人機界面D控制驅動管理論文

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摘要：介紹LCD的控制驅動及基與MCU接口的特點；詳細闡述嵌入式系統人機界面中各種常見LCD的控制驅動與MCU接口設計，以及一些基礎LCD外圍電路設計。關鍵詞：LCDMCU接口控制驅動電路設計液晶顯示，穩定可靠、成本低、功耗小、控制驅動方便、接口簡單易用、模塊化結構緊湊，在嵌入式系統中作為人機界面獲得了廣泛的應用。近年來，國內許多廠商，如紫晶、冀雅、晶華、信利、蓬遠等已經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、SeikoEpson、Toshiba、Holtek、Solomon、Samsung等相繼推出了許多控制驅動器件。本文以現有的控制驅動器件和液晶顯示器如何構成各種結構緊湊、成本低廉、簡單易用、性能優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動與接口概述液晶顯示LCD（LiquidCrystalDisplay），是利用液晶材料在電場作用下發生位置變化而遮蔽/通透光線的性能制作成為一種重要平板顯示器件。通常使用的LCD器件有TN型（TwistNematic，扭曲向列型液晶）、STN型（SuperTN，超扭曲向列型液晶）和TFT型（ThinFilmTransistor，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，長期困擾的難題已獲解決：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/驅動和外界的接口設計。控制主要是通過接口與外界通信、管理內/外顯示RAM，控制驅動器，分配顯示數據；驅動主要是根據控制器要求，驅動LCD進行顯示。控制器還常含有內部ASCII字符庫，或可外擴的大容量漢字庫。小規模LCD設計，常選用一體化控制/驅動器；中大規模的LCD設計，常選用若干個控制器、驅動器，并外擴適當的顯示RAM、自制字符RAM或ROM字庫。控制與驅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SDRAM外，大多公司器件都用靜態SRAM。嵌入式人機界面中常用的LCD類型及其典型控制/驅動器件與接口如下：

段式LCD，如HT1621（控/驅）、128點顯示、4線SPI接口；字符型LCD，如HD44780U（控/驅）、2行×8字符顯示、4/8位PPI接口；單色點陣LCD，如SED1520（控/驅）、61段×16行點陣顯示、8位PPI接口，又如T6863（控）+T6A39（列驅+T6A40（行驅）、640×64點雙屏顯示、8位PPI接口；

灰度點陣LCD，如HD66421（控/驅）、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）、104RGB×80點顯示、8位PPI或3/4線SPI接口；真彩色點陣LCD，如HD66772（控/源驅）+HD66774（柵驅）、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級顏色/4位PPI接口。控制驅動器件的供電電路、驅動的偏壓電路、背光電路、振蕩電路等構成LCD控制驅動的基本電路。它是LCD顯示的基礎。

LCD與其控制驅動、接口、基本電路一起構成LCM（LiquidCrystalModule,LCD模塊）。常規嵌入式系統設計，多使用現成的LCM做人機界面；現代嵌入式系統設計，常把LCD及其控制驅動器件、基本電路直接做入系統。本體考慮、既結構緊湊，又降低成本，并且有昨于減少功耗、實現產品小型化。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議指令執行。MCU的LCD程序一般包括初始化程序、管理程序和數據傳輸程序。大多數LCD控制驅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的控制驅動與接口設計2.1段式LCD的控制驅動與接口設計段式LCD用于顯示段形數字或固定形狀的符號，廣泛用作計數、計時、狀態指示等。普遍使用的控制驅動器件是Holtek的HT1621，它內含與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整，可編程選擇偏壓、占空比等驅動性能。HT1621控制驅動LCD及其MCU接口如圖1所示。2．2字符型LCD的控制驅動與接口設計字符型LCD用于顯示5×8等點陣字符，廣泛用作工業測量儀表儀器。常用的控制驅動器件有：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～行每行8個5～8點陣字符或相應規模的5×10點陣字符，其內振蕩電路附加外部阻容RC可直接構成振蕩器。HD44780U具有可直接連接68XXMCU的4/8位PPI接口，9條控制/傳輸指令，顯示對比度可外部調整。HD44780U連接80XXMCU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控制驅動LCD及其與80XXMCU的接口如圖2所示。

2．3單色點陣型LCD的控制驅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、工業監視、PDA產品中。小面積LCD常采用單片集成控制驅動器件，如SeikoEpson的SED1520，可實現61列×16行點陣顯示；中等面積LCD常采用單片控制/列驅動器件與單片機驅動器件，如Hitachi的HD61202U（控/列驅）、HD61203（行驅），可實現64×64點陣顯示；較大面積LCD常采用“控制器+顯示+列驅動器+行驅動器”形式，如Toshiba的T6963C（控）、T5565（顯存）、T6A39（列驅）、T6A40（行驅），可實現640×128點陣顯示。這些驅動器常需12～18V負電源實現偏置與調整對比度。控制器件大多可以外接阻容RC構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，簡單字符可直接全長集成在控制器內的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64XX或80XXMCU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，可實現點線圓等繪圖功能。控制器T6963C、HD61830、SED1335等可以實現單雙屏LCD控制。這是適應移動通信顯示的結果。實質上是平分顯存并分別對應兩個LCD屏。編制傳輸數據程序時，要注意結合顯存的特點適當變換數據形式，如SED1520顯存中的8位數據是反豎排的，HD61202顯存中的數據是豎排的。圖3是SeikoEpson的SED1335控制器，外擴顯存SRAM、自制字庫SGRAM、大容量漢字庫CGROM，與列驅動器SED1606、行驅動器SED1635組成的LCD及其80XXMCU接口的構成框圖，可以實現640×56單色點陣LCD顯示。

