（电力电子与电力传动专业论文）基于cpld的通用型tftlcd控制器设计与实现.pdf

l u l l ll l l l l ll l ll lll 1 l l1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l y 17 9 9 2 2 7 d es i g na n di m 呼l e m e n t a t i o no fg e n e r a l t f t - l c dc o n t r o l l e rb a s e do nc p l d at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs h iy o n g s h e n g m a y , 2 0 1 0 基于c p l d 的通用型t f t - l c d 控制器设计与实现 摘要 液晶显示器作为人机界面的主流器件之一，由于其轻薄、便携、高分辨 率等优点已被广泛应用到生活、工业、军事等各种场合，同时对液晶显示驱 动控制器的灵活性、通用性以及成本、功耗控制提出了更高的要求。因此， 本文以目前广泛应用的t f t - l c d 为对象，以单片c p l d 为核心设计一款 l c d 控制器，使其能够胜任多种显示场合，并且有效减小驱动成本，简化 电路设计，升级系统简单方便。 首先，本文在分析控制对象t f t - l c d 显示、驱动原理的基础上，以4 3 寸吓t 彩色液晶屏为显示控制对象，选择a l t e r a 公司的m a xi i 系列芯片作 为控制核心，设计搭建了控制器的硬件电路，具体包括l c d 与c p l d 接口 电路、显示数据存储电路、电源管理电路、显示背光驱动及其他外围接口电 路。 其次，分析了控制对象工作时序要求以及串口数据通信原理，在此基础 上提出采用模块化的设计思想，将控制器划分为t f t 时序发生器、s r a m 显存读写控制器、通信接口三大模块。然后针对各模块功能采用v e r i l o g 硬 件描述语言完成控制器的软件设计，并且利用q u a r t u si i 软件编译平台分别 进行了功能时序仿真验证。 最后，为了验证所设计控制器功能的正确性，下载程序至目标芯片进行 显示实验测试，现场测试效果验证了系统程序设计的正确性，表明该液晶控 制器方案的可行性，可见基于可编程逻辑器件的显示驱动控制方案具有一定 的实际应用价值和发展前景。 关键词：液晶显示控制器，s r a m 控制器，c p l d ，串口通信 d es i g na n d p l e m e n t a t i o no fg e n e r ai 。 t f t l c dc o n t r o l l e rb a s e do nc p l d a b s t r a c t l c dh a sb e e na p p l i e dw i d e l yt oo u rd a i l yl i f e ，i n d u s t r y , m i l i t a r ya n do t h e r a r e a s 。a so n eo ft h em a i nd e v i c e so fh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，f o ri t sa d v a n t a g e s s u c ha sl i g h t ，p o r t a b l e ，h i g h - r e s o l u t i o ne t c ，m e a n w h i l e ，t h eh i g hr e q u i r e m e n t so f f l e x i b i l i t y , v e r s a t i l i t ya n dc o s tw a sc r i t i c a lf o rt h el c dc o n t r o l l e r s t h e r e f o r e ，a t f t - l c dc o n t r o l l e rb a s e do ns i n g l ec p l dw a sf u l f i l l e d 1 1 1 i sc o n t r o l l e rc a n e f f e c t i v e l yr e d u c ed r i v i n gc o s t s ，s i m p l i f yc i r c u i td e s i g n ，a n du p g r a d es i m p l y f i r m l y , t h ed i s p l a ya n dd r i v ep r i n c i p l eo f t f t - l c dw e r es