第8章 LCD显示驱动模块

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1、第8章 LCD显示驱动模块,何宾2011.12,本章内容,本章详细介绍了LCD显示驱动模块，内容包括： LCD的工作原理、LCD驱动接口概述、LCD操作和段式 LCD显示的实现等内容。LCD显示驱动模块是PSoC3所提供的一个重要功能单 元，通过本章内容的学习，不仅能了解和掌握LCD显示 器的工作原理，还能掌握使用PSoC3控制LCD显示模块的 方法。通过学习使用PSoC3 Creator实现段式LCD控制的 过程，使读者能把所掌握的LCD相关的理论知识和具体 的实现方式结合，为将来设计基于PSoC3的复杂嵌入式应 用打下基础。,LCD的工作原理 -LCD物理结构,LCD的操作是基于光的 偏振

2、概念的。偏振是基于与 光有关的电场矢量方向定义 的。图8.1给出了LCD的基本 结构。,LCD的工作原理 -LCD物理结构,一般来说，可见光源产生没有偏振的光；这就是说 ，电场矢量方向在不断地快速变化。让这种非偏振光通 过一个偏振片，只让垂直方向的光通过。然后放置第二 个偏振片，只让通过第一个偏振片后的平行的偏振光通 过。没有光线可以通过第二个偏振片。如果在第一、二 块偏振片之间放置神秘物质来根据需要调整光的偏振， 这将会调整到达第二块偏振片得垂直的偏振光，或者让 通过第一片偏振片的偏振光通过第二个偏振片而不被阻 挡。这个神秘的物质就是LCD液晶。,LCD的工作原理 -LCD物理结构,图8.2

3、给出了无电极机理下基本的LCD液晶装置，包 括后偏振片、前偏振片、段和背板电极、液晶。在电 极和偏振片之间夹着液晶。,LCD的工作原理 -LCD物理结构,液晶方向的改变是由通过它的电信号在电极底板和段 电极的帮助下来完成的。为了避免液晶永久的方向改变， 电极之间需要运用交替波形，以使整个液晶的平均电压为 0。图8.2显示了如果当像素是处在关闭状态的情况，也就 是说，当光线只需要通过前偏振片的情况。这种情况下， 电极之间是没有电压的。,LCD的工作原理 -LCD物理结构,在默认情况下，液晶将光线的方向改变90 。这是 TN LCD液晶的一个示例，在以后还会进一步说明。如图 8.3所示，如果把像素

4、点打开，液晶激发造成平行电场。 在这种情况下，液晶不会改变通过前偏振片的光线的方 向，光线会被前偏振片阻挡。LCD面板上看到的是黑色 的斑点。,LCD的工作原理 -LCD物理结构,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,基于背板或公共端的数量，LCD可以分成：静态的和 复用的LCD。1静态LCD目前在静态液晶显示器和独立控制的段上只有一个背 板或者公共端。公共端和段针之间的电压决定了像素点的 状态。如前面所提到的一样，为了避免对LCD的永久损害 ，需要采取交替的波形。图8.4给出了典型的静态LCD波形：,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,当段在关闭状态时，段和

5、公共端信号保持在最初相 位。这就导致0Vrms通过段和公共端。当段处在打开状态时，段和公共端信号保持在180 相位，如果方波峰值是处在Vdd，接着它就会导致在段和 公共端之间产生RMS Vdd电压。,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,在静态LCD里，引脚的数量和像素点驱动的数量等 同于LCD拥有的段和像素的数目。在LCD变的复杂的情 况下，这就成为一个问题，它要求使用更高的IO数的 LCD驱动器。与使用独立的控制引脚来控制单个像素不 同，通过使用引脚的复用来控制其他的段/像素点。这样 ，在激励一个像素的时候就会出现问题。怎样避免不激励同样的引脚控制的其它像素。答案 是使用复用公共端。这种LC

6、D就是常说的复用LCD。复用的LCD是基于它拥有的公共端的数目。,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,作为一个例子，考虑4段/ 像素 的LCD。在静态LCD中 ，如图8.5所示，就会有4个段 控制引脚和一个公共引脚。因 此，它总共需要5个引脚。,图8.5 静态LCD配置,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,在两个公共端复用的LCD中，两个段就会复用同样 的引脚。这就是说，比静态的LCD少一个引脚。这一优点 在段的数量成倍增长的情况下很明显。在详细考虑波形的细节之前，先得明白一些和复用 LCD相关的概念。,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,1. 帧频率帧频率就是驱动每一个段线波形重复的速率。简

