TFT-LCD系統(tǒng)時(shí)序控制模塊的設(shè)計(jì)

摘要：說明時(shí)序控制模塊和LCD系統(tǒng)中其它子模塊之間的關(guān)系，對時(shí)序控制模塊所要解決的時(shí)序問題進(jìn)行分析。在分析問題的基礎(chǔ)上提出一種適用于中、小尺寸液晶顯示系統(tǒng)時(shí)序控制模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。對時(shí)序控制模塊進(jìn)行功能驗(yàn)證，給出FPGA邏輯功能驗(yàn)證結(jié)果，證明設(shè)計(jì)可行。

LCD技術(shù)已成為平板顯示的主流技術(shù)，其中，中、小尺寸液晶產(chǎn)品成為開發(fā)的主流。中、小型LCD的應(yīng)用將更加廣泛。

應(yīng)用于中、小尺寸液晶顯示的主要技術(shù)有：
(1)STN-LCD(Super Twisted Nematic，超扭轉(zhuǎn)向列式液晶)；
(2)TFT-LCD(Thin Film Transistor，薄膜晶體管液晶顯示器)；
(3)LTPS(Low TemperaturePoly Silicon，低溫多晶硅)等三種。而其中技術(shù)最為成熟的是TFT-LCD。

由于TFT電流較低，無法直接在TFT上設(shè)計(jì)線路，因此，為了使TFT-LCD工作，需要外建IC控制電路。目前大多數(shù)有關(guān)TFT-LCD控制IC的

資料中對于時(shí)序控制器的介紹都很簡略，對其時(shí)序的控制和產(chǎn)生的原理缺乏深入分析。事實(shí)上，時(shí)序控制器TCON(Timing Controller)所產(chǎn)生的同步控制信號(hào)是決定TFT-LCD能否正常顯示的關(guān)鍵，因此它是TFT-LCD模塊組成中的核心控制部分之一，即控制中心。

本文首先粗略介紹液晶顯示系統(tǒng)組成，之后重點(diǎn)分析應(yīng)用于中、小尺寸TFT-LCD的時(shí)序控制器(TCON)的工作原理，并在原理的基礎(chǔ)提出了一種TCON模塊的結(jié)構(gòu)框圖，最后給出TCON模塊的FPGA驗(yàn)證。

2 TFT-LCD系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

TFT-LCD系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成：LCD控制模塊和LCD面板模塊。實(shí)際應(yīng)用中液晶面板又分兩種，傳統(tǒng)面板和智慧整合型面板，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TFT-LCD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

TFT-LCD Monitor系統(tǒng)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，處理PC顯卡輸出的模擬信號(hào)、數(shù)字視頻接口、視頻解碼器(處理視頻信號(hào))、TMDS接收器、在屏顯示、控制單元、時(shí)序控制器、背光Source驅(qū)動(dòng)器、Gate驅(qū)動(dòng)器等組成。

TFT-LCD顯示器工作時(shí)，前端部分的控制電路模塊主要工作是將PC主機(jī)或是影音裝置(如DVD Player)輸出的訊號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如由PC顯示

卡輸出的模擬訊號(hào)，經(jīng)由ADC組件的轉(zhuǎn)換，成為數(shù)字訊號(hào)；類似地，影音訊號(hào)則經(jīng)由Video Decoder的轉(zhuǎn)換，成為相同的數(shù)字訊號(hào)，這些訊號(hào)再經(jīng)過Scaler IC作放大或縮小的動(dòng)作，并進(jìn)行數(shù)字影像處理，再由cable線傳輸訊號(hào)到液晶模塊，然后通過時(shí)序控制器產(chǎn)生所需要的時(shí)序控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)縱向的驅(qū)動(dòng)Ic和橫向的驅(qū)動(dòng)IC，其中縱向的驅(qū)動(dòng)IC負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的寫入，由橫向的驅(qū)動(dòng)IC控制晶體管的開/關(guān)，并配合其它組件，如供電模塊，即可正確顯示圖像。

