LCD基礎(chǔ)及S3C2410 LCD控制器

一、超薄平面顯示器時(shí)代來(lái)臨

電視機(jī)所采用的 CRT(陰極射線管)有著體積大、重量重、尺寸受限等缺點(diǎn)。隨著電子科技的發(fā)展，對(duì)移動(dòng)顯示的要求越來(lái)越多，CRT 的先天限制，讓其小型化、行動(dòng)化的理想受到阻礙。這使得開發(fā)新一代的顯示器技術(shù)變得更有其必要！ 新一代的顯示器講求幾個(gè)重點(diǎn)：平面直角，畫面顯示不變形、輕薄短小耗能少，攜帶方便且同時(shí)要與現(xiàn)有的影像信號(hào)技術(shù)兼容。目前談?wù)摰匠⌒惋@示器技術(shù)，最普及當(dāng)是 TFT LCD 的應(yīng)用了，舉凡數(shù)字相機(jī)、筆記型計(jì)算機(jī)、PDA 等，需要顯示復(fù)雜信息的電子產(chǎn)品通通少不了它。TFT LCD 技術(shù)又包含了，低溫多硅晶TFT LCD、反射式TFT LCD 等，多項(xiàng)不同的顯示技術(shù)，下面我們就要來(lái)一探 LCD 的歷史與原理。

二、液晶的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)
液晶的誕生來(lái)自于一項(xiàng)非常特殊物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，早在 1850 年 Virchow, Mettenheimer 和 Valentin 這三個(gè)人就發(fā)現(xiàn) nerve fibre 的粹取物中含有這種不尋常的東西。到了 1877 年德國(guó)物理學(xué)家 Otto Lehmann 運(yùn)用偏極化的顯微鏡首次觀測(cè)到了液晶化的現(xiàn)象，但他對(duì)此一現(xiàn)象的成因并不了解。直到公元1888年，奧地利的植物學(xué)家 Friedrich Reinitzer（1857-1927）發(fā)現(xiàn)了螺旋性甲苯酸鹽的化合物（cholesteryl benzoate），確認(rèn)了這種化合物在加熱時(shí)具有兩個(gè)不同溫度的熔點(diǎn)，在這兩個(gè)不同的溫度點(diǎn)中，其狀態(tài)介于一般液態(tài)與固態(tài)物質(zhì)之間，類似膠狀，但在某一溫度范圍內(nèi)其又具有液體和結(jié)晶雙方性質(zhì)，由于其特殊的狀態(tài)。Reinitzer 后來(lái)走訪 Lehmann 深入探討這種物質(zhì)的表現(xiàn)，其后兩人便命名這種物質(zhì)為「Liquid Crystal」，就是液態(tài)結(jié)晶物質(zhì)的意思。Reinitzer 和 Lehmann 這兩人被譽(yù)為液晶之父。

同 CRT 陰極射線管一樣，液晶雖早在1888年就被發(fā)現(xiàn)（實(shí)際上，但是實(shí)際應(yīng)用在生活周遭時(shí)，已是80年后的事了。因?yàn)橐壕г趦纱未髴?zhàn)中對(duì)軍事用途的幫助不大，以致于 其發(fā)展落后 CRT 甚多。比較重要的是 1922 年 Oseen 和 Z?cher 這兩位科學(xué)家為液晶確立狀態(tài)變化之方程式。一直到了 1968年美國(guó)RCA公司工程師們利用液晶分子受到電壓的影響而改變其分子的排列狀態(tài)，并且可以讓入射光線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象之原理，制造了世界第一臺(tái)使用液晶顯示的屏幕。由此開始，加上了1970年代日本 SONY 與 Sharp 兩家公司對(duì)液晶顯示技術(shù)全面開發(fā)與應(yīng)用，讓液晶顯示器成功的融入現(xiàn)代的電子產(chǎn)品之中。

