车载液晶显示屏设计方案

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1、车载液晶显示屏设计方案第 1 页车载液晶显示屏设计方案 我国经济的快速发展和国民生活水平的显著提高， 汽车已进入寻常百姓家， 更多的人对于 汽车的性能 及舒适性要求更高，以前人们习惯于通过传统汽车的 机械式仪表盘来读出汽车的各项数据（如 时速、油 耗、里程数等等 ），而现在随着科技的创新和通信网 络的快速发展，人们需要更直观、更现 代化的终端 显示设备来满足人们的即时通信，导航以及娱乐。因 此车载液晶显示屏 便呼之欲出，以它特有的轻便、 低耗能以及彩色化的特点应用于汽车上取代老式机械 显示，实现数字化显示功能，如中高档车上的行车电 脑显示屏，用于显示汽车的 平均油耗，瞬时油耗，室 外温度，平均

2、车速，驾驶时间，单次行驶里程，保养里 程，导航以及多媒体娱乐。下面从三个方面 来阐述车 载液晶显示屏的设计思路 。 一、 普通液晶显示屏 的设计及性能 液晶显示器（以下简称 “LCD” ）技术正在不断 发展和产业也在 不断壮大，以及它体积小、易携带、 功耗小等特点，已经越来越被人们所熟悉和使用，更 多的电子设备上都会带有各种显示功能的LCD 产品。LCD 从液晶分子的扭曲角度可分为 TN、STN，从 LCD 所显示的图形上可分为笔段式和点阵式等，从连 接方式上可分为 COB、TAB、COG 等 。我主要说明 的是 STN 的基本结构及显示原理 ，因为目前 STN 是 市场上主流产品，基于 ST

3、N 产品演变的产品 也很多， 比如使用液晶膜的 ASTN，使用两层 STN 盒的 DSTN 产品及使用染料液晶的 ESTN 产品。下面的车载液晶 显示屏材料选择奠定基础。车载液晶显示屏设计方案第 2 页（一）STN 的基本结构 STN(Supper Twisted Nematic) 超扭曲向列型， 其显示效果见图 1，STN 能够实现单色显示， 图 1 STN 产品显示效果 其与 TN-LCD 的结构相似（图 2） ，不同的是它的扭曲 角不是 900，而是在 180270 之间。图 2 STN 显示器的基本结构 （二）STN 的显示原理 STN 相对于 TN 表面上看仅仅使增加了液晶分子 的扭

4、曲角，但实际上却远非如此，因为增大的扭曲角， 使得液晶的另一种特性呈现出来，就是前面我提到的 双折射性。外界光线入射上偏光片之后变成一束线偏 振光，但是线偏振光在经过液晶分子层的时候不再仅 仅是扭曲偏振方向了，而是分解为两束光线 寻 常光和非寻常光，这两束光线在出射的时候互相干涉， 从而使得 STN LCD 在不加电的时候总是呈现出一定 的底色（比如绿色和蓝色）。因此可以看出， STN LCD 和显示原理和 TN LCD 是从根本上完全不同的，车载液晶显示屏设计方案第 3 页它利用了液晶的双折射性 。 二、车载液晶显示屏 设计的液晶屏材料选择车载液晶显示屏基于彩色化的趋势，在设计时考 虑使用两

5、种能实现彩色显示的液晶显示器： CSTN 和 TFT 显示器。 因为这两种显示器的技术较为成熟， 而且可实现大批量生产。 1. CSTN 的显示原理 及性能特点 CSTN (Color STN）就是将 STN LCD 的彩色化。 所以其结构与 STN 基本一致，前面已经介绍过 STN 结构，这里着重说明 CSTN 的显示原理及设计性能。 (1)CSTN 的显示原理 CSTN 就是将一个 FSTN 屏加上一层彩膜。用 RGB 三个像素点来组成一个显示像素点。 FSTN 产品基于 STN 原理制作， 为了消除 STN LCD 的底色利用一个 完全一样，但是旋向相反的两个STN LCD 盒叠加在 一

6、起，使得互相干涉的两束光线又互相补偿回来，从 而实现黑白显示，这就是 DSTN（Double STN） ，但 是 DSTN 的造价太高了，于是 我们想到用一层碘分子 的定向扭曲来模拟一个液晶盒，这样就用一层薄膜 （位相差板）替代了一个液晶盒，从而实现黑白显示， 这种叫做 FSTN（Film STN） 。到目前为止，可以说所 有的黑白手机屏全部都是 FSTN 型。CSTN 将 FSTN 的 这层位相差板制成彩膜就实现了彩色显示。 （见图 1） 车载液晶显示屏设计方案第 4 页图 2 CSTN 的电子产品上的应用 (2)CSTN 的性能特点 CSTN 继承了 STN LCD 所有的优点 ，宽视角，