2．4灰度點陣型LCD的控制驅動與接口設計小型測控系統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實現的灰度等級就是2n。Hitachi的HD66421就是一款常用的經濟型灰度點陣LCD控制驅動器。單片HD66421外加少許阻容器件即可實現22級160列×100行點的LCD灰度顯示，并更使用HD66421可實現更大面積的LCD顯示。HD66421嵌有160×100×2位顯存，具有8位PPI接口，可直接連接80XXMCU，8條控制/傳輸指令，可編程變化驅動特性及其調整灰度類型。HD66421需外接一個電阻R構成體系振蕩電路，需負電源實現偏壓。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控制驅動灰度點陣LCD及其與80XXMCU的接口如圖4所示。2．5偽彩點陣型LCD的控制驅動與接口設計彩色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子像素點構成，分別由三個RGB色彩驅動。彩色LCD顯示需要更大的顯存，每個色彩有2n種顏色，就需占用n位顯存。彩色LCD顯示是LCD升級換代的必然結果。偽彩顯示常使用廉價的STN型LCD，多用于移動通信、PDA等產品中。SolomonSystech的SSD1780是一款典型的單片高度集成的偽彩點陣型LCD控制驅動器件。其內含312×81×4位的圖型數據顯存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80/68XXMCU）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控制驅動偽彩STN型點陣LCD及其與80XXMCU的接口如圖5所示。

2．6真彩色點陣LCD的控制驅動與接口設計現代高檔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，需要采用源極驅動器（sourcedriver）和柵極驅動器（gatedriver）去控制LCD場效應晶體管FET的源極與柵極。源極驅動器接收顯示數據驅動LCD列顯示，也稱為數據驅動器（datadriver），柵極驅動器控制逐行掃描。Hitachi的HD66772系列真彩LCD控制驅動器件，是嵌入式人機界面設計中表現豐富多彩世界的理想選擇，可以實現176RGB×240點218色高速動畫TFT點陣顯示。該系列器件包括HD66772、HD66774、DH66775和HD667D01。HD66772是內嵌95KB顯存的控制器與176RGB段的源極驅動器，HD66774是內含驅動電源的240行柵極驅動器，HD77665僅是120行柵極驅動器，HD776P01是驅動電源器件，HD66772具有與80XXMCU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。前者結構緊湊，后者比較經濟。圖6給出了前一方案的LCD控制驅動連接與16位MCU接口的框圖。2．7視頻變換LCD的控制驅動與接口設計在工業控制與嵌入式控制系統中，有很多LCD視頻驅動設計。這種設計，常常需要選取專用器件，變換視頻信號，控制驅動LCD，進行動畫顯示，以實現產品的兼容性并擴大產品性能。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動黑白或者LCD，使CRT型顯示器上的顯示內容同時出現在LCD屏上。HD66840F可以控制驅動最大720×512點LCD，做到單色=9級灰度或8級彩色顯示。HD66840具有4位受控接口，可以直接連接8位MCU實現視頻顯示環境設置。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80XXMCU控制下，變換CRT信號，控制驅動HD66772彩色點陣LCD動畫顯示的設計框圖。3LCD控制驅動的基礎電路設計3.1基本電源電路的設計LCD控制驅動器件的基本電源電壓一般在1.8～5.5V,現代嵌入式系統設計講求低壓微耗，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。選用并設計功率適當與電壓穩定的電源電路十分重要。很多半導體廠商生產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系列電壓調整器，AME的AME8800系列、AME8811系列降壓器，OnSomlconductor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，外配幾支阻容感器或肖基特二極管件，就可設計出適合LCD控制驅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驅動器偏壓電路設計圖形點陣LCD驅動常常常需要驅動偏置網絡和負電源實現偏壓。偏置網絡可以按驅動器廠商推薦的阻容值配置，負電源可以選取適當的負壓器件實現，常用負電源產生的辦法有：有用79系列三端集成穩壓器，如使用LM7918可得到-18V負壓源；采用DC-DCIC制作，如Maxim的MAX749、MAX680、MAX1860/1861，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（場致發光）和CCFL（冷阻極燈）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）為主，一般為4.2V驅動；EL以黃綠色（紅綠白色調）為主，一般為1W、400～800Hz、70～120V的交流驅動。中大點陣STN型與TFT型LCD，多為白色（紅綠藍色調）CCFL背光，一般為25kHz～100kHz、300V以上交流驅動。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，構成EL背光電路，如圖10所示；Maxim的MAX1635配合變壓器構成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-N1210-01CCEL模塊、精電逢遠的PYE系列EL/CCEL模塊。用IC器件搭建背光電路，可以緊湊設計結構并降低成本，常常在嵌入式系統設計中采用。3．4振蕩電路設計大多數LCD控制驅動器，即具有內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，經常選用控制驅動器的內部振蕩器件為時鐘源。這種情況下，不少控制驅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。結語以上詳細闡述了LCD控制驅動及其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。把這些規律應用在嵌入式人機界面設計中，一定能夠制造出結構更加緊湊、性能更加穩定可靠、成本更加低廉的LCD界面來。