 气i 搿r 寸f 图3 - 3 键盘输入电路 西南交通大学硕士研究生论文第1 5 页 a u t o 键和m e n u 键通过电阻r 3 9 0 1 、r 3 9 0 2 、r 3 5 0 4 、r 3 5 3 2 、电源正和电 源地分别构成分压电路，再与m c u 的a d 转换引脚p b i _ a d c l 相连，当a u t o 键被按下时，p b l 一a d c i 引脚输入电压为揣3 3 = 1 6 5 矿；当m e n u 键被按下时，p b l 一a d c l 引脚输入电压为i 焉亍靠。3 。3 = o 。3 3 矿，m c u 对引 脚输入的不同模拟电压进行a d c 转换，从而可以判断是哪一个引脚被按下。 a u t o 键和m e n u 键的分压电路如图3 - 4 所示。r i 曲t 键和l e f t 键与此相同。 图3 4 键盘分压电路 p o w e r 键通过1 0 k 的上拉电阻接m c u 的p a 0 引脚，当p o w e r 键被按下时， p a 0 引脚被拉至低电位。绿色和黄色l e d 指示灯分别接m c u 的p c 5 、p c 6 引脚，当p c 5 引脚输出低电平时，黄色指示灯亮，表明显示器进入省电模式， 此时l c d 背光被关闭，m c u 和s c a l e ri c 运行于低功耗状态；当p c 6 引脚输 出低电平时，绿色指示灯亮，表明显示器处于正常工作状态。 3 4m o o 控制模块 m c u 控制模块采用n o v a t e k 公司的n t 6 8 f 6 3 3 作为主控芯片，它是具有8 0 3 1 嵌入式内核的微型控制器，主要应用于高性能低成本的l c d 显示器控制。硬 件资源包括6 4 k 字节的可编程r o m ，1 2 8 0 字节的片内数据存储空间，4 通道7 位a d c 转换通道，2 个1 6 位定时计数器，一个异步串行口( u a r t ) ，此外还 西南交通大学硕士研究生论文第1 6 页 包括两个d d c ( i i c 总线) 端口。 m c u 控制模块原理框图如图3 - 5 所示，两个d d c 端口中的一个用于与p c 主机通信，另一个d d c 端口则用来与图像处理芯片n t 6 8 5 2 1 和串行存储器 a t 2 4 c 1 6 进行通信。d - s u b 接口的v g a d e t e c t o r 接m c u 的p c o 引脚，当此引 脚为高电平3 3 v 时，表明视频信号电缆与p c 主机连接正常。m c u 通过两个 a d c 通道和3 个i o 端口完成对键盘和电源指示灯的控制。一个异步串口用于 与p c 主机进行通信，使用基于w i n d o w s 的g p r o b e 应用软件显示程序调试信 息。b l c o n t r o l 引脚接液晶面板背光的电源管理模块，控制背光的开和关， p a n e lp w m 引脚则用来控制液晶面板的工作电源。 m n t 6 f 6 3 3 b m i o p w m p r 如 p c l 州帅 一_ m 一 n 帽 l 露翳是嚣盘“ r s t n c a 怕r l c l 盯 r - m c u 叩d 嗣一 上u 上 上上l 图3 5m c u 控制模块框图 石英晶体与外围电阻电容构成外部振荡器，产生一个1 2 m h z 的系统时钟， 接m c u 的o s c i 引脚；同时通过内部的反馈电阻和电容，o s c o 引脚将输出时钟 信号作为n t 6 8 5 2 1 的系统时钟。 m c u 复位包括外部复位引脚复位、低电压复位、看门狗复位和i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m ) 复位。当使用i s p 功能通过p c 主机的打印机口和d d c 2 b i 总线下载程序代码时，内建的i s p 状态机将侦测到这种特殊的i s p 模式，在 程序下载完毕后产生一个i s p 复位信号，它仅复位m c u ，因此s c a l e ri c 的寄 存器值不会被改变，l c d 显示器仍可以正常显示。在m c u 上电完成复位后，r s t n 西南交通大学硕士研究生论文第1 7 页 引脚将输出一个复位信号对s c a l e ri c 复位。 3 5 图像处理模块 图像处理模块框图如图3 - 6 所示，p c 主机输出的r g b 视频信号和 h v ( h s y n c v s y n c ，水平垂直同步信号) 信号被送入到图像处理模块中经过处 理产生新的数字视频信号和像素时钟，通过l v d s ( l o wv o r a g ed i f f e r e n t i a l s i g n a l ) 接口输出到l c d 面板。b r i g h m e s s 引脚输出一个范围可变的电压信号 控制升压电路的输出电压，m c u 的b lc o n t r o l 引脚控制升压电路是否工 作，升压电路产生一个大约6 0 0 v ( 1 5 时液晶显示器) 的电压作为背光灯电源。 图像处理模块的复位和时钟信号由m c u 控制模块提供。 图3 - 6 图像处理模块框图 图像处理模块中的图像处理单元采用n o v a t e k 公司的n t 6 8 5 2 1 ，这是一款 高质量的l c d 控制器，集成了三个a d c 通道、比例缩放单元、o s d 单元、l v d s 接1 2 1 和定时控制