圖2 字符型LCD及其控制驅(qū)動與接口
2.3 單色點陣型LCD的控制驅(qū)動與接口設(shè)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(fù)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(yīng)。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。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,可實現(xiàn)點線圓等繪圖功能�？刂破鱐6963C、HD61830、SED1335等可以實現(xiàn)單雙屏LCD控制。這是適應(yīng)移動通信顯示的結(jié)果,實質(zhì)上是平分顯存并分別對應(yīng)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(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。[6]
圖3 單色點陣型LCD及其控制驅(qū)動與接口
2.4 灰度點陣型LCD的控制驅(qū)動與接口設(shè)計
小型測控系統(tǒng)和低成本手持設(shè)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(yīng)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(fù)電源實現(xiàn)偏壓。HD66421是高度集成器件,322腳封裝,線路板PCB設(shè)計上有難度,應(yīng)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。[7]
圖4 灰度點陣型LCD控制驅(qū)動及其接口
2.5 偽彩點陣型LCD的控制驅(qū)動與接口設(shè)計
彩色LCD顯示基于紅R、綠G、藍(lán)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(shè)計難度更大,須認(rèn)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。[8]
圖5 偽彩STN型點陣LCD控制驅(qū)動及其接口
2.6 真彩點陣型LCD的控制驅(qū)動與接口設(shè)計
現(xiàn)代高檔PDA、家電、顯示墻等越來越多地應(yīng)用了真彩點陣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)動技術(shù),且需達(dá)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(yīng)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(shè)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。
圖6 真彩點陣型LCD控制驅(qū)動及其接口
2.7 視頻變換LCD的控制驅(qū)動與接口設(shè)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(shè)計。這種設(shè)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(shè)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(shè)計框圖。
圖7 視頻變換型LCD控制驅(qū)動及其接口
3 LCD控制驅(qū)動的基礎(chǔ)電路設(shè)計[4~ 8]
3.1 基本電源電路的設(shè)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(shè)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(shè)計功率適當(dāng)與電壓穩(wěn)定的電源電路十分重要。很多半導(dǎo)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(shè)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(shè)計的電源供給電路,非常簡潔。
圖8 2.5V電源供應(yīng)電路
3.2 驅(qū)動器偏壓電路設(shè)計
圖形點陣LCD驅(qū)動器常常需要驅(qū)動偏置網(wǎng)絡(luò)和負(fù)電源實現(xiàn)偏壓。偏置網(wǎng)絡(luò)可以按驅(qū)動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)計的-12V負(fù)電源電路。
圖9 -12V負(fù)電源供應(yīng)電路
3.3 背光電路設(shè)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(lán)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(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)計結(jié)構(gòu)并降低成本,常常在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中采用。
圖10 IMP525構(gòu)成的EL背光電路
3.4 振蕩電路設(shè)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(yīng)用時擇其一即可,非常方便設(shè)計。為簡化外圍電路設(shè)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(xì)闡述了LCD控制驅(qū)動及其MCU接口設(shè)計的特征和常見各種類型的具體設(shè)計,并說明了其基礎(chǔ)電路設(shè)計。把這些規(guī)律應(yīng)用在嵌入式人機界面設(shè)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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