嵌入式人機界面中控制驅(qū)動器件和液晶顯示器的接口設計

引言

液晶顯示，穩(wěn)定可靠、成本低、功耗小、控制驅(qū)動方便、接口簡單易用、模塊化結(jié)構(gòu)緊湊，在嵌入式系統(tǒng)中作為人機界面獲得了廣泛的應用。近年來，國內(nèi)許多廠商，如紫晶、冀雅、晶華、信利、蓬遠等已經(jīng)能夠滿足各種定制液晶顯示的需求；很多著名半導體廠商，如Hitachi、Seiko Epson、Toshiba、Holtek、Solomon、Samsung等相繼推出了許多控制驅(qū)動器件。本文以現(xiàn)有的控制驅(qū)動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)良的嵌入式人機界面的設計進行綜合闡述。

1、液晶顯示及其控制驅(qū)動與接口概述

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，制作成本也隨之增加。TN和STN型常用作單色LCD。STN型可以設計成單色多級灰度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型可以實現(xiàn)大面積LCD真彩顯示，其像素點可以做成0.3mm左右。TFT-LCD技術日趨成熟，長期困擾的難題己獲解決：視角達170°，亮度達500cd/m2（500尼特），顯示器尺寸達101.6cm（40in），變化速度達60幀/s。

進行LCD設計主要是LCD的控制/驅(qū)動和與外界的接口設計。控制主要是通過接口與外界通信、管理內(nèi)/外顯示RAM，控制驅(qū)動器，分配顯示藎磺饕歉菘刂破饕螅疞CD進行顯示。控制器還常含有內(nèi)部ASCII字符庫，或可外擴的大容量漢字庫。小規(guī)模LCD設計，常選用一體化控制/驅(qū)動器；中大規(guī)模的LCD設計，常選用若干個控制器、驅(qū)動器，并外擴適當?shù)娘@示RAM、自制字符RAM或ROM字庫。控制與驅(qū)動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器件需用自刷新動態(tài)SDRAM外，大多公司器件都用靜態(tài)SRAM。嵌入式人機界面中常用的LCD類型及其典型控制/驅(qū)動器件與接口如下：

段式LCD，如HT1621（控/驅(qū)）、128點顯示、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；

單色點陣LCD，如SED1520（控/驅(qū)）、61段×16行點陣顯示、8位PPI接口，又如T6963C（控）+T6A39（列驅(qū)）+T6A40（行驅(qū)）、640×64點雙屏顯示、8位PPI接口；

灰度點陣LCD，如HD66421（控/驅(qū)）、160×100點單色4級灰度顯示、8位PPI接口；

偽彩點陣LCD，如SSD1780（控/驅(qū)）、104RGB×80點顯示、8位PPI或3/4線SPI接口；

真彩點陣LCD，如HD66772（控/源驅(qū)）+HD66774（柵驅(qū)）、176RGB×240點顯示、8/9/16/18位PPI接口、6/16/18動畫接口、同步串行接口；

視頻變換LCD，如HD66840（CRT-RGB→CD-RGB）、 720×512點顯示、單色/8級灰度/8級彩色、4位PPI接口。

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

LCD與其控制驅(qū)動、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)設計，多使用現(xiàn)成的LCM做人機界面；現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)設計，常把LCD及其控制驅(qū)動器件、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、實現(xiàn)產(chǎn)品小型化。

控制LCD顯示，常采用單片機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)動與接口設計

2.1 段式LCD的控制驅(qū)動與接口設計

段式LCD用于顯示段形數(shù)字或固定形狀的符號，廣泛用作計數(shù)、計時、狀態(tài)指示等。普遍使用的控制驅(qū)動器件是Holtek的HT1621，它內(nèi)含與LCD顯示點一一對應的顯存、振蕩電路，低壓低功耗，4線串行MCU連接，8條控制/傳輸指令，可進行32段×4行=128點控制顯示，顯示對比度可外部調(diào)整，可編程選擇偏壓、占空比等驅(qū)動性能。HT1621控制驅(qū)動LCD及其MCU接口如圖1所示。

2.2 字符型LCD的控制驅(qū)動與接口設計

字符型LCD用于顯示5×8等點陣字符，廣泛用作工業(yè)測量儀表儀器。常用的控制驅(qū)動器件有：Hitachi的HD44780U、Novatek的NT3881D、Samsung 的KS0066、Sunplus的SPLC78A01等。HD44780U使用最普遍。它內(nèi)嵌與LCD顯示點一一對應的顯存SRAM、ASCII碼等的字符庫CGROM和自制字符存儲器CGRAM，可顯示1~2行每行8個5×8點陣字符或相應規(guī)模的5×10點陣字符，其內(nèi)振蕩電路附加外部阻容RC可直接構(gòu)成振蕩器。HD44780U具有可直接連接68XX MCU 的4/8位PPI接口，9條控制/傳輸指令，顯示對比度可外部調(diào)整。HD44780U連接80XX MCU時有直接連接和間接連接兩種方式：直接連接需外部邏輯變換接口控制信號，而無需特別操作程序；間接連接將控制信號接在MCU的I/O口上，需特別編制訪問程序。HD44780U控制驅(qū)動LCD及其與80XX MCU的接口如圖2所示。