描述液晶的物理性質(zhì)，必須先了解一般固態(tài)晶體具有方向性，而液態(tài)晶體這種特殊物質(zhì)，不但具有一般固體晶體的方向性外，同時(shí)又具有液體的流動(dòng)性。改變固態(tài)晶體方向必須旋轉(zhuǎn)整個(gè)晶體，改變液態(tài)晶體就不用那幺麻煩，它的方向性可經(jīng)由電場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái)控制。
改變液晶的方向視液晶的成分而有所不同，有的液晶和電場(chǎng)平行時(shí)位能較低，所以當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)朝著電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，相對(duì)的，也有液晶是對(duì)應(yīng)電場(chǎng)垂直時(shí)位能較低。由于液晶對(duì)于外加力量（電場(chǎng)或磁場(chǎng)敏感），從而呈現(xiàn)了方向性的效果，也導(dǎo)致了當(dāng)光線入射液晶中時(shí)，必然會(huì)按照液晶分子的排列方式行進(jìn)，產(chǎn)生了自然的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)像（見圖3-1）。

圖3-1

部分液晶分子的電子結(jié)構(gòu)中，有著很強(qiáng)的電子共軛運(yùn)動(dòng)能力，所以當(dāng)液晶分子受到外加電場(chǎng)的作用，便很容易的被極化產(chǎn)生感應(yīng)偶極性（induced dipolar），這也是液晶分子之間互相作用力量的來(lái)源。而一般電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，就是是利用液晶的光電效應(yīng)，藉由外部的電壓控制，再透過(guò)液晶分子的折射特性，以及對(duì)光線的旋轉(zhuǎn)能力來(lái)獲得亮暗情況，進(jìn)而達(dá)到顯像的目的。



電源關(guān)閉時(shí)，液晶具有偏光效果
可將入射光線轉(zhuǎn)彎，穿過(guò)極柵，呈現(xiàn)亮色


電源開啟時(shí)液晶不具有偏光的功能
因此光線不能通過(guò)極柵呈現(xiàn)暗色


三、液晶顯示器的種類
利用液晶制成的顯示器稱為液晶顯示器，英文稱 LCD（Liquid Crystal Display）。其種類可分為依驅(qū)動(dòng)方式之靜態(tài)驅(qū)動(dòng)（Static）、單純矩陣驅(qū)動(dòng)（Simple Matrix）以及主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)（Active Matrix）三種。而其中，單純矩陣型又是俗稱的被動(dòng)式（Passive），可分為扭轉(zhuǎn)向列型（Twisted Nematic，簡(jiǎn)稱 TN）和超扭轉(zhuǎn)式向列型（Super Twisted Nematic，簡(jiǎn)稱STN）兩種；而主動(dòng)矩陣型則以薄膜式晶體管型（Thin Film Transistor；TFT）為目前主流。

TN型
TN型液晶顯示技術(shù)可說(shuō)是液晶顯示器中最基本的，其它種類的液晶顯示器也可說(shuō)是以TN型為藍(lán)本加以改良。同樣的，它的運(yùn)作原理也較其它技術(shù)來(lái)的簡(jiǎn)單。TN 的構(gòu)造包括了垂直方向與水平方向的偏光板（Polarizer），其上具有細(xì)紋溝槽，中間夾雜液晶材料以及導(dǎo)電的玻璃基板（Glass）。

STN/DSTN
STN型的顯示原理也類似，不同的是TN型的液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN則可將入射光旋轉(zhuǎn)180~270度。 單純的 TN 顯示器本身只有明暗兩種顯示（或黑白），無(wú)法產(chǎn)生色彩的變化。TN LCD 采用的是“直接驅(qū)動(dòng)”無(wú)法顯示較多的像素，且畫面的對(duì)比小，反應(yīng)速度慢，視角更僅在+30度以下(即觀賞角度約60度)，顯示質(zhì)量也較差；故TN型LCD主要用途在于簡(jiǎn)單的數(shù)字符與文字的顯示，如：電子表及電子計(jì)算器等。 STN的出現(xiàn)改善了視角狹小的缺點(diǎn)并提高對(duì)比率，STN以“多任務(wù)驅(qū)動(dòng)”增加掃瞄線數(shù)提高畫素顯示，品質(zhì)較TN來(lái)得高。再搭配彩色濾光片的使用，將單色顯示矩陣的任一像素（pixel）分成三個(gè)子像素（sub-pixel），分別透過(guò)彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色比例之調(diào)和，可以顯示出逼近全彩模式的色彩。由于 STN 顯示的畫面色彩對(duì)比度仍只達(dá)30：1(對(duì)比愈小，畫面愈不清楚)；反應(yīng)速度為150ms（毫秒），作為一般操作顯示接口尚可，但若要播放電影速度仍然不夠。