t u d y e d ，t h el c d d r i v ec o n t r o l l e rh a r d w a r ec i r c u i tw a sc o m p l e t e d a4 3 一i n c ht f tc o l o rl c d s c r e e ni st a k e nf o rt h ec o n t r o lo b je c t a n dt h ec o n t r o lc e n t e ri sac h i po fa l t e r a s n 嗽i is e r i e s t h eh a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d e sl c da n dc p l di n t e r f a c ec i r c u i t ， d i s p l a yd a t as t o r a g ec i r c u i t ，p o w e rm a n a g e m e n tc i r c u i t s ，d i s p l a yb a c k l i g h td r i v e r a n do t h e rp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t s s e c o n d l y , t h ew o r k i n gt i m i n gr e q u i r e m e n t so f c o n t r o lo b j e c ta n dp r i n c i p l e s o fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lw e r ea n a l y z e d 砀ed e s i g no fd i s p l a yc o n t r o l l e r w a sd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e s i ti n c l u d e st f tt i m i n gg e n e r a t o r , s r a mr e a d a n dw r i t em e m o r yc o n t r o l l e r , p r o c e s s o rc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e i nt h ed e s i g n o ft h ec o n t r o l l e rs o f t w a r e ，t h ef u n c t i o no f e a c hm o d u l ew a sa c h i e v e db yv e r i l o g h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，f u n c t i o nt i m i n gw a ss i m u l a t e db yq u a r t u si i s o r - w a r ep l a t f o r m f i n a l l y , t ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n e dc o n t r o l l e rf u n c t i o n s ，t h e p r o g r a mw a s d o w n l o a d e dt ot h et a r g e tc h i pa n dt h e nt e s tt h ed i s p l a yp e r f o r m a n c e t h ef i e l dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mp r o g r a mo ft h el c dc o n t r o l l e ri s f e a s i b l e 刀砖d e s i g no fp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c eo nt h ed i s p l a yd r i v ec o n t r o l h a sc e r t a i np r a c t i c a la p p l i c a t i o na n dp r o s p e c t k e yw o r d s ：l c dc o n t r o l l e r , s r a mc o n t r o l l e r , c p l d ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 目录 摘要i a b s t r a c t 1 绪论一1 1 1 课题背景1 1 2 课题研究现状及可行性分析2 1 2 1 课题研究现状2 1 2 2 课题方案的提出及可行性分析3 1 3 论文主要完成的工作4 2 液晶显示及其驱动控制原理5 2 1 液晶显示原理5 2 2t f t - l c d 驱动原理6 2 3l c d 控制器原理1 2 3t f t o l c d 控制器硬件电路设计15 3 1 控制器总体硬件结构设计1 5 3 2c p l d 器件及选型15 3 2 1f p g a c p l d 简述1 5 3 2 2f p g a 、c p l d 器件对比及选型17 3 3 控制器各部分电路设计18 3 3 1 液晶屏及接口电路1 8 3 3 2c p l d 及接口电路1 9 3 3 3s r a m 及接口电路2 2 3 3 4l e d 背光驱动电路2 3 3 3 5 电源管理及其他外围电路2 4 3 4 控制器硬件电路实现2 6 4t f t - l c d 控制器程序设计与仿真2 7 4 1 控制器程序设计基础知识2 7 4 1 1v e r i l o gh d l 基本知识2 7 4 1 2v e r i l o gh d l 设计流程2 8 4 1 3e d a 设计工具q u a r t u si i 介绍3 0 4 2t f t - l c d 控制器程序设计方案3 2 4 3 时序发生器设计3 3 4 3 1 扫描时钟产生3 4 4 3 2 行扫描信号产生3 5 4 3 3 场扫描信号产生3 6 4 3 4 时序发生器功能仿真3 7 4 4s r m 控制器设计3 8 4 4 1s r a m 及其控制分析3 8 4 4 2s l 乙m 控制器详细设计3 9 4 4 3s r a m 控制器功能仿真4 1 4 5 通信接口设计4 2 4 5 1i ，a r t 通信原理4 3 4 。5 2u a r t 接口设计4 4 4 5 3u a r t 接口功能仿真4 7 4 5 4 其他通信接口4 7 5t f t - l c d 控制器实验测试4 9 6 总结与展望5 2 6 1 总结。5 2 6 2 展望5 2 至| 【谢5 4 参考文献5 5 附录a ：控制器设计部分程序5 8 攻读学位期间发表的学术论文目录7 6 攻读学位期间申请的专利目录7 6 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明7 7 基于c p l d 的通用型t f t - l c d 控制器设计与实现 1 绪论 1 1 课题背景 随着人类活动领域的日益扩张和科学研究的不断深入，信息的处理量也越来越大， 而人们大多数情况下都以视觉获取外界信息，所以信息的显示在实现信息的重现就显得 至关重要。目前，液晶显示器( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) ，由于其一系列的优点被广泛应 用到各种显示场合，比如轻薄、低辐射、低功耗等，相比之前的c r t 显示器优势明显【】。 同时还大大扩展了显示器件的应用领域。 液晶显示具有工作电压低、微功耗、体积轻薄、无辐射、无闪烁、易于实现大屏幕 显示、全色显示等优良性能，已被公认为是多媒体时代的关键电子器件【2 】。自从l c d 显 示器件1 9 6 8 年问世以来，其显示技术发展迅速，种类众多，显示面积从几个平方毫米到 数平方米，现在已广泛应用到生活、工业、军事等各种显示应用场合。 液晶显示器在当今世界平板显示器件中位于主导地位，无论是作为数字电视还是通 讯设备的显示终端都是未来显示技术发展的主要方向，目前l c d 的主流技术是薄膜晶体 管液晶显示屏t f t - l c d ( t h i nf i l mt r a n s i s t o rl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 。t f t - l c d 产业由 于材料性能、制造水平的不断提高，在近几年得到了长足的发展，市场占有率很高，已 成为平板显示的主导产品。 l c d 的发展从开始到现在，已经有很多不同结构类型的显示器涌现，然而t f t - l c d 可以独占鳌头，一定有它优异的地方，其显示效果可以与静态的液晶显示媲美，随着科 技的进步，相信基于液晶材料的显示技术会更加的成熟、完美。那么就目前而言，针对 主流l c d 显示，即t f t - l c d 系列，我们可以把它分成两个部分，液晶部分、发光部分 3 1 。液晶部分由于液晶材料本身具有的电特性，只需要很好的“容器 来保存它，这需 要很好的工艺就可以办到。把半导体大规模集成电路的工艺加以利用，就研制成功了t f t 的生成工艺，成功的控制液晶光阀以及与显示控制器的配合。