7、大 容量显示，缺点是响应速度慢，因为多路驱动的存在 使得 STN 的对比度要比 TN 下降很多。 但是足以满足司机和乘客 对彩色显示的要求 。 .TFT 的基本结构、工作原理 (1)TFT 的基本结构 在 TFT-LCD 中，TFT 的功能就是电气开关。图 2 表 示了 TFT 的平面图和截面图。这是三端器件。一般在玻 璃基本上设有半导体层，在其两端有与之相连接的源极 和漏极，并通过栅极绝缘膜，与半导体层相对置，设有 栅极。利用施加于栅极的电压 VR来控制源、漏电极间 的电流。车载液晶显示屏设计方案第 5 页图 2 TFT 的基本结构(2)TFT 的电流-电压特性 图 3 表示了在栅极施加正电

8、压的状态下，TFT 厚度 方向的能带。在半导体层的绝缘膜界面的导带产生被栅 极电压感应的受激电子存储层。设栅极绝缘膜电容为 COX，那么，受激电荷量 QCh为 QCh=COX(Vgs-Vth)图 3 在导通状态下的 TFT 能带图 其中，Vgs为栅极和源极间的电位差，Vth为电荷对 半导体层导带的起始受激电压，叫做阈值电压。受激至 导带的电子叫做载流子，因源极、漏极间的电压 Vds而车载液晶显示屏设计方案第 6 页移动到半导体层中，成为电流。在 TFT 中的电流 Ids为 Ids=COXW/L(Vgs-Vth)-Vds/2Vds (1.1) 其中， 为载流子的迁移率，Vds为漏极、源极间的电

9、压，W 为 TFT 的沟道宽度，L 为沟道长度，那么式(1.1) 变换为下式： 当(Vgs-Vth)Vds时,Ids=COXW/ L(Vgs-Vth)Vds (1.2) 当(Vgs-Vth)Vds时,Ids=COXW/ L(Vgs-Vth)2/2 (1.3) 将 Vgs-Vth=Vds状态称为夹断，在此以上的漏电极区 Ids 成为恒值饱和状态。夹断状态是当漏极端栅极与半导体 层间电位差正好为 Vth时。在大于它的 Vds下，在半导 体层形成不受激载流子的耗尽层。在漏极电压中，将超 过夹断电压的电压分量施加于耗尽层，耗尽层端随着 Vds的上升，缓慢向源极方向移动。此时，从源极向耗 尽层区注入的载

10、流子被耗尽层区的高电场加速而流入漏 极。当 VgsVth时为断开区；VgsVth时为导通区。以 上说明了载流子为电子时的情况，若为空穴，则改变电 压的符号，即可同样处理。一般称前者为 n 型 TFT；而 后者称其为 p 型 TFT。 主要特点是： （1）使用特性好：低压应用，低驱动电压，固 体化使用安全性和可靠性提高；平板化，又轻薄，节 省了大量原材料和使用空间；低功耗，它的功耗约为 CRT 显示器的十分之一，反射式 TFT-LCD 甚至只有 C RT 的百分之一左右，节省了大量的能源； TFT-LCD 产品还有规格型号、尺寸系列化，品种多样，使用方 便灵活、维修、更新、升级容易，使用寿命长等

11、许多 特点。显示范围覆盖了从 1 英寸至 40 英寸范围内的 所有显示器的应用范围以及投影大平面，是全尺寸显车载液晶显示屏设计方案第 7 页示终端；显示质量从最简单的单色字符图形到高分辨 率，高彩色保真度，高亮度，高对比度，高响应速度 的各种规格型号的视频显示器；显示方式有直视型， 投影型，透视式，也有反射式。 （2）环保特性好：无辐射、无闪烁，对使用者 的健康无损害。特别是 TFT-LCD 电子书刊的出现， 将把人类带入无纸办公、无纸印刷时代，引发人类学 习、传播和记栽文明方式的革命。 （3）适用范围宽，从 -20到+50的温度范围 内都可以正常使用，经过温度加固处理的TFT-LCD 低温工

