人机界面中的LCD控制驱动与接口设计

2006-05-16 14:38:48来源: 单片机及嵌入式系统应用 关键字:栅极  点阵  驱动器

  引 言

  液晶eeworld.com.cn/index.aspx?key=%CF%D4%CA%BE">显示,稳定可靠、成本低、功耗小、控制驱动方便、接口简单易用、模块化结构紧凑,在嵌入式系统中作为人机界面获得了广泛的应用。近年来,国内许多厂商,如紫晶、冀雅、晶华、信利、蓬远等已经能够满足各种定制液晶显示的需求;很多著名半导体厂商,如Hitachi、Seiko Epson、Toshiba、Holtek、Solomon、Samsung等相继推出了许多控制驱动器 style="COLOR: blue; TEXT-DECORATION: underline" href="http://news.eeworld.com.cn/index.aspx?key=%C7%FD%B6%AF%C6%F7">驱动器件。本文以现有的控制驱动器件和液晶显示器如何构成各种结构紧凑、成本低廉、简单易用、性能优良的嵌入式人机界面的设计进行综合阐述。

  1 液晶显示及其控制驱动与接口概述

  液晶显示LCD(Liquid Crystal Display),是利用液晶材料在电场作用下发生位置变化而遮蔽/通透光线的性能制作成的一种重要平板显示器件。通常使用的LCD器件有TN型(Twist Nematic,扭曲向列型液晶)、STN型(Super TN,超扭曲向列型液晶)和TFT型(Thin Film Transistor,薄膜晶体管型液晶)。TN、STN、TFT型液晶,性能依次增强,制作成本也随之增加。TN和STN型常用作单色LCD。STN型可以设计成单色多级灰度LCD和伪彩色LCD,TFT型常用作真彩色LCD。TN和STN型LCD,不能做成大面积LCD,其颜色数在218种以下。218种颜色以下的称为伪色彩,218种及其以上颜色的称为真彩色。TFT型可以实现大面积LCD真彩显示,其像素点可以做成0.3mm左右。TFT-LCD技术日趋成熟,长期困扰的难题己获解决:视角达170°,亮度达500cd/m2(500尼特),显示器尺寸达101.6cm(40in),变化速度达60帧/s。[1~3]

  进行LCD设计主要是LCD的控制/驱动和与外界的接口设计。控制主要是通过接口与外界通信、管理内/外显示RAM,控制驱动器,分配显示数据;驱动主要是根据控制器要求,驱动LCD进行显示。控制器还常含有内部ASCII字符库,或可外扩的大容量汉字库。小规模LCD设计,常选用一体化控制/驱动器;中大规模的LCD设计,常选用若干个控制器、驱动器,并外扩适当的显示RAM、自制字符RAM或ROM字库。控制与驱动器大多采用低压微功耗器件。与外界的接口主要用于LCD控制,通常是可连接单片机MCU的8/16位PPI并口或若干控制线的SPI串口。显示RAM除部分Samsung器件需用自刷新动态SDRAM外,大多公司器件都用静态SRAM。嵌入式人机界面中常用的LCD类型及其典型控制/驱动器件与接口如下:

  段式LCD,如HT1621(控/驱)、128点显示、4线SPI接口;

  字符型LCD,如HD44780U(控/驱)、2行×8字符显示、4/8位PPI接口;

  单色点阵 style="COLOR: blue; TEXT-DECORATION: underline" href="http://news.eeworld.com.cn/index.aspx?key=%B5%E3%D5%F3">点阵LCD,如SED1520(控/驱)、61段×16行点阵显示、8位PPI接口,又如T6963C(控)+T6A39(列驱)+T6A40(行驱)、640×64点双屏显示、8位PPI接口;

  灰度点阵LCD,如HD66421(控/驱)、160×100点单色4级灰度显示、8位PPI接口;

  伪彩点阵LCD,如SSD1780(控/驱)、104RGB×80点显示、8位PPI或3/4线SPI接口;

  真彩点阵LCD,如HD66772(控/源驱)+HD66774(栅驱)、176RGB×240点显示、8/9/16/18位PPI接口、6/16/18动画接口、同步串行接口

  视频变换LCD,如HD66840(CRT-RGB→CD-RGB)、 720×512点显示、单色/8级灰度/8级彩色、4位PPI接口。

  控制驱动器件的供电电路、驱动的偏压电路、背光电路、振荡电路等构成LCD控制驱动的基本电路。它是LCD显示的基础。

  LCD与其控制驱动、接口、基本电路一起构成LCM(Liquid Crystal Module,LCD模块)。常规嵌入式系统设计,多使用现成的LCM做人机界面;现代嵌入式系统设计,常把LCD及其控制驱动器件、基本电路直接做入系统。整体考虑,既结构紧凑,又降低成本,并且有利于减少功耗、实现产品小型化。