发光部分包括光源以及对 光的控制，现在市场上发展很快的背光光源就是绿色光源l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ， 逐渐取代了之前的荧光灯模式。目前又有o l e d ( o r g a n i cl i g h t - e m i t t i n gd i o d e ) 光源的 应用。相比l e d 它具有更好的性能。液晶显示发展已然势不可挡【4 】。 t f t - l c d 技术已经成熟，特别是t f t - l c d 产品的大规模生产技术的完善，多品种、 多系列的产品发展空间，应用范围无所不至。t f t - l c d 的大规模生产技术现已实现全自 动生产，三星的第八代生产线在2 0 0 6 年已经进入生产阶段，夏普第十代线也将投产，生 产成本将不断下降。t f t - l c d 在工艺上的成熟与技术的进步以及其特有的性能优势确立 了它在平板显示器件中的主导地位。 陕西科技大学硕士学位论文 在激烈的市场竞争下，液晶屏的尺寸、显示分辨率、刷新频率和带宽等技术参数不 断突破原有的限制，取得了新的成果。现在，低成本、大尺寸l c d 已经成为发展的必然 趋势。同时，在计算机软件和网络技术的支持下，液晶显示器具有高集成度、智能化和 低成本的发展潜力，发展空间广阔。现代的液晶彩色电视已不再是传统意义上的简单显 示器，而成为一种多功能的电子产品，其产品从直视的超小型l c d 显示到投影显示的高 清晰度电视，产业规模早已超越了电子显示领域长期占统治地位的阴极射线管( c i 玎： c a t h o d er a yt u b e ) 彩色电视。 液晶显示和c r t 显示一样，需要设置微控制器电路，以便对整机进行控制，并对诸 如亮度、对比度、色彩、输入信号选择等参数进行调校，这样，不但可大大简化整机电 路，而且增加了机器的稳定性。在液晶显示中，微控制器具有重要的作用，负责对整机 的协调与控制，微控制器出现故障，将会造成整机瘫痪，不能工作或工作异常。 1 2 随着经济的不断发展、社会的发展进步，人们的生活质量也随之提高，消费者对电 子产品、工业用品的需求以及要求都在不断的提高，不管是显示的质量还是尺寸的大小， l c d 都有很大程度的提升，几年前液晶显示大都是单色显示，受制于液晶材料、显示技 术以及背光手段。如今，手机、电视、工业显示、都用到大尺寸的彩色l c d 显示，并且 附带触摸等功能。相信在不久的将来，随着显示技术的进一步发展，显示要求的逐步提 高，l c d 能带给人们更多的显示产品，满足更复杂的人机交互方式。 目前很多液晶显示器采用以5 1 单片机为内核的微控制器，它把可开发的资源( r o m ： r e a d o n l ym e m o r y ，i o 接1 ：3 等) 全部提供给液晶彩电生产厂家，厂家可根据应用的需 要来设计接口和编制程序，因此适应性较强，应用较广泛。 液晶彩色显示器的电路主要由“高中频电路+ 音频处理部分+ 视频处理部分+ m c u ( m i c r oc o n t r o lu 】血) 部分组成，下面，我们介绍的液晶彩电电路构成方案中，主要 是针对“视频处理+ m c u ”部分。液晶彩色显示器的视频部分是最为复杂的电路，主要 由解码电路、隔行一逐行变换( d e i n t e r l a c i n g ，即去隔行处理) 电路、图像缩放( s c a l e r ) 电路等组成，这些视频处理电路中，既有功能单一的芯片，又有将集多种功能于一体的 多功能芯片，还有将所有视频处理功能于一体并集成有m c u 的超级芯片，从而形成了 复杂多变的液晶彩色显示器的构成方案。 一、“模拟或数字解码芯片+ 去隔行处理芯片+ 图像缩放芯片+ m c u 构成方案：这种 构成中，解码芯片既可以来用模拟解码芯片，如t d a 9 3 2 1 等，也可采用数字解码芯片， 如v p c 3 2 3 0 、s a a 7 1 l x 等；常用的去隔行处理芯片主要有f l l 2 2 0 0 、f l e 3 0 0 、f l l 2 3 1 0 2 基于c p l d 的通用型t f t - l c d 控制器设计与实现 等：常用的图像缩放电路主要有j a g a s m 、g m 5 2 2 1 等。这种方案的每一个功能电路都 由一片集成电路来完成，是最为复杂的一种组成方案，多用于早期生产的液晶彩色显示 i s o 二、“模拟解码芯片+ 去隔行图像缩放+ m c u 芯片”构成方案：方案中，模拟解码芯 片常用模拟彩电中的小信号处理单芯片，如o m 8 8 3 8 、t b l 2 6 1 、t b l 2 7 4 a f 、l a 7 6 9 3 0 等； 常用的去隔行图像缩放m c u 芯片主要有p w l1 2 、p w l l 3 、p w l 3 0 、p w l 6 6 、p w l 8 1 、 p w l 3 0 6 、p w 3 1 8 、g m l 5 0 1 、g m l 6 0 1 、g m 2 2 2 1 等。