由于 STN 仍有不少缺點(diǎn)，后續(xù)的 DSTN則通過(guò)雙掃描方式來(lái)顯示，由于DSTN采用雙掃描技術(shù)，因此顯示效果相對(duì)STN來(lái)說(shuō)，有大幅度提高。DSTN 反應(yīng)速度可達(dá)到 100ms，但因它們都為“被動(dòng)式驅(qū)動(dòng)”，在電場(chǎng)反復(fù)改變電壓的過(guò)程中，每一像素的恢復(fù)過(guò)程都較慢，在屏幕畫面快速變化時(shí)，例如：顯示網(wǎng)球比賽的轉(zhuǎn)播，就會(huì)產(chǎn)生所謂的“拖尾”現(xiàn)象。特別是當(dāng)網(wǎng)球選手擊球的那一瞬間，你就可以看到拖屏幕上出現(xiàn)“球跡尾”現(xiàn)象。不過(guò)，DSTN 價(jià)格便宜、功耗能低，一些 PDA 等，仍使用 DSTN 作為顯示裝置。

TFT
TN與STN型液晶顯示器都是使用場(chǎng)電壓驅(qū)動(dòng)方式，如果顯示尺寸加大，中心部位對(duì)電極變化的反應(yīng)時(shí)間就會(huì)拉長(zhǎng)，顯示器的速度就跟不上。 為了改善這個(gè)的問(wèn)題，主動(dòng)式矩陣（active-matrix ）驅(qū)動(dòng)被提出，主動(dòng)式 TFT型的液晶顯示器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜包括了：背光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料和薄模式晶體管等等（如圖3-2）。在TFT型液晶顯器中，導(dǎo)電玻璃上畫上網(wǎng)狀的細(xì)小線路，電極則由是薄膜式晶體管所排列而成的矩陣開關(guān)，在每個(gè)線路相交的地方配有控制閘，各顯示點(diǎn)控制閘配合驅(qū)動(dòng)訊號(hào)作動(dòng)。電極上之晶體管矩陣依顯示訊號(hào)開啟或關(guān)閉液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉(zhuǎn)向而成“亮”或“暗”的對(duì)比，避免了顯示器對(duì)電場(chǎng)效應(yīng)的依靠，轉(zhuǎn)以晶體管開啟和關(guān)閉的速率作為決定步驟。 也因此，TFT-LCD 的顯示質(zhì)量較 TN/STN佳，畫面顯示對(duì)比可達(dá)150：1以上，反應(yīng)速度逼近 30ms 甚至更快。同時(shí)又可以全彩甚至真彩效果顯示，產(chǎn)品適用于PDA、筆記型計(jì)算機(jī)、液晶顯示器、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字相機(jī)及液晶投影機(jī)。





圖3-2

下面的表格對(duì)TN、STN、TFT的各自特性做了對(duì)比

TN、STN及TFT型液晶顯示器之比較表

類別TNSTNTFT
原理液晶分子，扭轉(zhuǎn)90度扭轉(zhuǎn)180~270度液晶分子，扭轉(zhuǎn)90度
特性黑白、單色低對(duì)比黑白、彩色,低對(duì)比 彩色（1667萬(wàn)色）高對(duì)比
全色彩化否否可媲美CRT之全彩色
動(dòng)畫顯示否否可媲美CRT
視角30度以下40度以下80度以下
面板尺寸1~3寸1~12寸37寸以下