  控制LCD显示,常采用单片机MCU,通过LCD部分的PPI或SPI接口,按照LCD控制器的若干条的协议指令执行。MCU的LCD程序一般包括初始化程序、管理程序和数据传输程序。大多数LCD控制驱动器厂商都随器件提供有汇编或C语言的例程资料,十分方便程序编制。

  2 常见LCD的控制驱动与接口设计

  2.1 段式LCD的控制驱动与接口设计

  段式LCD用于显示段形数字或固定形状的符号,广泛用作计数、计时、状态指示等。普遍使用的控制驱动器件是Holtek的HT1621,它内含与LCD显示点一一对应的显存、振荡电路,低压低功耗,4线串行MCU连接,8条控制/传输指令,可进行32段×4行=128点控制显示,显示对比度可外部调整,可编程选择偏压、占空比等驱动性能。HT1621控制驱动LCD及其MCU接口如图1所示。[4]

        

        
  2.2 字符型LCD的控制驱动与接口设计
 
  
字符型LCD用于显示5×8等点阵字符,广泛用作工业测量仪表仪器。常用的控制驱动器件有:Hitachi的HD44780U、Novatek的NT3881D、Samsung 的KS0066、Sunplus的SPLC78A01等。HD44780U使用最普遍。它内嵌与LCD显示点一一对应的显存SRAM、ASCII码等的字符库CGROM和自制字符存储器CGRAM,可显示1~2行每行8个5×8点阵字符或相应规模的5×10点阵字符,其内振荡电路附加外部阻容RC可直接构成振荡器。HD44780U具有可直接连接68XX MCU 的4/8位PPI接口,9条控制/传输指令,显示对比度可外部调整。HD44780U连接80XX MCU时有直接连接和间接连接两种方式:直接连接需外部逻辑变换接口控制信号,而无需特别操作程序;间接连接将控制信号接在MCU的I/O口上,需特别编制访问程序。HD44780U控制驱动LCD及其与80XX MCU的接口如图2所示。[5]

        

       
  2.3 单色点阵型LCD的控制驱动与接口设计

  单色点阵型LCD用作图形或图形文本混合显示,广泛用于移动通信、工业监视、PDA产品中。小面积LCD常采用单片集成控制驱动器件,如Seiko Epson的SED1520,可实现61列×16行点阵显示;中等面积LCD常采用单片控制/列驱动器件与单片行驱动器件,如Hitachi的HD61202U(控/列驱)、HD61203(行驱) ,可实现64×64点阵显示;较大面积LCD常采用“控制器+显存+列驱动器+行驱动器”形式,如Toshiba的T6963C(控)、T5565(显存)、T6A39(列驱)、T6A40(行驱) ,可实现640×128点阵显示。这些驱动器常需12~18V负电源实现偏置与调整对比度。控制器件大多可以外接阻容RC构成振荡器或外接振荡器或外引时钟。显存中的每一位与LCD显示点一一对应。需要文字显示时,简单字符可直接使用集成在控制器内的ASCII字库,汉字或自制字符显示可在控制器外扩展大容量的字库CGROM或自制字库CGRAM。控制接口通常是8位PPI的68XX或80XX MCU接口(与MCU的连接也存在直接连接和间接连接两种形式),7~13条控制/传输指令,可实现点线圆等绘图功能。控制器T6963C、HD61830、SED1335等可以实现单双屏LCD控制。这是适应移动通信显示的结果,实质上是平分显存并分别对应两个LCD屏。编制传输数据程序时,要注意结合显存的特点适当变换数据形式,如SED1520显存中的8位数据是反竖排的,HD61202显存中的数据是竖排的。图3是Seiko Epson的SED1335控制器,外扩显存SRAM、自制字库SGRAM、大容量汉字库CGROM,与列驱动器SED1606、行驱动器SED1635组成的LCD及其80XX MCU接口的构成框图,可以实现640×56单色点阵LCD显示。[6]

         