7、单 来说，就是每个段式LCD像素的刷新的速率。它一般是 在30Hz150Hz的范围内。高帧频率导致高的功耗，低的 帧频率会造成LCD屏幕的闪烁。因此，在这儿有一个权 衡。,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,2. 占空比/复用比这预示着复用的LCD拥有的公共端或者背板的数量。 它指定公共端或者背板的数量的倒数。例如，如果一个 复用LCD有4个公共端，那么占空比就是1/4。当驱动复 用LCD时，一个段与一个公共端相对应。刷新速率是1/ 公共端的数量。,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,3. 偏置比/类型偏置是加在LCD上的电压。电压等级数量的增加随 LCD公共端数目的增加而增加。这样做的目的是

8、避免 在关闭状态下像素点RMS电压过高的情况。复用LCD的制造商都有对于电压偏置比例的介绍 。常见的偏置电压比例是1/2,1/3,1/4,1/5。,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,4. 驱动波形如图8.7，复用的LCD可以被两种类型的波形驱动：A 类型和B类型。,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,A类型的波形利用单独的帧来使每个像素点的平均 电压为0，B类型波形利用2个帧。在指定的时间段，B类 型波形包含的边沿数少于A类型，这是B类型波形的一 个优点。LCD像素点模型就像一个电容。所以，在边缘 会有电流流过驱动器。因此，与A类型相比，B类型更 省功耗。,LCD液晶分类 -静态和复用LCD

9、,在所有的波形中，值得说明的是一帧是由多个相来构 成的。在每一个相中，一个公共端会被激活和驱动：电压 值取决于偏置比。和被激活的需要被开启的公共端相关的 段会被驱动到相反的相以激活公共端。它产生使得像素被 开启的电压。同时保持0均电压。与未激活的公共端相关 的段不会被施加高电压。因此，这些段不会影响其他被激 活的公共端。,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,5. 调整对比度LCD的对比度的调节是通过调整开启段电压和关闭 段电压之间的差值来实现的。作为一个案例，如图8.8所 示，考虑两个公共端LCD驱动之间的偏置值为1/2的情况 。为了减少对比度，所有的电压都被调低。在显示的波 形中，电压都被调

10、低到3/4。这导致减少像素间的RMS值 。RMS电压控制光的扭曲数量的多少。如果RMS电压降 低，液晶光偏振变化也下降。这导致更多的光通过液晶 屏，使得对比度降低。,LCD液晶分类 -静态和复用LCD,LCD液晶分类 -透射、反光和半透LCD,基于光源，将LCD分为： 透射LCD; 反光LCD; 半透的LCD;所有的LCD都是被动的。它们都需要一个外部光源来 帮助显示。,LCD液晶分类 -透射、反光和半透LCD,1透射LCD如图8.9所示。如果光源 在后方偏振片的后边，则是 透射LCD。这种类型的LCD 需要一个背光源。它可以被 应用在室内或者户外。,LCD液晶分类 -透射、反光和半透LCD,

11、2反光型LCD如图8.10所示，反光型 LCD需要在候补偏振片的后 面安装一块反光块。这样， 外部光线就能被反射回来。 这些LCD不需要背部光。由 于这个原因，它们一般用在 低功耗的系统中。在强光下 ，它也有很好的对比度。,LCD液晶分类 -透射、反光和半透LCD,3半透型LCD半透型LCD需要装备特殊的半反射部件，使得它有 能力使得部分光通过。因此它具有以上两种LCD的特 性。,LCD液晶分类 -TN、STN和FSTN型LCD,按照LCD制造技术，将LCD分成： 扭曲向列(Twisted Nematic，TN)； 超扭曲向列(Super TN，STN)； 薄膜补偿超扭曲向列(Film STN