2.3 單色點陣型LCD的控制驅(qū)動與接口設計

單色點陣型LCD用作圖形或圖形文本混合顯示，廣泛用于移動通信、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)動器件，如Seiko Epson的SED1520，可實現(xiàn)61列×16行點陣顯示；中等面積LCD常采用單片控制/列驅(qū)動器件與單片行驅(qū)動器件，如Hitachi的HD61202U（控/列驅(qū)）、HD61203（行驅(qū)） ，可實現(xiàn)64×64點陣顯示；較大面積LCD常采用“控制器+顯存+列驅(qū)動器+行驅(qū)動器”形式，如Toshiba的T6963C（控）、T5565（顯存）、T6A39（列驅(qū)）、T6A40（行驅(qū)） ，可實現(xiàn)640×128點陣顯示。這些驅(qū)動器常需12~18V負電源實現(xiàn)偏置與調(diào)整對比度?？刂破骷蠖嗫梢酝饨幼枞軷C構(gòu)成振蕩器或外接振蕩器或外引時鐘。顯存中的每一位與LCD顯示點一一對應。需要文字顯示時，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展大容量的字庫CGROM或自制字庫CGRAM?？刂平涌谕ǔＪ?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，可實現(xiàn)點線圓等繪圖功能。控制器T6963C、HD61830、SED1335等可以實現(xiàn)單雙屏LCD控制。這是適應移動通信顯示的結(jié)果，實質(zhì)上是平分顯存并分別對應兩個LCD屏。編制傳輸數(shù)據(jù)程序時，要注意結(jié)合顯存的特點適當變換數(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，外擴顯存SRAM、自制字庫SGRAM、大容量漢字庫CGROM，與列驅(qū)動器SED1606、行驅(qū)動器SED1635組成的LCD及其80XX MCU接口的構(gòu)成框圖，可以實現(xiàn)640×56單色點陣LCD顯示。

2.4 灰度點陣型LCD的控制驅(qū)動與接口設計

小型測控系統(tǒng)和低成本手持設備中大量使用灰度點陣型LCD。這種LCD使用的控制器的顯存中每n位對應一個LCD顯示點，整個LCD實現(xiàn)的灰度等級就是2n。Hitachi的HD66421就是一款常用的經(jīng)濟型灰度點陣LCD控制驅(qū)動器。單片HD66421外加少許阻容器件即可實現(xiàn)22級160列×100行點的LCD灰度顯示，并列使用HD66421可實現(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)動特性及其調(diào)整灰度類型。HD66421需外接一個電阻R構(gòu)成體系振蕩電路，需負電源實現(xiàn)偏壓。HD66421是高度集成器件，322腳封裝，線路板PCB設計上有難度，應足夠重視。HD66421控制驅(qū)動灰度點陣LCD及其與80XX MCU的接口如圖4所示。

2.5 偽彩點陣型LCD的控制驅(qū)動與接口設計

彩色LCD顯示基于紅R、綠G、藍B三基色疊加原理，每個LCD像素點由三個RGB子像素點構(gòu)成，分別由三個RGB色段驅(qū)動。彩色LCD顯示需要更大的顯存，每個色段有2n種顏色，就需占用n位顯存。彩色LCD顯示是LCD升級換代的必然結(jié)果。偽彩顯示常使用廉價的STN型LCD，多用于移動通信、PDA等產(chǎn)品中。Solomon Systech的SSD1780是一款典型的單片高度集成的偽彩點陣型LCD控制驅(qū)動器件。其內(nèi)含312×81×4位的圖形數(shù)據(jù)顯存GDDRAM、477kHz的振蕩電路、集成偏壓電路和DC-DC電路；具有8位PPI接口（可直接連接80/68XX MCU）與3/4線SPI串行接口，36條控制/傳輸指令。外加幾個電容器件，SSD1780就可控制驅(qū)動104RGB×81點彩色STN型LCD，展示23n=4096種顏色。SSD1780是627腳封裝，線路板PCB設計難度更大，須認真對待。SSD1780控制驅(qū)動偽彩STN型點陣LCD及其與80XX MCU的接口如圖5所示。