3 TCON模塊的設(shè)計(jì)分析

對于大尺寸的液晶顯示面板，TCON模塊的設(shè)計(jì)相對復(fù)雜。因?yàn)樵诟叻直媛曙@示系統(tǒng)中，時(shí)鐘頻率很高，所以在基于時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生時(shí)序控制信號(hào)以前，需要先對同步時(shí)鐘進(jìn)行擴(kuò)頻處理，以減小EMI(Electromagnetic Interference，電磁干擾)，使其通過EMC測試。由于同步時(shí)鐘經(jīng)過了擴(kuò)頻處理，則視頻數(shù)據(jù)也要通過相應(yīng)的處理才能正常顯示，否則就會(huì)遺失數(shù)據(jù)。

中、小尺寸LCD的TCON控制相對簡單，基本的工作過程是首先由輸入的信號(hào)確定TFT-LCD屏幕的分辨率、工作模式、顯示模式等信息，然后根據(jù)這些信息來確定合適的參數(shù)值，最后產(chǎn)生所需要的控制信號(hào)，無需對視頻數(shù)據(jù)做處理就可以使TFT-LCD正常工作。

本文只對適用于中、小尺寸LCD的時(shí)序控制模塊進(jìn)行討論。

3.1 模式選擇

由于不同分辨率的LCD、不同工作模式所需要的輸出控制信號(hào)有所不同，因此TCON工作時(shí)，首先要做出判斷，選擇正確的工作模式，以便于產(chǎn)生相應(yīng)合適的控制信號(hào)。這些選擇包括LCD分辨率選擇、外部/鎖相環(huán)電路(PLL)時(shí)鐘模式選擇、分離/復(fù)合工作模式選擇、NTSC/PAL制式選擇及高分辨率下的顯示模式選擇 。

LCD分辨率選擇：在實(shí)際的顯示系統(tǒng)中，TFT-LCD有不同的尺寸與分辨率，一般中、小尺寸的TFT-LCD的分辨率有480*234(2.5、3.5)、

960*234(3.6、5、6.4)、1200*234(6.5)、1440*234(6.2、7)、1920*234(9)等。對于不同分辨率的LCD，所需要的某些控制信號(hào)會(huì)有不同。

外部/PLL時(shí)鐘模式選擇：工作時(shí)鐘源的提供有兩種方式：鎖相環(huán)電路(PLL)模式和外部時(shí)鐘模式。在PLL工作模式中，VCO電路產(chǎn)生振蕩，通過鎖相環(huán)電路調(diào)相后給TCON提供穩(wěn)定的工作時(shí)鐘；在外部工作模式中，工作時(shí)鐘由外部提供。

分離/復(fù)合模式選擇：輸入同步信號(hào)可分為復(fù)合同步信號(hào)和分離同步信號(hào)，這兩種同步信號(hào)的同步脈沖標(biāo)志位不相同。

NTSC/PAL制式選擇：NTSC和PAL制式的每幀行數(shù)和同步脈沖的標(biāo)志位完全不同，因此在處理輸入信號(hào)及產(chǎn)生控制信號(hào)以前應(yīng)做出判斷選擇。高分辨率下的顯示模式選擇：高分辨率下有Full Mode、Normal Center Mode、Normal Wide Mode、Normal Left Mode、Normal Right Mode、Zooml Mode、Zoom2 Mode及Zoom3 Mode 8種不同的顯示模式，不同顯示模式下，其顯示區(qū)域、輸出控制信號(hào)脈寬會(huì)有所不同。

3.2 Gate Driver及Source Driver陣列控制

TFT-LCD面板等效電路如圖2所示，其中每一個(gè)TFT和電容代表一個(gè)顯示的點(diǎn)，而一個(gè)基本的顯示單元pixel，則需要三個(gè)這樣顯示的點(diǎn)，分別來代表RGB三原色。以一個(gè)480*234分辨率的TFT-LCD來說，共需要480*234*3個(gè)這樣的點(diǎn)組合而成。整個(gè)面板的大致結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 液晶面板等效電路