人機(jī)界面中的LCD控制驅(qū)動(dòng)與接口設(shè)計(jì)

引 言

　　液晶顯示，穩(wěn)定可靠、成本低、功耗小、控制驅(qū)動(dòng)方便、接口簡單易用、模塊化結(jié)構(gòu)緊湊，在嵌入式系統(tǒng)中作為人機(jī)界面獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)許多廠商，如紫晶、冀雅、晶華、信利、蓬遠(yuǎn)等已經(jīng)能夠滿足各種定制液晶顯示的需求；很多著名半導(dǎo)體廠商，如hitachi、seiko epson、toshiba、holtek、solomon、samsung等相繼推出了許多控制驅(qū)動(dòng)器件。本文以現(xiàn)有的控制驅(qū)動(dòng)器件和液晶顯示器如何構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、簡單易用、性能優(yōu)良的嵌入式人機(jī)界面的設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合闡述。

1 液晶顯示及其控制驅(qū)動(dòng)與接口概述

　　液晶顯示lcd(liquid crystal display)，是利用液晶材料在電場作用下發(fā)生位置變化而遮蔽/通透光線的性能制作成的一種重要平板顯示器件。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，薄膜晶體管型液晶)。tn、stn、tft型液晶，性能依次增強(qiáng)，制作成本也隨之增加。tn和stn型常用作單色lcd。stn型可以設(shè)計(jì)成單色多級灰度lcd和偽彩色lcd，tft型常用作真彩色lcd。tn和stn型lcd，不能做成大面積lcd，其顏色數(shù)在218種以下。218種顏色以下的稱為偽色彩，218種及其以上顏色的稱為真彩色。tft型可以實(shí)現(xiàn)大面積lcd真彩顯示，其像素點(diǎn)可以做成0.3mm左右。tft-lcd技術(shù)日趨成熟，長期困擾的難題己獲解決：視角達(dá)170°，亮度達(dá)500cd/m2(500尼特)，顯示器尺寸達(dá)101.6cm(40in)，變化速度達(dá)60幀/s。[1~3]

　　進(jìn)行l(wèi)cd設(shè)計(jì)主要是lcd的控制/驅(qū)動(dòng)和與外界的接口設(shè)計(jì)?？刂浦饕峭ㄟ^接口與外界通信、管理內(nèi)/外顯示ram，控制驅(qū)動(dòng)器，分配顯示數(shù)據(jù)；驅(qū)動(dòng)主要是根據(jù)控制器要求，驅(qū)動(dòng)lcd進(jìn)行顯示?？刂破鬟€常含有內(nèi)部ascii字符庫，或可外擴(kuò)的大容量漢字庫。小規(guī)模lcd設(shè)計(jì)，常選用一體化控制/驅(qū)動(dòng)器；中大規(guī)模的lcd設(shè)計(jì)，常選用若干個(gè)控制器、驅(qū)動(dòng)器，并外擴(kuò)適當(dāng)?shù)娘@示ram、自制字符ram或rom字庫。控制與驅(qū)動(dòng)器大多采用低壓微功耗器件。與外界的接口主要用于lcd控制，通常是可連接單片機(jī)mcu的8/16位ppi并口或若干控制線的spi串口。顯示ram除部分samsung器件需用自刷新動(dòng)態(tài)sdram外，大多公司器件都用靜態(tài)sram。嵌入式人機(jī)界面中常用的lcd類型及其典型控制/驅(qū)動(dòng)器件與接口如下：

　　段式lcd，如ht1621(控/驅(qū))、128點(diǎn)顯示、4線spi接口；

　　字符型lcd，如hd44780u(控/驅(qū))、2行×8字符顯示、4/8位ppi接口；

　　單色點(diǎn)陣lcd，如sed1520(控/驅(qū))、61段×16行點(diǎn)陣顯示、8位ppi接口，又如t6963c(控)+t6a39(列驅(qū))+t6a40(行驅(qū))、640×64點(diǎn)雙屏顯示、8位ppi接口；

　　灰度點(diǎn)陣lcd，如hd66421(控/驅(qū))、160×100點(diǎn)單色4級灰度顯示、8位ppi接口；

　　偽彩點(diǎn)陣lcd，如ssd1780(控/驅(qū))、104rgb×80點(diǎn)顯示、8位ppi或3/4線spi接口；

　　真彩點(diǎn)陣lcd，如hd66772(控/源驅(qū))+hd66774(柵驅(qū))、176rgb×240點(diǎn)顯示、8/9/16/18位ppi接口、6/16/18動(dòng)畫接口、同步串行接口；