这种构成方案在部分液晶彩色显示 器中得到了一定的应用。 1 2 2 课题方案的提出及可行性分析 由于产品的换代和升级，旧的液晶控制器很难兼容和匹配新的l c d ，而且目前大多 数的控制器都是以集成电路i c 应用在l c d 中，如s e d l 3 3 5 ，一款专用的3 2 0 * 2 4 0 单色 l c d 显示控制i c ，但是如果更换l c d 型号，对应不同的驱动方式，s e d l 3 3 5 就不能够 胜任。现在液晶产品更新换代速度很快，基于专用集成i c 的驱动控制方式显然不能满足 显示要求。而且通用的l c d 驱动控制器，成本较高，还会造成系统资源的浪费。本文结 合作者实际经验和相关的知识，来探讨一下为什么选择采用c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 设计液晶显示控制器这个方案。 现在市场上可供选择的单独控制液晶屏的控制器还不是太多，这是因为在目前的开。 发生产中需求量不够大，而且通常把多种显示屏的解决方案集成在一起，规模太大，相 对来说价格比较昂贵。对于大屏幕的彩色l c d ，可行的方案是设计一款自带l c d 控制 器的处理器，能够在处理器中实现编程，例如s 3 c 4 8 4 x 0 型号就在内部集成了a r m 7 的 处理器，能够很方便的设计控制思路，同时也降低了显示的成本，但是在应用场合有一 定的限制。 f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) c p l d 这种可编程逻辑器件可以按照对象 的要求设计符合不同l c d 需要的控制器，包括对应的时序、数据信号，不同对象的通信 接口，将很多部分集中到一块可编程逻辑器件上，这样在与处理器配合工作的过程中很 大程度的减轻了m c u 的处理负担，更好的完成l c d 的显示驱动控制。 f p g a c p l d 是八十年代后期问世，其显著特点就是可编程。利用e d a ( e l e c t r o n i c d e s i g na u t o m a t i o n ) 工具，设计师可以在计算机上实现专用i c 的设计，在f p g a c p l d 上实现系统功能的仿真，很大程度的降低了产品的开发成本，缩短了开发周期。由于 f p g a c p l d 的可重复编程特性，使得其设计的产品能够很容易的实现产品的升级与功 能的修正。极大的提高了系统的灵活、通用性。 随着f p g a c p l d 技术的不断发展和进步，新型的f p g a c p l d 产品性能越来越好， 3 陕西科技大学硕士学位论文 成本却越来越低，这使得f p g a c p l d 在硬件设计方面变得举足轻重。与集成的l c d 高 端控制器相比，f p g a c p l d 设计的产品将有很强的成本竞争力。 f p g a 还可以作为完善系统的一种有利手段，具有f p g a c p l d 的电路系统可以利 用其具有可编程的特性，可以在不改变电路的情况下添加删减功能模块。比如常用的 r s 2 3 2 接口，通过u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 实现。f p g a c p l d 中可以设计生成u a r t 接口，在通信协议或者接口数量上都可以按照用户的需求来满足。 而f p g a c p l d 的f o 口丰富并且功能由用户自行设定，同时利用f p g a c p l d 片内存 储器设计通信缓存，提高通信的质量性能。 通过上面的分析与对比，我们可以发现f p g a c p l d 的优势所在，因此本文在开发 t f t - l c d 驱动控制器的过程中确定以f p g a c p l d 作为核心解决方案。在c p l d f p g a 芯片选择上，由于与f p g a 相比，c p l d 的引脚延时固定可预测，保密性好，而且成本 和价格都比较低，此外，由于大多数f p g a 器件基于r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 工艺，掉电后程序丢失；而c p l d 是基于r o m 工艺，掉电后程序不丢失，所以本文采 用c p l d 作为目标芯片进行控制器的开发。 1 3 论文主要完成的工作 本论文主要完成一个基于c p l d 的通用t f t - l c d 驱动控制器的设计与实现。首先 就本课题分别从背景、研究现状以及方案的可行性等进行了介绍和分析，得出大体的研 究方案。