12、作温度可达到零下 80。既可作为移动终端 显示，台式终端显示，又可以作大屏幕投影电视，是 性能优良的全尺寸视频显示终端。 （4）制造技术的自动化程度高，大规模工业化 生产特性好。TFT-LCD 产业技术成熟，大规模生产的 成品率达到 90%以上。 （5）TFT-LCD 易于集成化和更新换代，是大规模 半导体集成电路技术和光源技术的完美结合，继续发 展潜力很大。目前有非晶、多晶和单晶硅TFT- LCD，将来会有其它材料的 TFT，既有玻璃基板的又 有塑料基板。2 TFT-LCD 系统的一般结构 TFT-LCD 系统由两个部分组成： LCD 控制模块和 LCD 面板模块。实际应用中液晶面板又分两种

13、，传统 面板和智慧整合型面板，结构如图 1 所示。 车载液晶显示屏设计方案第 8 页图 1 TFT-LCD 系统结构框图 TFT-LCD Monitor 系统包括模数转换器，处理 PC 显 卡输出的模拟信号、数字视频接口、视频解码器 (处 理视频信号)、TMDS 接收器、在屏显示、控制单元、 时序控制器、背光 Source 驱动器、Gate 驱动器等组 成。 TFT-LCD 显示器工作时，前端部分的控制电路模 块主要工作是将 PC 主机或是影音装置 (如 DVD Play er)输出的讯号进行转换，例如由 PC 显示卡输出的 模拟讯号，经由 ADC 组件的转换，成为数字讯号；类 似地，影音讯号

14、则经由 Video Decoder 的转换，成 为相同的数字讯号，这些讯号再经过 Scaler IC 作 放大或缩小的动作，并进行数字影像处理，再由ca ble 线传输讯号到液晶模块，然后通过时序控制器产 生所需要的时序控制信号驱动纵向的驱动IC 和横向 的驱动 IC，其中纵向的驱动 IC 负责控制数据的写入 ，由横向的驱动 IC 控制晶体管的开 /关，并配合其 它组件，如供电模块，即可正确显示图像。 三、车载液晶显示屏设计的 关键技术 （1）高对比度、宽视角的实现 VA 技术车载液晶显示屏设计方案第 9 页车载液晶显示屏利用 VA 技术研发出的车载液晶 显示屏具有高对比度、宽视角、快速响应时

15、间的特点， 让车内的乘客从任意位置均可清楚地观察汽车的运行 情况（见图 1）。图 1 因此，利用广视角技术（ VA 技术，见图 2）增 加可视角范围，满足车内乘客从各个角度来清晰观察 汽车行驶的状态。此外，车载液晶显示屏还应用液晶 膜温度补偿技术。开关电压下液晶盒内液晶分子排列车载液晶显示屏设计方案第 10 页图 2 在 VA 技术中，其液晶分子的长轴在未加电时不 像传统的 TN 模式的分子那样平行于屏幕上，而垂直 于屏幕上，而且每个像素都是由多个这种垂直取向的 液晶分子畴组成。当电压加到液晶上时，液晶分子向 各个不同方向偏转，这样从不同的角度观察屏幕都可 以得到相应方向上的补偿，也就改善了可

16、视角度。 （见图 3）图 3 采用 VA 技术的显示屏与传统显示屏可视角 度 2. 多功能实现-ECU 技术 为了车载液晶显示屏 在人机对话方面 做的更加细 致，利用 ECU（Electronic Control Unit）电子控制车载液晶显示屏设计方案第 11 页单元，又称“行车电脑” 、 “车载电脑”等。从用途上讲 则是汽车专用微机控制器，也叫汽车专用单片机。它和 普通的单片机一样,由微处理器（CPU） 、存储器 （ROM、 、RAM） 、输入/输出接口（I/O） 、模数转换器 （A/D）以及整形、驱动等大规模集成电路组成。电控 单元的功用是根据其内存的程序和数据对空气流量计及 各种传感器输入的信息进行运算、处理、判断，然后输 出指令，向喷油器提供一定宽度的电脉冲信号以控制喷 油量。电控单元由微型计算机、输入、输出及控制电路 等组成。 ，将诸如室外温度、当前速度瞬时油耗、平 均速度、平均油耗、剩余油量可行驶里程、简单方向 指南等行驶数据集中在显示屏中 清楚显示出来。 3. 温度补偿技术 基于汽车产品