四、液晶顯示器的發(fā)展與未來(lái)
TFT LCD 之所以成功，在于其每個(gè)像素后面都配置一個(gè)晶體管開關(guān)作為控制整合之用，以致于整個(gè) TFT LCD 看起來(lái)就類似一個(gè)大型整合電路。由于 TFT LCD 必須將畫素作得非常小，讓人眼只能看到畫面，分辨不出畫素，所以 TFT LCD 的生產(chǎn)工藝就相當(dāng)精密。過(guò)去，因?yàn)榧夹g(shù)尚未成熟，在一大片的 TFT LCD 當(dāng)中難免有些節(jié)點(diǎn)，無(wú)法連接或連接錯(cuò)誤，導(dǎo)致無(wú)法顯示正確畫素，這些統(tǒng)稱“壞點(diǎn)”，包含常見的“紅、藍(lán)、綠點(diǎn)”無(wú)法自行控制、“黑、白點(diǎn)”無(wú)法使用等。目前高精密的技術(shù)已經(jīng)足以克服 TFT LCD 在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生“壞點(diǎn)”的機(jī)率，部分“壞點(diǎn)”也可通過(guò)“暗點(diǎn)化”（人類的眼睛對(duì)于暗畫素不敏感）將其消隱。

由于 TFT-LCD 成功的解決 CRT 的缺點(diǎn)，連帶的使其應(yīng)用范圍加廣范！同時(shí)，也發(fā)生了一些意想不到的問(wèn)題，例如：在陽(yáng)光下 TFT LCD 顯示不佳，需要倚靠遮光罩或透光式設(shè)計(jì)減少反光的發(fā)生，才能將其看得清楚。另外，也有利用特殊鍍膜技術(shù)，減少背景光泄漏、增加屏幕黑度、提高對(duì)比度的作用，并可以同時(shí)減小在日常明亮工作環(huán)境下的眩光現(xiàn)象。

五、S3C2410內(nèi)置LCD控制器詳解

一塊LCD屏顯示圖像，不但需要LCD驅(qū)動(dòng)器，還需要有相應(yīng)的LCD控制器。通常LCD驅(qū)動(dòng)器會(huì)以COF/COG的形式與LCD 玻璃基板制做在一起，而LCD控制器則有外部電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。而S3C2410內(nèi)部已經(jīng)集成了LCD控制器，因此可以很方便地去控制各種類型的LCD屏，例如：STN和TFT屏。由于TFT屏將是今后應(yīng)用的主流，因此接下來(lái)，重點(diǎn)圍繞TFT屏的控制來(lái)進(jìn)行。
S3C2410 LCD控制器的特性：

STN屏
－支持3種掃描方式：4bit單掃、4位雙掃和8位單掃
－支持單色、4級(jí)灰度和16級(jí)灰度屏
－支持256色和4096色彩色STN屏（CSTN）
－支持分辯率為640*480、320*240、160*160以及其它規(guī)格的多種LCD

TFT屏
－支持單色、4級(jí)灰度、256色的調(diào)色板顯示模式
－支持64K和16M色非調(diào)色板顯示模式
－支持分辯率為640*480，320*240及其它多種規(guī)格的LCD
對(duì)于控制TFT屏來(lái)說(shuō)，除了要給它送視頻資料（VD[23:0]）以外，還有以下一些信號(hào)是必不可少的，分別是：
VSYNC（VFRAME） ：幀同步信號(hào)
HSYNC（VLINE） ：行同步信號(hào)
VCLK ：像數(shù)時(shí)鐘信號(hào)
VDEN（VM） ：數(shù)據(jù)有效標(biāo)志信號(hào)
圖3-3是S3C2410內(nèi)部的LCD控制器的邏輯示意圖：