随后就控制对象t f t - l c d 原理作了分析介绍，包括液晶显示、液晶驱动、 t f t - l c d 原理、l c d 控制器原理等。第三章对控制器的硬件电路作了详细的分析并完成 各模块电路的设计。第四章介绍使用c p l d 完成控制器的软件设计，包括显示时序信号 的产生，s r a m 控制器的设计以及串口模块设计等，随后对设计的控制器进行现场测试 验证设计的正确性；第五章对全文进行总结、展望。 4 基于c p l d 的通用型t f t - l c d 控制器设计与实现 2 液晶显示及其驱动控制原理 2 1 液晶显示原理 液晶有着近乎在液体与固体之间的特性，不但具有固态晶体光学特性，又具有液 态流动特性，它几乎是透明的物质。当液晶分子有秩序地排列在一起时，它就呈现固体 特性，光线可直接穿过它。液晶按照分子排列有序状态不同分为3 种：向列相液晶 ( n e m a t i c ) ，又称之为为丝状液晶；近晶相液晶( s m e c t i c ) ，又称层状液晶；胆甾相液 晶( c h o l e s t i c ) ，又叫螺旋状液晶。这几种液晶在物理特性方面有很大不同。其中第一种 液晶最适合制造l c d 。目前，大多数液晶都属于有机复合物，由许多长棒状的液晶分子 构成。在自然状态下，这些液晶分子大致平行排列分布。在实验室，如果将液晶倒入一 个经过特殊加工的开槽平面，由于液晶分子是长条状外形，所以液晶分子就会自动顺着 槽的方向依次排列，如果假定那些槽之间平行，则可以说明各液晶分子也是完全平行的， 这个实验是l c d 显示原理的很基础、很重要的部分【l 】。 2 0 世纪6 0 年代，科学家们发现可以用通电的方式改变液晶分子的排列秩序，当通 电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。一 般电子产品中所用的液晶显示器，就是利用液晶的光电效应，由外部的电压控制液晶形 态，再透过液晶分子的折射特性，以及对光线的旋转能力来获得亮暗情况( 或者称为可 视光学的对比) ，进而达到显像的目的。对液晶分子的透光率进行控制可以控制显示图像 的明暗，一般来说是使用一个有源滤波器来调整背景光线。最后对白光进行过滤，得到 三原色红绿蓝，控制一个像素点中他们的比重就可以显示不同的颜色和图像。 l c d 有两个特点： 1 ) 液晶必须注入两个相互垂直的细槽平面之间才能实现显示，不加电时，液晶分子 与平面平行排列，之间的液晶由于垂直细槽的缘故会强迫9 0 。螺旋排列。光线可以顺着 排列方向传播。如果上电以后，平面之间存在电场，液晶分子转向垂直细槽平面，此时 光线没有旋转9 0 。，如果滤光片平行细槽，则不能通过。其实液晶就相当于是管理光线 是否通过的阀门。 2 ) 液晶透光需要滤光片的帮忙，只有与滤光片平行的光线才能通过，在细槽上下平 面分别放置相互垂直的滤光片，不上电的情况下，光线通过液晶发生9 0 。的偏转，所以 可以从第二个滤光片透出，上电以后光线没有偏转，所以受到滤光片的阻隔，光线不能 出去。在使用中，可以改变液晶排列使得加电导通，断电阻隔。不用的应用场合使用不 同的方法，一般来说使用“加电阻隔 的方式比较省电。 l c d 屏主要就是根据上面的原理制作而成，两块厚约0 5 毫米的玻璃，其间充满液 晶材料，由于液晶本身不发光，所以有专门的背光源、背光板等提供液晶背光，随后在 5 陕西科技大学硕士学位论文 外围配合驱动、控制部分电路控制液晶分子的旋转。 l c d 起初对于颜色的显示需要偏振滤光器和光源，当光线通过液晶分子后，放置在 液晶表明的偏振光滤波器把白光过滤成其他的颜色最终在屏幕上显示。一般来说像素点 只显示红绿蓝三种颜色，由于像素之间距离很短，所以眼睛看到的是一起发光后的效果。 调整每种像素的亮暗就生成了不同的颜色。 对于笔记本电脑或者桌面型的l c d 显示器需要采用的更加复杂的彩色显示器而言， 每个像素都是3 个液晶块组成，分别显示r 、g 、b ，其中每一个小液晶格前面分别放置 红绿蓝颜色过滤器。具有这样的专门处理颜色的过滤层，l c d 就可以显示不同的色彩了。 此外，为了可以显示更多的颜色，加入一个中间层，通过改变驱动电压的大小来完 成液晶状态的转换，这就可以很好的控制透过液晶的透光量。目前的l c d 中，每个基色 都用六位二进制数对应的“种电压来控制。如果不断的提高驱动电压的位数，将会产生 更多的颜色。比如六位对应6 4 种不同亮暗的基色。则可以显示2 6 2 1 4 4 种颜色。由于液 晶具有以下一系列的优点，使得其能够迅速占领显示市场，如轻薄、长寿命、辐射小、 色彩还原性好、节能、保密性好、对人眼刺激小等。 2 2t f t l c d 驱动原理 液晶的显示必须有驱动技术的配合才能很好的完成，之所以我们看到各种不同的颜 色，产生的原理是由于外加电场使液晶分子排列顺序发生变化，从而调制从中通过的光 线的数量。