12、,FSTN)LCD。,LCD液晶分类 -TN、STN和FSTN型LCD,1扭曲向列（TN）这种类型的液晶使入射光产生90的扭曲。安装在 LCD上的两个偏光片（前部的和后部的）的方向是垂 直的。这种类型的显示是低对比度和小的观察角度的 。同时它们不能适应高公共端数量的LCD的。,LCD液晶分类 -TN、STN和FSTN型LCD,2超扭曲向列（STN） 这种类型的液晶使入射光扭曲的角度超过90，而 且使得电压输出陡峭的曲线。根据这一特性，启动的 LCD像素的RMS电压和关闭的LCD像素的RMS电压非常 接近。但是仍能提供可接受的对比度。根据这一原因， 它适合多公共端数量的LCD。典型的扭曲角度在1

13、80 270之间。这就有较好的对比度和更大的角度。,LCD液晶分类 -TN、STN和FSTN型LCD,3薄膜补偿型STN(FSTN)这是STN的改进版。由于双折射效应，STN在现实 的时候会在背板上增加颜色。FSTN在这方面有了改进 。这种LCD的应用范围只在白/灰背板上。这种LCD也 有很好的对比度和较大的观察角度。,LCD液晶分类 -正极性和负极性LCD,基于图像生成的方法，将LCD分成： 正极性LCD； 负极性LCD；,LCD液晶分类 -正极性和负极性LCD,1正极性的LCD如图8.11所示，这种LCD在 白色的背板上显示黑色的字体。 这种显示屏适用于具有高光条件 的反射型LCD或者具有

14、良好的背 光的半透型LCD。,图8.11 正极性LCD,LCD液晶分类 -正极性和负极性LCD,2负极性的LCD如图8.12所示，这种类型的 LCD在黑色的背板上显示白 色的字体。适用于没有良好 背光的透型LCD。LCD的观察角度取决于 LCD的材质和工作的占空比 。这与观看区域偏角和视角 有关。,图8.12 负极性LCD,LCD液晶分类 -正极性和负极性LCD,（1）偏角是液晶显示器的垂直轴和最佳视角之间 的角度。当LCD制造时偏角就已经形成。（2）视角是获得的最佳角度。基于偏置行的位置，LCD的观察方向有： 12:00方向6:00方向,LCD液晶分类 -正极性和负极性LCD,LCD驱动接口

15、概述,PSoC提供的液晶显示（Liquid Crystal Display，LCD ）驱动系统是一个可配置的外设，允许PSoC设备直接驱动 板上LCD。一个LCD驱动模块和每个GPIO相关。PSoC驱 动器为便携式仪器提供了方便的功耗估计，使能不同的 LCD和降低功耗模式。如图8.15所示，该模块由以下几个 部分构成：LCD DAC，LCD驱动器，LCD驱动偏置，CPU ，DMA，UDB和RAM。,LCD驱动接口概述,LCD驱动接口概述,其特性包括： 直接驱动LCD面板； 支持类型A（标准）和类型B（低功耗）波形； 支持宽范围的LCD偏置（2V-5.2V） 静态的，1/3,1/4,1/5的偏置

16、电压电平； 内部生成偏置电压； 最多62个公共端和段输出； 最高复用率到1/16，用于最大16个背板/公共端输出；,LCD驱动接口概述,最多61个前面板/段输出，用于静态驱动； 驱动最多736个段（16背板x46前面板）； 最多128级软件控制的对比度； 通过DMA，将显示数据从存储器缓冲区移动到LCD驱动器； 可调LCD刷新率从10Hz到150Hz； 用于负像（Negative Image）的反LCD显示； 三个LCD驱动模式，允许优化功率； 当PSoC在有限活动模式下，可配置LCD驱动器使能；,LCD驱动接口概述 -LCD驱动接口原理及功能,LCD系统使用LCD DAC和显示数据产生用于LCD 面板显示产生所希望图像的正确输出电压。在LCD DAC中设置偏置值和对比度。当驱动LCD镜面时，用 于LCD驱动的GPIO必须选作为公共端或者段。,LCD驱动接口概述 -LCD驱动接口原理及功能,下面给出了显示数据变成一幅图像的步骤：1通过一个/多个正确配置的，链接的DMA交易描 述符TD，显示数据从与PHUB（任何可用存储器块）相 连的存储缓冲区移动到LCD驱动模块。2每个引脚上的数据，移动到端口数据寄存器，驱 动LCD驱动模块的数据显示输入。这样就可以选择到输 出引脚的正确的电压；,