選擇最合適的LCD控制方法
摘要
LCD(很多種)已經(jīng)使用30多年了,其驅(qū)動(dòng)方式已為大家所熟悉,并在過去的20年里一直保持不變。然而,LCD材料的進(jìn)步以及對(duì)密度調(diào)制新的認(rèn)識(shí),使得可以有新的數(shù)字方法,其可以升級(jí)到芯片過程,可以有更具成本效益的設(shè)計(jì)。這篇文章將會(huì)介紹傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式,將介紹兩種只需要數(shù)字信號(hào)來驅(qū)動(dòng)LCD的方法。第一種方法依賴于不同頻率信號(hào)的相關(guān)與不相關(guān)性,而第二種方法是通過LCD玻璃的低通濾波屬性允許它由密度調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)。我們會(huì)介紹這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),如識(shí)別率、供電電壓的開關(guān)電壓極限,將會(huì)介紹多種電平,多種類型。我們還會(huì)示范三種常用的類型。
傳統(tǒng)上,LCD控制在微控制器中已經(jīng)完成,主要通過兩種不同方式,但只要是模擬方式實(shí)現(xiàn)。這些實(shí)現(xiàn)方式包括一個(gè)梯形電阻或電流泵,業(yè)界更常用的是梯形電阻。使用梯形電阻,一系列的電阻彼此堆疊,形成一個(gè)很大的分壓器,在這里可以獲得多個(gè)電平,然后在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間集合到適當(dāng)?shù)腉PIO,從而產(chǎn)生所需的LCD控制波形,這取決于LCD的MUX值。梯形電阻阻值的選定由芯片實(shí)現(xiàn),在功耗與圖象顯示品質(zhì)上都很有效。
LCD是一種理想的電容負(fù)載。通過選擇一個(gè)很大的電阻,由于電容負(fù)載不斷的充放電,所以會(huì)產(chǎn)生失真波形。這可能導(dǎo)致生成不恰當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/LCD控制">LCD控制波形,這會(huì)影響LCD的顯示,因?yàn)槟承﹕egment可能顯得可定義的比其他的多。通過減少電阻值,波形失真可以減少,但代價(jià)是增加了功耗。關(guān)鍵是要找到節(jié)能和LCD控制波形完整性之間的平衡點(diǎn)。此外,實(shí)施LCD驅(qū)動(dòng)模擬子系統(tǒng)需要的成本會(huì)變得非常昂貴(由于片內(nèi)子系統(tǒng)尺寸)。以PSoC 3控制器為例, LCD架構(gòu)會(huì)占用大約~350k平方微米。
當(dāng)模擬LCD系統(tǒng)主導(dǎo)市場(chǎng)時(shí),與新技術(shù)和LCD背后的制造過程相匹配的密度調(diào)制理解的增長,使得需要有一個(gè)有效驅(qū)動(dòng)LCD的新方法。例如,純數(shù)字LCD控制技術(shù)可應(yīng)用于產(chǎn)生LCD控制信號(hào),當(dāng)察看LCD時(shí),不能和模擬方法區(qū)分開來。與此同時(shí),數(shù)字方式還可提供額外的好處。有兩個(gè)不同但類似的實(shí)現(xiàn)方式,包括數(shù)字相關(guān)和密度調(diào)制。
原理
傳統(tǒng)上,LCD電流泵或電阻分壓器可以產(chǎn)生多個(gè)偏置電壓,如而產(chǎn)生如圖1所示的梯形波形。
圖1 : 傳統(tǒng)的模擬控制波形
確切的電壓階數(shù)取決于期望的偏置電平。偏置是適用于LCD的電壓臺(tái)階數(shù)目。精確的數(shù)目依賴于Mux比率,即LCD中common數(shù)目的倒數(shù)。例如,一個(gè)4common的LCD mux比率是1/4。然后使用這些多重電壓來保持適當(dāng)?shù)碾娖?,以保持某段的開或關(guān)。每common所需的偏置數(shù)量可以通過方程1計(jì)算出來。
方程1