　　視頻變換lcd，如hd66840(crt-rgb→cd-rgb)、 720×512點(diǎn)顯示、單色/8級灰度/8級彩色、4位ppi接口。

　　控制驅(qū)動(dòng)器件的供電電路、驅(qū)動(dòng)的偏壓電路、背光電路、振蕩電路等構(gòu)成lcd控制驅(qū)動(dòng)的基本電路。它是lcd顯示的基礎(chǔ)。

　　lcd與其控制驅(qū)動(dòng)、接口、基本電路一起構(gòu)成lcm(liquid crystal module，lcd模塊)。常規(guī)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，多使用現(xiàn)成的lcm做人機(jī)界面；現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，常把lcd及其控制驅(qū)動(dòng)器件、基本電路直接做入系統(tǒng)。整體考慮，既結(jié)構(gòu)緊湊，又降低成本，并且有利于減少功耗、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化。
控制lcd顯示，常采用單片機(jī)mcu，通過lcd部分的ppi或spi接口，按照lcd控制器的若干條的協(xié)議指令執(zhí)行。mcu的lcd程序一般包括初始化程序、管理程序和數(shù)據(jù)傳輸程序。大多數(shù)lcd控制驅(qū)動(dòng)器廠商都隨器件提供有匯編或c語言的例程資料，十分方便程序編制。 2 常見lcd的控制驅(qū)動(dòng)與接口設(shè)計(jì)

2.1 段式lcd的控制驅(qū)動(dòng)與接口設(shè)計(jì)

　　段式lcd用于顯示段形數(shù)字或固定形狀的符號，廣泛用作計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)、狀態(tài)指示等。普遍使用的控制驅(qū)動(dòng)器件是holtek的ht1621，它內(nèi)含與lcd顯示點(diǎn)一一對應(yīng)的顯存、振蕩電路，低壓低功耗，4線串行mcu連接，8條控制/傳輸指令，可進(jìn)行32段×4行=128點(diǎn)控制顯示，顯示對比度可外部調(diào)整，可編程選擇偏壓、占空比等驅(qū)動(dòng)性能。ht1621控制驅(qū)動(dòng)lcd及其mcu接口如圖1所示。[4]

　　單色點(diǎn)陣型lcd用作圖形或圖形文本混合顯示，廣泛用于移動(dòng)通信、工業(yè)監(jiān)視、pda產(chǎn)品中。小面積lcd常采用單片集成控制驅(qū)動(dòng)器件，如seiko epson的sed1520，可實(shí)現(xiàn)61列×16行點(diǎn)陣顯示；中等面積lcd常采用單片控制/列驅(qū)動(dòng)器件與單片行驅(qū)動(dòng)器件，如hitachi的hd61202u(控/列驅(qū))、hd61203(行驅(qū)) ，可實(shí)現(xiàn)64×64點(diǎn)陣顯示；較大面積lcd常采用“控制器+顯存+列驅(qū)動(dòng)器+行驅(qū)動(dòng)器”形式，如toshiba的t6963c(控)、t5565(顯存)、t6a39(列驅(qū))、t6a40(行驅(qū)) ，可實(shí)現(xiàn)640×128點(diǎn)陣顯示。這些驅(qū)動(dòng)器常需12~18v負(fù)電源實(shí)現(xiàn)偏置與調(diào)整對比度。控制器件大多可以外接阻容rc構(gòu)成振蕩器或外接振蕩器或外引時(shí)鐘。顯存中的每一位與lcd顯示點(diǎn)一一對應(yīng)。需要文字顯示時(shí)，簡單字符可直接使用集成在控制器內(nèi)的ascii字庫，漢字或自制字符顯示可在控制器外擴(kuò)展大容量的字庫cgrom或自制字庫cgram。控制接口通常是8位ppi的68xx或80xx mcu接口(與mcu的連接也存在直接連接和間接連接兩種形式)，7~13條控制/傳輸指令，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)線圓等繪圖功能?？刂破鱰6963c、hd61830、sed1335等可以實(shí)現(xiàn)單雙屏lcd控制。這是適應(yīng)移動(dòng)通信顯示的結(jié)果，實(shí)質(zhì)上是平分顯存并分別對應(yīng)兩個(gè)lcd屏。編制傳輸數(shù)據(jù)程序時(shí)，要注意結(jié)合顯存的特點(diǎn)適當(dāng)變換數(shù)據(jù)形式，如sed1520顯存中的8位數(shù)據(jù)是反豎排的，hd61202顯存中的數(shù)據(jù)是豎排的。圖3是seiko epson的sed1335控制器，外擴(kuò)顯存sram、自制字庫sgram、大容量漢字庫cgrom，與列驅(qū)動(dòng)器sed1606、行驅(qū)動(dòng)器sed1635組成的lcd及其80xx mcu接口的構(gòu)成框圖，可以實(shí)現(xiàn)640×56單色點(diǎn)陣lcd顯示。[6]