       
  2.4 灰度点阵型LCD的控制驱动与接口设计

  小型测控系统和低成本手持设备中大量使用灰度点阵型LCD。这种LCD使用的控制器的显存中每n位对应一个LCD显示点,整个LCD实现的灰度等级就是2n。Hitachi的HD66421就是一款常用的经济型灰度点阵LCD控制驱动器。单片HD66421外加少许阻容器件即可实现22级160列×100行点的LCD灰度显示,并列使用HD66421可实现更大面积的LCD显示。HD66421嵌有160×100×2位显存,具有8位PPI接口,可直接连接80XX MCU,8条控制/传输指令,可编程变化驱动特性及其调整灰度类型。HD66421需外接一个电阻R构成体系振荡电路,需负电源实现偏压。HD66421是高度集成器件,322脚封装,线路板PCB设计上有难度,应足够重视。HD66421控制驱动灰度点阵LCD及其与80XX MCU的接口如图4所示。[7]

        

        
  2.5 伪彩点阵型LCD的控制驱动与接口设计

  
彩色LCD显示基于红R、绿G、蓝B三基色叠加原理,每个LCD像素点由三个RGB子像素点构成,分别由三个RGB色段驱动。彩色LCD显示需要更大的显存,每个色段有2n种颜色,就需占用n位显存。彩色LCD显示是LCD升级换代的必然结果。伪彩显示常使用廉价的STN型LCD,多用于移动通信、PDA等产品中。Solomon Systech的SSD1780是一款典型的单片高度集成的伪彩点阵型LCD控制驱动器件。其内含312×81×4位的图形数据显存GDDRAM、477kHz的振荡电路、集成偏压电路和DC-DC电路;具有8位PPI接口(可直接连接80/68XX MCU)与3/4线SPI串行接口,36条控制/传输指令。外加几个电容器件,SSD1780就可控制驱动104RGB×81点彩色STN型LCD,展示23n=4096种颜色。SSD1780是627脚封装,线路板PCB设计难度更大,须认真对待。SSD1780控制驱动伪彩STN型点阵LCD及其与80XX MCU的接口如图5所示。[8]
         

        
  2.6 真彩点阵型LCD的控制驱动与接口设计

  现代高档PDA、家电、显示墙等越来越多地应用了真彩点阵LCD显示技术。LCD真彩显示的颜色种数在218以上,与伪彩显示相比,需要更大的显存和更高的控制驱动技术,且需达到高速动画。LCD真彩显示使用TFT型LCD,主动点阵显示,需要采用源极驱动器(source driver)和栅极驱动器(gate driver)去控制LCD场效应晶体管FET的源极与栅极。源极驱动器接收显示数据驱动LCD列显示,也称为数据驱动器(data driver),栅极驱动器控制逐行扫描。Hitachi的HD66772系列真彩LCD控制驱动器件,是嵌入式人机界面设计中表现丰富多彩世界的理想选择,可以实现176RGB×240点218色高速动画TFT点阵显示。该系列器件包括HD66772、HD66774、HD66775和HD667P01。HD66772是内嵌95KB显存的控制器与176RGB段的源极驱动器,HD66774是内含驱动电源的240行栅极驱动器,HD77665仅是120行栅极驱动器,HD667P01是驱动电源器件,HD66772具有与80XX MCU直接连接的8/16位PPI接口、6/16/18位动画接口和同步串行接口。使用HD66772系列器件,控制驱动176RGB×240点TFT型LCD真彩显示,有两种方案:①1片HD66772 + 1片HD66774;②1片HD66772 + 2片HD66775 + 1片HD667P01。前者结构紧凑,后者比较经济。图6给出了前一方案的LCD控制驱动连接与16位MCU接口的框图。

        

        
  2.7 视频变换LCD的控制驱动与接口设计

  工业控制与嵌入式控制系统中,有很多LCD视频驱动设计。这种设计,常常需要选取专用器件,变换视频信号,控制驱动LCD,进行动画显示,以实现产品的兼容性并扩大产品性能。Hitachi的HD66480F就是这样的一款典型器件。它可以方便地从计算机的视频接口中取出CRT信号通过视频变换直接驱动黑白或彩色LCD,使CRT型显示器上的显示内容同时出现在LCD屏上。HD66840F可以控制驱动最大720×512点LCD,做到单色、8级灰度或8级彩色显示。HD66840F具有4位受控接口,可以直接连接8位MCU实现视频显示环境设置。使用HD66840F,需要外扩8位的RGB显示缓存SRAM。图7说明了使用HD66840F外扩显示缓存HM6264,在8位80XX MCU控制下,变换CRT信号,控制驱动HD66772彩色点阵LCD动画显示的设计框图。

         