這種方法的優(yōu)勢(shì)是可以產(chǎn)生高識(shí)別率,但它會(huì)造成潛在的功耗成本和芯片實(shí)現(xiàn)成本的提高。使用數(shù)字相關(guān)技術(shù),不是使用多個(gè)模擬電平,而是使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯電平, LCD控制波形在合適的時(shí)候在Vdd和地之間切換。這種方法有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。首先,使用這種技術(shù),可以用非常有限的硬件實(shí)現(xiàn)(如定時(shí)器或PWM),使用DMA或微控制器控制固件和ISR。目前市場(chǎng)上可用的微控制器和FPGA具備實(shí)現(xiàn)這種控制技術(shù)所需的資源。這種方法的第二個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是,這種實(shí)現(xiàn)也可以很容易地在低功率模式下使控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)LCD。當(dāng)器件由定時(shí)器ISR觸發(fā)喚醒開始下一楨時(shí),控制器件只需要調(diào)整GPIO到邏輯高電平或低電平,然后返回低功率模式。GPIO將會(huì)保持進(jìn)入低功耗模式時(shí)的引腳狀態(tài),因此在低電源模式不需要大量的內(nèi)部部件處于active。由于數(shù)字相關(guān)的LCD控制所需的管理步驟很簡(jiǎn)單,active模式需要的時(shí)間就很少,所以可以最大限度地節(jié)省功耗。下圖給出了使于數(shù)字相關(guān)控制波形的一個(gè)例子,見圖2。
圖2數(shù)字相關(guān)控制波形
控制波形是這樣產(chǎn)生的,選中底板(common)時(shí)是segment波形相關(guān)信號(hào),不選是不相關(guān)信號(hào)。在子楨周期結(jié)束的時(shí)候,實(shí)現(xiàn)停滯狀態(tài)。與傳統(tǒng)的模擬方法不同,可以用DAC產(chǎn)生各種偏置水平,需要調(diào)整LCD RMS的電壓來產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拈_關(guān)電平。由于經(jīng)過segment的電壓與的segment and common(Seg-Com)的電壓不同,通過驅(qū)動(dòng)這兩條線到相同的電平, 5 V或0 V,就會(huì)產(chǎn)生一段時(shí)間的0 V,從而影響到經(jīng)過segment的RMS電壓。LCD的每一segment都有一個(gè)Von和Voff閾值電平。這些閾值電平可以通過下列方程計(jì)算,這里“ d”代表停滯狀態(tài)數(shù)目,“ n ”代表common數(shù)。
方程2
方程3
識(shí)別率是很重要的參數(shù),其定義為VRMS(On) 和VRMS(Off)之間的比率。其差距較大,將會(huì)顯示越多的定義了的開關(guān)segment。如果這兩個(gè)參數(shù)太接近,它就很難區(qū)分開和關(guān)的segment。計(jì)算數(shù)字相關(guān)識(shí)別率的方程如下。
方程4
從這個(gè)方程可以看出,隨著LCD common數(shù)量的增加,識(shí)別率會(huì)降低。在任何控制方法中識(shí)別率都是這樣的。識(shí)別率并不像理想的模擬控制方法那么有效率,不過對(duì)于當(dāng)今的4common LCD來說已經(jīng)足夠了。
使用密度調(diào)制,由系統(tǒng)內(nèi)PWM組成,可以產(chǎn)生類似傳統(tǒng)模擬方法的波形。理想情況下,LCD模型是一個(gè)電容。然而,由于LCD玻璃的固有特性, LCD模型更像一個(gè)濾波器。LCD的這些固有特性在這種情況下是有利的。通過改變PWM參數(shù),LCD的濾波器特性可用于生產(chǎn)直流電壓。通過這種方法,產(chǎn)生的波形和圖1所示的傳統(tǒng)模擬方法非常相似。
該方法的最大優(yōu)勢(shì)是成本。由于是數(shù)字硬件來產(chǎn)生波形,數(shù)字元件比模擬硬件占用的die要小。開始PSoC3給出的值是近似~ 350 k 平方微米。通過切換到純粹的數(shù)字系統(tǒng),估計(jì)這個(gè)數(shù)字會(huì)降低到大約5.5 k平方微米。實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)比相應(yīng)模擬器件來說還會(huì)明顯減少芯片設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。請(qǐng)注意,這一切隨之而來的代價(jià)是更高的功率消耗,這是由于PWM需要更高速度的時(shí)鐘。然而,在LCD管腳添加額外的外部電阻可以平衡這種實(shí)現(xiàn)的功耗。
方程5
方程6
這種方法的識(shí)別率比數(shù)字相關(guān)更高,可以產(chǎn)生更多的可定義的顯示,如方程7所示。
方程7
實(shí)現(xiàn)