　　小型測控系統(tǒng)和低成本手持設(shè)備中大量使用灰度點(diǎn)陣型lcd。這種lcd使用的控制器的顯存中每n位對應(yīng)一個(gè)lcd顯示點(diǎn)，整個(gè)lcd實(shí)現(xiàn)的灰度等級就是2n。hitachi的hd66421就是一款常用的經(jīng)濟(jì)型灰度點(diǎn)陣lcd控制驅(qū)動(dòng)器。單片hd66421外加少許阻容器件即可實(shí)現(xiàn)22級160列×100行點(diǎn)的lcd灰度顯示，并列使用hd66421可實(shí)現(xiàn)更大面積的lcd顯示。hd66421嵌有160×100×2位顯存，具有8位ppi接口，可直接連接80xx mcu，8條控制/傳輸指令，可編程變化驅(qū)動(dòng)特性及其調(diào)整灰度類型。hd66421需外接一個(gè)電阻r構(gòu)成體系振蕩電路，需負(fù)電源實(shí)現(xiàn)偏壓。hd66421是高度集成器件，322腳封裝，線路板pcb設(shè)計(jì)上有難度，應(yīng)足夠重視。hd66421控制驅(qū)動(dòng)灰度點(diǎn)陣lcd及其與80xx mcu的接口如圖4所示。[7]

　　現(xiàn)代高檔pda、家電、顯示墻等越來越多地應(yīng)用了真彩點(diǎn)陣lcd顯示技術(shù)。lcd真彩顯示的顏色種數(shù)在218以上，與偽彩顯示相比，需要更大的顯存和更高的控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)，且需達(dá)到高速動(dòng)畫。lcd真彩顯示使用tft型lcd，主動(dòng)點(diǎn)陣顯示，需要采用源極驅(qū)動(dòng)器(source driver)和柵極驅(qū)動(dòng)器(gate driver)去控制lcd場效應(yīng)晶體管fet的源極與柵極。源極驅(qū)動(dòng)器接收顯示數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)lcd列顯示，也稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器(data driver)，柵極驅(qū)動(dòng)器控制逐行掃描。hitachi的hd66772系列真彩lcd控制驅(qū)動(dòng)器件，是嵌入式人機(jī)界面設(shè)計(jì)中表現(xiàn)豐富多彩世界的理想選擇，可以實(shí)現(xiàn)176rgb×240點(diǎn)218色高速動(dòng)畫tft點(diǎn)陣顯示。該系列器件包括hd66772、hd66774、hd66775和hd667p01。hd66772是內(nèi)嵌95kb顯存的控制器與176rgb段的源極驅(qū)動(dòng)器，hd66774是內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電源的240行柵極驅(qū)動(dòng)器，hd77665僅是120行柵極驅(qū)動(dòng)器，hd667p01是驅(qū)動(dòng)電源器件，hd66772具有與80xx mcu直接連接的8/16位ppi接口、6/16/18位動(dòng)畫接口和同步串行接口。使用hd66772系列器件，控制驅(qū)動(dòng)176rgb×240點(diǎn)tft型lcd真彩顯示，有兩種方案：①1片hd66772 + 1片hd66774；②1片hd66772 + 2片hd66775 + 1片hd667p01。前者結(jié)構(gòu)緊湊，后者比較經(jīng)濟(jì)。圖6給出了前一方案的lcd控制驅(qū)動(dòng)連接與16位mcu接口的框圖。