         
  3 LCD控制驱动的基础电路设计[4~ 8]

  3.1 基本电源电路的设计

  
LCD控制驱动器件的基本电源电压一般在1.8~5.5V,现代嵌入式系统设计讲求低压微耗,多使用1.8V、2.5V、3.0V或3.3V器件。上文所述所有器件工作状态功耗都在几至几十mW以下,都可以工作在1.8~3.6V的电压范围内。选用并设计功率适当与电压稳定的电源电路十分重要。很多半导体厂商生产各种类型的系列微功耗高性能电源器件,如Torex的XC6203系列、Richtek的RT9168/A系列电压调整器,AME的AME8800系列、AME8811系列降压器,On Somlconductor的NCP1400A系列、Maxim的MAX1795系列升压器,等等。这些器件,提供的输出电压可以是1.5~5V间的任一值,±1.2%~±2.5%的精度,最大输出电流在100~500mA。选用这些器件,外配几支阻容感器件或肖基特二极管件,就可设计出适合LCD控制驱动器件的基本电源电路。图8是为HD66421设计的电源供给电路,非常简洁。
           

               
  3.2 驱动器偏压电路设计

  图形点阵LCD驱动器常常需要驱动偏置网络和负电源实现偏压。偏置网络可以按驱动器厂商推荐的阻容值配置,负电源可以选取适当的负压器件实现。常用负电源产生的办法有:采用79系列三端集成稳压器,如使用LM7918可得到-18V负压源;采用DC-DC IC制作,如Maxim的MAX749、MAX680、MAX1860/18 61,Motorola的MC34063A等。图9是用MC34063A设计的-12V负电源电路。 
         

           
  3.3 背光电路设计

  LCD背光,通常有LED、EL(场致发光)和CCFL(冷阴极灯)等背光形式。字符型或中小点阵LCD,多使用LED或EL背光,LED以黄色(红绿色调)为主,一般为4.2V驱动;EL以黄绿色(红绿白色调)为主,一般为1W、400~ 800Hz、70~120V的交流驱动。中大点阵STN型与TFT型LCD,多为白色(红绿蓝色调)CCFL背光,一般为25kHz~100kHz、300V以上交流驱动。EL与CCFL背光电路,可用IC器件搭建,也可用成品模块。IC器件搭建背光电路,如IMP的IMP525/562/803,配合少许阻容感器件,构成EL背光电路,如图10所示;Maxim的MAX1635配合变压器构成EL背光电路;Maxim的MAX1610、Linear的1182或TI的Vcc3972与变压器件搭建CCEL背光电路。成品背光模块,如森宝的VET-N1210-01 CCEL模块、精电逢远的PYE系列EL/CCEL模块。用IC器件搭建背光电路,可以紧凑设计结构并降低成本,常常在嵌入式系统设计中采用。
           

          
  3.4 振荡电路设计

  大多数LCD控制驱动器,即具有内部振荡器又可外接振荡器或外引时钟,应用时择其一即可,非常方便设计。为简化外围电路设计,经常选用控制驱动器的内部振荡器作为时钟源。这种情况下,不少控制驱动器件常常要求外接一些阻容RC器件,按照器件指南的说明配置即可。

  结 语

  以上详细阐述了LCD控制驱动及其MCU接口设计的特征和常见各种类型的具体设计,并说明了其基础电路设计。把这些规律应用在嵌入式人机界面设计中,一定能够制造出结构更加紧凑、性能更加稳定可靠、成本更加低廉的LCD界面来。

  参考文献

1.美好数码. 液晶知识[EB/OL]. http://www.good view-digital.com/chinese/knowledge.htm, 2004

2.国际光电产业资讯. TFT-LCD技术简介[EB/OL]. http://www.optoelectro.com/translate/display/display20.htm, 2004

3.Samaung Co. TFT-LCD Electronic Aspects[EB/OL].
http://www.samsung.com/us/Products/Semiconductor/TFTLCD/techleader/electronic_aspects
/electronic_aspects.htm, 2004

4.Holtek Co. HT1621 (RAM Mapping 32×4 LCD Controller for I/O MCU)[EB/OL] . http://www.holtek. com.cn/pdf/consumer/1621v140.pdf, July 1997

5.Hitachi Co. HD44780U(Dot Matrix Liquid Crystal Display Controller/Driver)[Z]: Rev0.0 . Sep 1999

6.S-MOS Systems Co. SED1330F/1335F/1336F (LCD Controller ICs) Technical Manual[Z] : Version 0.4 . Sep 1995

7.Hitachi Co. HD66421(RAM-Provided 160 Channel 4-Level Grey Scale Driver for Dot Matrix Graphics LCD)[Z] : Rev1.1E . Feb 1999

8.杨金泉. 彩色液晶显示驱动控制器SSD1780及其应用 . 今日电子. http://www.epc.com.cn/2003 /0011/yy1.htm,2003

关键字:栅极  点阵  驱动器

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