产生明暗的效果。其中红绿蓝像素点单独驱动，实现不同颜色的显示。 液晶的显示效果是由显示像素对应的液晶分子的透光量决定的，透光量又由液晶分 子的扭转角度的大小与液晶分子的响应速度决定，由于液晶分子的各向异性，在电场之 间能发生偏转，开始的时候，设计者对液晶加单边电场，但是使用时间长了以后，液晶 分子会由于长时间的单向旋转而不能回归原始位置，导致显示效果下降。所以后来使用 交变的驱动电压信号，避免了液晶的单方向偏转造成器件的损坏及老化。从而很好的延 长了显示器的使用寿命。目前一般使用双极性脉动电压驱动。 液晶分子有自己的最小驱动电压，如果不能达到这个电压，像素就不能点亮发光。 如果驱动电压的有效值在最小驱动电压的附近，则液晶透光较弱，对比度不高。所以要 求设计者对驱动电压的幅值有合理的设定，才能是显示的对比度达到视觉标准。下面介 绍一下液晶显示器件中常用的静态、动态驱动原理。 1 ) 静态驱动 静态驱动是液晶显示器最基本的驱动方式，在静态驱动的液晶显示器上，各液晶像 素的背电极连在一起作为公共电极引出，各像素的段电极分立引出。如果要使液晶显示 器在显示状态时，只要在公共电极上加入一个正电压，然后在所要显示的像素的段电极 6 基于c p l d 的通用型t f t - l c d 控制器设计与实现 上加0 电压，从而在该电极间产生电位差，使之产生光电效应，显示数据。为了防止液 晶分子单向扭曲造成寿命衰减，液晶驱动要求交流驱动，交流驱动的方式很多，常见的 驱动波形如双极性矩形脉冲电压。所以在另一时间段公共电极上加与正电压相同幅值的 反向电压，在所要显示的像素的段电极上加o v 电压，同样造成电位差。而对于不需要 显示的像素则使段电极与公共电极电压一致，则电极间的电位差始终是零，从而l c d 处 于不显示状态f l 】。 这种驱动方式可以使静态驱动很容易做到高对比度、响应速度快、低功耗、驱动电 压低、驱动电路比较简单等一系列的优点，其对应的l c d 显示无频闪，对人眼无刺激。 缺点是驱动电极段数必须与显示的笔段数相同，随着笔段数的增加，电极数也将增加， 则不利于大屏幕的显示，所以通常静态驱动用于小面积段码型l c d 。 2 ) 动态驱动 当显示器显示像素很多时，如果使用静态驱动方式，则会引出大量的电极引脚，这 对驱动电路的设计带来相当大的难度，为了解决这个问题，采用动态驱动的方式，将像 素矩阵排列，每个像素点两个电极，一个公共级( c o m ) ，一个段电极( s e g ) 。和二维 坐标类似，每一个像素由行、列扫描唯一确定。液晶显示的动态驱动就是先选通一行像 素，依次用图像数据转换的扫描电平施加电压，一行结束进入下一行，由于显示扫描频 率较高，行与行之间，帧与帧之间变换时间很短，由于人眼视觉暂留效应，使液晶显示 屏上看到稳定的图像效果。把这种液晶显示的扫描驱动方式就叫动态驱动法，也叫多路 寻址驱动法。 在一帧图像中，每行的扫描时间是相同的，设一帧中有n 行，扫描一帧时间为1 ， 那么扫描一行需要n 分之一的时间，1 n 也称为占空比系数。当行数增多的时候，扫描 占空比就会减小，对应的电压有效值就下降，会造成显示对比度降低，显示质量较差。 所以需要提高驱动电压幅值或者采用双屏电极排布以提高占空比系数。实际中，双屏电 极排布的效果要优于单屏显示。 与静态驱动器相对应的即动态液晶驱动器，和静态驱动器相比结构复杂一些，需要 产生行场扫描信号，由驱动电路、与1 凡( t r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c ) 兼容的逻辑电路 ( 锁存器和移位寄存器构成) ，其结构如图2 1 所示，动态驱动器主要包括驱动电路和逻 辑电路两部分，驱动电路部分是两组“开关 选通电路，用于实现液晶显示像素行列的 驱动功能。锁存器和移位寄存器为中心的逻辑电路部分，完成驱动控制使能信号的输入、 显示数据的传输，同时保持及控制电平的转换等。 7 陕西科技大学硕士学位论文 交流波形m 锁存脉冲l p 数据输入d i 移位脉冲c p y iy n 图2 1 液晶动态驱动原理图 f i 9 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fl i q u i dc r y s t a ld y n a m i cd r i v e 在驱动器中，图像显示数据的传输由移位寄存器完成，串行输入寄存器，并行输出 到锁存器输入端。锁存器的输出是将工作电源从逻辑电源转换成驱动所需的各种电源。 锁存器的数据用来控制产生段电极电压，决定显示像素的颜色、亮度。 驱动器的工作原理分析如下：首先，在c p 的作用下将显示数据在移位寄存器中按 顺序锁存，当一行数据传输结束以后，在信号l p 脉冲的触发下，锁存器将移位寄存器 中的数据锁存；同时在l p 的作用下，行驱动器的移位寄存器内数据移动一位；最后在 交流驱动波形m 的变换下，驱动部将输出对应的驱动脉冲序列，从而实现对液晶像素的 驱动。 