　　在工業(yè)控制與嵌入式控制系統(tǒng)中，有很多l(xiāng)cd視頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)，常常需要選取專用器件，變換視頻信號，控制驅(qū)動(dòng)lcd，進(jìn)行動(dòng)畫顯示，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的兼容性并擴(kuò)大產(chǎn)品性能。hitachi的hd66480f就是這樣的一款典型器件。它可以方便地從計(jì)算機(jī)的視頻接口中取出crt信號通過視頻變換直接驅(qū)動(dòng)黑白或彩色lcd，使crt型顯示器上的顯示內(nèi)容同時(shí)出現(xiàn)在lcd屏上。hd66840f可以控制驅(qū)動(dòng)最大720×512點(diǎn)lcd，做到單色、8級灰度或8級彩色顯示。hd66840f具有4位受控接口，可以直接連接8位mcu實(shí)現(xiàn)視頻顯示環(huán)境設(shè)置。使用hd66840f，需要外擴(kuò)8位的rgb顯示緩存sram。圖7說明了使用hd66840f外擴(kuò)顯示緩存hm6264，在8位80xx mcu控制下，變換crt信號，控制驅(qū)動(dòng)hd66772彩色點(diǎn)陣lcd動(dòng)畫顯示的設(shè)計(jì)框圖。

3.1 基本電源電路的設(shè)計(jì)

　　圖形點(diǎn)陣lcd驅(qū)動(dòng)器常常需要驅(qū)動(dòng)偏置網(wǎng)絡(luò)和負(fù)電源實(shí)現(xiàn)偏壓。偏置網(wǎng)絡(luò)可以按驅(qū)動(dòng)器廠商推薦的阻容值配置，負(fù)電源可以選取適當(dāng)?shù)呢?fù)壓器件實(shí)現(xiàn)。常用負(fù)電源產(chǎn)生的辦法有：采用79系列三端集成穩(wěn)壓器，如使用lm7918可得到-18v負(fù)壓源；采用dc-dc ic制作，如maxim的max749、max680、max1860/18 61，motorola的mc34063a等。圖9是用mc34063a設(shè)計(jì)的-12v負(fù)電源電路。

　　lcd背光，通常有l(wèi)ed、el(場致發(fā)光)和ccfl(冷陰極燈)等背光形式。字符型或中小點(diǎn)陣lcd，多使用led或el背光，led以黃色(紅綠色調(diào))為主，一般為4.2v驅(qū)動(dòng)；el以黃綠色(紅綠白色調(diào))為主，一般為1w、400~ 800hz、70~120v的交流驅(qū)動(dòng)。中大點(diǎn)陣stn型與tft型lcd，多為白色(紅綠藍(lán)色調(diào))ccfl背光，一般為25khz~100khz、300v以上交流驅(qū)動(dòng)。el與ccfl背光電路，可用ic器件搭建，也可用成品模塊。ic器件搭建背光電路，如imp的imp525/562/803，配合少許阻容感器件，構(gòu)成el背光電路，如圖10所示；maxim的max1635配合變壓器構(gòu)成el背光電路；maxim的max1610、linear的1182或ti的vcc3972與變壓器件搭建ccel背光電路。成品背光模塊，如森寶的vet-n1210-01 ccel模塊、精電逢遠(yuǎn)的pye系列el/ccel模塊。用ic器件搭建背光電路，可以緊湊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并降低成本，常常在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用。

　　大多數(shù)lcd控制驅(qū)動(dòng)器，即具有內(nèi)部振蕩器又可外接振蕩器或外引時(shí)鐘，應(yīng)用時(shí)擇其一即可，非常方便設(shè)計(jì)。為簡化外圍電路設(shè)計(jì)，經(jīng)常選用控制驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部振蕩器作為時(shí)鐘源。這種情況下，不少控制驅(qū)動(dòng)器件常常要求外接一些阻容rc器件，按照器件指南的說明配置即可。

結(jié) 語

以上詳細(xì)闡述了lcd控制驅(qū)動(dòng)及其mcu接口設(shè)計(jì)的特征和常見各種類型的具體設(shè)計(jì)，并說明了其基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)。把這些規(guī)律應(yīng)用在嵌入式人機(jī)界面設(shè)計(jì)中，一定能夠制造出結(jié)構(gòu)更加緊湊、性能更加穩(wěn)定可靠、成本更加低廉的lcd界面來。