2.6 真彩點陣型LCD的控制驅(qū)動與接口設計

現(xiàn)代高檔PDA、家電、顯示墻等越來越多地應用了真彩點陣LCD顯示技術。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)動技術，且需達到高速動畫。LCD真彩顯示使用TFT型LCD，主動點陣顯示，需要采用源極驅(qū)動器（source driver）和柵極驅(qū)動器（gate driver）去控制LCD場效應晶體管FET的源極與柵極。源極驅(qū)動器接收顯示數(shù)據(jù)驅(qū)動LCD列顯示，也稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動器（data driver），柵極驅(qū)動器控制逐行掃描。Hitachi的HD66772系列真彩LCD控制驅(qū)動器件，是嵌入式人機界面設計中表現(xiàn)豐富多彩世界的理想選擇，可以實現(xiàn)176RGB×240點218色高速動畫TFT點陣顯示。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)動器，HD66774是內(nèi)含驅(qū)動電源的240行柵極驅(qū)動器，HD77665僅是120行柵極驅(qū)動器，HD667P01是驅(qū)動電源器件，HD66772具有與80XX MCU直接連接的8/16位PPI接口、6/16/18位動畫接口和同步串行接口。使用HD66772系列器件，控制驅(qū)動176RGB×240點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。圖6給出了前一方案的LCD控制驅(qū)動連接與16位MCU接口的框圖。

2.7 視頻變換LCD的控制驅(qū)動與接口設計

在工業(yè)控制與嵌入式控制系統(tǒng)中，有很多LCD視頻驅(qū)動設計。這種設計，常常需要選取專用器件，變換視頻信號，控制驅(qū)動LCD，進行動畫顯示，以實現(xiàn)產(chǎn)品的兼容性并擴大產(chǎn)品性能。Hitachi的HD66480F就是這樣的一款典型器件。它可以方便地從計算機的視頻接口中取出CRT信號通過視頻變換直接驅(qū)動黑白或彩色LCD，使CRT型顯示器上的顯示內(nèi)容同時出現(xiàn)在LCD屏上。HD66840F可以控制驅(qū)動最大720×512點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實現(xiàn)視頻顯示環(huán)境設置。使用HD66840F，需要外擴8位的RGB顯示緩存SRAM。圖7說明了使用HD66840F外擴顯示緩存HM6264，在8位80XX MCU控制下，變換CRT信號，控制驅(qū)動HD66772彩色點陣LCD動畫顯示的設計框圖。

3、 LCD控制驅(qū)動的基礎電路設計

3.1 基本電源電路的設計

LCD控制驅(qū)動器件的基本電源電壓一般在1.8~5.5V，現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)設計講求低壓微耗，多使用1.8V、2.5V、3.0V或3.3V器件。上文所述所有器件工作狀態(tài)功耗都在幾至幾十mW以下，都可以工作在1.8~3.6V的電壓范圍內(nèi)。選用并設計功率適當與電壓穩(wěn)定的電源電路十分重要。很多半導體廠商生產(chǎn)各種類型的系列微功耗高性能電源器件，如Torex的XC6203系列、Richtek的RT9168/A系列電壓調(diào)整器，AME的AME8800系列、AME8811系列降壓器，On Somlconductor的NCP1400A系列、Maxim的MAX1795系列升壓器，等等。這些器件，提供的輸出電壓可以是1.5~5V間的任一值，±1.2%~±2.5%的精度，最大輸出電流在100~500mA。選用這些器件，外配幾支阻容感器件或肖基特二極管件，就可設計出適合LCD控制驅(qū)動器件的基本電源電路。圖8是為HD66421設計的電源供給電路，非常簡潔。

3.2 驅(qū)動器偏壓電路設計

圖形點陣LCD驅(qū)動器常常需要驅(qū)動偏置網(wǎng)絡和負電源實現(xiàn)偏壓。偏置網(wǎng)絡可以按驅(qū)動器廠商推薦的阻容值配置，負電源可以選取適當?shù)呢搲浩骷崿F(xiàn)。常用負電源產(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設計的-12V負電源電路。

3.3 背光電路設計

LCD背光，通常有LED、EL（場致發(fā)光）和CCFL（冷陰極燈）等背光形式。字符型或中小點陣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；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。中大點陣STN型與TFT型LCD，多為白色（紅綠藍色調(diào)）CCFL背光，一般為25kHz~100kHz、300V以上交流驅(qū)動。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、精電逢遠的PYE系列EL/CCEL模塊。用IC器件搭建背光電路，可以緊湊設計結(jié)構(gòu)并降低成本，常常在嵌入式系統(tǒng)設計中采用。

3.4 振蕩電路設計

大多數(shù)LCD控制驅(qū)動器，即具有內(nèi)部振蕩器又可外接振蕩器或外引時鐘，應用時擇其一即可，非常方便設計。為簡化外圍電路設計，經(jīng)常選用控制驅(qū)動器的內(nèi)部振蕩器作為時鐘源。這種情況下，不少控制驅(qū)動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

以上詳細闡述了LCD控制驅(qū)動及其MCU接口設計的特征和常見各種類型的具體設計，并說明了其基礎電路設計。把這些規(guī)律應用在嵌入式人機界面設計中，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。

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