一位串行的传输方式适合数据较少，屏幕较小，图像质量要求不高的场合。在驱动 较大规模的液晶显示器件时，这种串行传输方式的速度就不能够满足要求，所以可以升 级移位寄存器，对移位寄存器进行了一些修改，这种移位寄存器的数据线不是单一的串 行输入，一般多为n 位并行输入。相当于串行寄存器的并联工作，但是在移位寄存器内 仍以串行方式传输，不过这是以多位的形式传输，显然速度和一位串行相比提高到了原 来的n 倍。如表2 1 所示，驱动器主要有以下这些信号： 8 基于c p l d 的通用型t f t - l c d 控制器设计与实现 袁2 - 1 动态驱动主要信号说明 ! 垒丝：! 丛生! i 罂型2 1 地i 呈塑坚 信号名称 作用 由于显示要求的提高，所以目前的驱动系统一般是使用多片液晶驱动器组合而成， 一般来说包括行驱动器组、列驱动器组、偏压电路、驱动电源发生器以及温度补偿电路 等等。可以看出，驱动器的功能越大，其数字集成度越高，需要的处理速度也越快。 3 ) t f t - l c d 驱动原理 a 、t f t - l c d 的结构 各 s ) 图2 - 2t f t - l c d 的结构 f i 9 2 - 2t f t - l c d s t r u c a l r e 图2 2 为彩色t f t - l c d 模块截面图。如果所示，t f t - l c d 模块由液晶屏、背光单 元及外围驱动电路组成。其中液晶屏t f t 玻璃、彩色滤光膜、液晶构成。在液晶层内填 充有分散微球来控制液晶层的厚度，并且在上下玻璃表面设有取向层，保持液晶分子定 向排列。彩膜板上的黑矩阵需要精确的与i t o ( i n d i u mt mo x i d e s ) 边缘对准。背光单元 一般为冷阴极灯或者l e d 及导光板，目前由于l e d 的很多优点，l e d 背光发展迅速， 9 陕西科技大学硕士学位论文 在很多产品中有应用 0 3 。为了是照度均匀，导光板的正反面都贴了利于出光的膜具。显 示的过程首先背光从下偏光片进入，上偏光片透出，薄膜晶体管与上基板之间的电压决 定透光的强度，从而决定显示的颜色和亮度。 扫瞄电极 公共电极 信号电极 t 玎 钲 图2 - 3t f t l c d 像素结构 f i 9 2 - 3t f t - l c dp i x e ls t r u c t u r e b 、t f t - l c d 工作原理 一个t f t - l c d 像素单元的结构如图2 3 所示，从图中可以看出t f t 在其中起到对 单个像素“开关 的作用，也就是主动矩阵控制，旁边两个电容分别是液晶像素电容c l c 、 存储电容c s ( 延长像素的保持时间，提高图像对比度的作用。) ，显示的时候逐行扫描， 当扫描信号到达某一行时，该行所有的所有t f t 的栅极上就加上电压，从而该行的t f t 全部导通，信号电极将显示信息转换为电平信号施加在电极两端，实现信号电极和液晶 像素之间显示信息的传递，此时像素电容c l c 、存储电容c s 充电，在扫描信号撤销以后 电容起到保持基板电压的作用。理论上讲，一直到下次扫描信号到来液晶分子依旧保持 上个扭转角度。保持显示屏不闪烁，可以和静态显示效果相媲美。克服了t n 、s t n t f t 显示的缺陷。 当某一个象素耵叮导通时，该象素因无法透光呈现黑色；若该象素t f t 未导通， 则光透过液晶层通过c f ( 彩色滤光片) 而显示颜色，显示器即可产生彩色效果田】。 c 、t f t - l c d 驱动技术 t f t - l c d 显示系统结构如图2 - 4 所示，通过对t f t - l c d 像素单元的分析，就可以 设计出图中看到的驱动结构，驱动一块t f t - l c d 屏，必须需要两组信号：数据信号以及 行扫描信号，分别对应源驱动、栅极驱动。还要配合外围时序控制电路、电源变换电路、 视频转换电路等。 1 0 基于c p l d 的通用型t f t - l c d 控制器设计与实现 图2 - 4t f t - l c d 驱动结构图 f i 9 2 - 4t f t - l c d d r i v e rs n u c t u r c 用m 行n 列的像素矩阵来分析显示图像的过程，显示每一帧图像的数据量很大，。 不能同时实现，只能通过对视频信号的分解，转换成按时间顺序依次传输的串行信号， i l c d 接收到以后，依次转换成驱动各个像素的电场信号，这个信号控制液晶分子扭转角 度，从而控制通过的光线产生不同的色彩，实现显示，整个过程称之为逐行扫描。 行驱动线y l 、y 2 、y 3 y n 由图中的栅线驱动电路提供，按时序依次选通栅线， 导通其中一