圖3-3
REGBANK 是LCD控制器的寄存器組，用來(lái)對(duì)LCD控制器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。而 LCDCDMA 則是LCD控制器專用的DMA信道，負(fù)責(zé)將視頻資料從系統(tǒng)總線（System Bus）上取來(lái)，通過(guò) VIDPRCS 從VD[23:0]發(fā)送給LCD屏。同時(shí) TIMEGEN 和 LPC3600 負(fù)責(zé)產(chǎn)生 LCD屏所需要的控制時(shí)序，例如VSYNC、HSYNC、VCLK、VDEN，然后從 VIDEO MUX 送給LCD屏。

TFT屏?xí)r序分析

圖3-4是TFT屏的典型時(shí)序。其中VSYNC是幀同步信號(hào)，VSYNC每發(fā)出1個(gè)脈沖，都意味著新的1屏視頻資料開始發(fā)送。而HSYNC為行同步信號(hào)，每個(gè)HSYNC脈沖都表明新的1行視頻資料開始發(fā)送。而VDEN則用來(lái)標(biāo)明視頻資料的有效，VCLK是用來(lái)鎖存視頻資料的像數(shù)時(shí)鐘。
并且在幀同步以及行同步的頭尾都必須留有回掃時(shí)間，例如對(duì)于VSYNC來(lái)說(shuō)前回掃時(shí)間就是（VSPW+1）＋（VBPD+1），后回掃時(shí)間就是（VFPD+1）；HSYNC亦類同。這樣的時(shí)序要求是當(dāng)初CRT顯示器由于電子槍偏轉(zhuǎn)需要時(shí)間，但后來(lái)成了實(shí)際上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，乃至于后來(lái)出現(xiàn)的TFT屏為了在時(shí)序上于CRT兼容，也采用了這樣的控制時(shí)序。




圖3-4
YFARM9-EDU-1采用的是Samsung公司的1款3.5寸TFT真彩LCD屏，分辯率為240*320，下圖為該屏的時(shí)序要求。

圖3-5


通過(guò)對(duì)比圖3-4和圖3-5，我們不難看出：
VSPW+1=2 -> VSPW=1
VBPD+1=2 -> VBPD=1
LINVAL+1=320-> LINVAL=319
VFPD+1=3 -> VFPD=2

HSPW+1=4 -> HSPW=3
HBPD+1=7 -> HBPW=6
HOZVAL+1=240-> HOZVAL=239
HFPD+1=31 -> HFPD=30
以上各參數(shù)，除了LINVAL和HOZVAL直接和屏的分辯率有關(guān)，其它的參數(shù)在實(shí)際操作過(guò)程中應(yīng)以上面的為參考，不應(yīng)偏差太多。
LCD控制器主要寄存器功能詳解
(1)LCDCON1



LINECNT ：當(dāng)前行掃描計(jì)數(shù)器值，標(biāo)明當(dāng)前掃描到了多少行
CLKVAL ：決定VCLK的分頻比。LCD控制器輸出的VCLK是直接由系統(tǒng)總線（AHB）的工作頻率HCLK直接分頻得到的。做為240*320的TFT屏，應(yīng)保證得出的VCLK在5~10MHz之間
MMODE ：VM信號(hào)的觸發(fā)模式（僅對(duì)STN屏有效，對(duì)TFT屏無(wú)意義）
PNRMODE ：選擇當(dāng)前的顯示模式，對(duì)于TFT屏而言，應(yīng)選擇[11]，即TFT LCD panel
BPPMODE ：選擇色彩模式，對(duì)于真彩顯示而言，選擇16bpp（64K色）即可滿足要求
ENVID ：使能LCD信號(hào)輸出


VBPD ， LINEVAL ， VFPD ， VSPW 的各項(xiàng)含義已經(jīng)在前面的時(shí)序圖中得到體現(xiàn)，這里不再贅述。

HBPD ， HOZVAL ， HFPD 的各項(xiàng)含義已經(jīng)在前面的時(shí)序圖中得到體現(xiàn)，這里不再贅述。

HSPW 的含義已經(jīng)在前面的時(shí)序圖中得到體現(xiàn)，這里不再贅述。
MVAL 只對(duì) STN屏有效，對(duì)TFT屏無(wú)意義。

深圳遠(yuǎn)峰原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。（21IC）