下面的工程范例是使用PSoC 3/5在PSoC Creator環(huán)境中實(shí)現(xiàn)和配置的。這個(gè)項(xiàng)目配置為可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字相關(guān)和密度調(diào)制兩種方法,1/2 和1/3偏置。在工程文件中通過簡(jiǎn)單地改變一些參數(shù),工程文件就可以實(shí)現(xiàn)任何LCD控制技術(shù)。有兩個(gè)主要的LCD控制部分。第一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制排序,如圖3所示。第二部分是引腳驅(qū)動(dòng)邏輯,見圖4,其獲得各種控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào),并用適當(dāng)?shù)倪壿嫿Y(jié)合來生產(chǎn)所需的驅(qū)動(dòng)波形。
圖 3數(shù)字LCD控制控制和驅(qū)動(dòng)排序
序列器是用來指示正在生成控制波形子幀,同時(shí)決定波形信號(hào)是否需要倒置。這個(gè)模塊扮演了一個(gè)連續(xù)循環(huán)的狀態(tài)機(jī)角色。一旦整個(gè)LCD波形產(chǎn)生,它會(huì)翻轉(zhuǎn)并重新開始。圖3中所示為4 common 顯示配置。然而,通過增加SubFrame[0..1]的尺寸,這個(gè)序列器可以擴(kuò)展到多達(dá)16common。
PWM的停滯狀態(tài)主要是用于控制差異,可以通過調(diào)整之前提到的RMS電壓實(shí)現(xiàn)。通過改變PWM停滯時(shí)間參數(shù),將common 和segment驅(qū)動(dòng)為低的時(shí)間增加,從而降低LCD控制的RMS電壓。
PWM偏置產(chǎn)生了兩個(gè)PWM信號(hào):一個(gè)高電平信號(hào)和一個(gè)低電平信號(hào)。當(dāng)提到LCD為1/2, 1/3,或1/4偏置時(shí),指的是結(jié)合系統(tǒng)的高、低電平產(chǎn)生所需的最終電平。
圖4 common 和segment驅(qū)動(dòng)邏輯
如圖4所示,顯示RAM存儲(chǔ)的是LCD的每一個(gè)像素的信息,是開或關(guān)。隨著序列器周期通過子幀,它將通過數(shù)字de-mux從顯示RAM選擇一位,見圖4。要增加顯示器的common數(shù),就需要增加控制寄存器以支持期望的數(shù)值, de-mux 輸入數(shù)目也是同樣。在PSoC Creator工程中,有多頁如圖4所示的電路原理圖,其提供了segment和 common必要的邏輯。區(qū)分segments和 common的部件是虛擬mux,設(shè)置為' 0 '為common,設(shè)置為' 1‘ 為segment。使用顯示RAM,以及排序及控制元件,各種邏輯門一起工作來進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕獯a,以確定信號(hào)如何表現(xiàn)在GPIO引腳。然后LCD作其他事情。
例如VIM-404 TN LCD。在固件中,一個(gè)按鈕就可輕松實(shí)現(xiàn)各種控制切換,可以實(shí)時(shí)演示不同控制技術(shù)。圖5為數(shù)字相關(guān)方法。
圖5TN LCD數(shù)字相關(guān)方法
有了這種方法,我們就能觀察到識(shí)別率較低的影響。為了產(chǎn)生這樣一個(gè)顯示,在關(guān)閉像素的地方不亮,那么開電壓必須也降低到開像不顯示像傳統(tǒng)的LCD控制方法定義的那個(gè)點(diǎn)。然而,觀察到的效果會(huì)根據(jù)LCD參數(shù)不同而不同,如LCD象素尺寸,LCD電壓,顯示類型(STN或TN)。在STN LCD測(cè)試中,數(shù)字相關(guān)和傳統(tǒng)控制方法沒有明顯差別。
圖6和圖7顯示了PWM 1/2偏置和 1/3偏置驅(qū)動(dòng)方法??梢悦黠@觀察到數(shù)字相關(guān)和PWM圖像,但不管離的多近,都很難區(qū)分1/2還是1/3偏置, 1/3偏置會(huì)有更多可定義的顯示。
圖6 .TNLCD1/2 PWM偏置
圖7 . TN LCD 1/3 PWM偏置
如前所述,通過增加優(yōu)先級(jí)邏輯,顯示RAM,以及增加另外的數(shù)字邏輯就可支持更多的common/segment,在CY8C-KIT006工具中,支持更大的LCD,16 common STN LCD,如圖8所示。
圖8 .CY8C-KIT006 STNLCD ,¼ PWM偏置
使用電流泵和梯形電阻的模擬LCD控制標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在半導(dǎo)體行業(yè)存在20多年了,新一代數(shù)字控制方法將會(huì)證明其是一個(gè)可行的替代方案,因?yàn)樗鼈儗?shí)現(xiàn)的尺寸小,功耗低。
評(píng)論