LCDDriver（液晶驱动器）.docx
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LCDDriver（液晶驱动器）
在单片机的应用中，人机界面占据相当重要的地位。
人机界面主要包括事件输入和结果指示，事件输入包括键盘输入，通讯接口，事件中断等，结果指示包括LED/LCD显示、通讯接口、外围设备操作等。
而在这些人机界面当中，LCD显示技术由于其具有界面友好，成本较低等特点而在很多应用场合得以广泛应用。
我们在第一章SH6xxx单片机分类中就介绍过，LCD类单片机是SH6xxx单片机产品线的一个重要类别。
0.LCD的显示原理
在讲解LCDdriver之前，我们先就LCD的显示原理作一简单的介绍。
LCD（LiquidCrystalDisplay）是利用液晶分子的物理结构和光学特性进行显
示的一种技术。
液晶分子的特性：
§液晶分子是介于固体和液体之间的一种棒状结构的大分子物质；
§在自然形态，具有光学各向异性的特点，在电（磁）场作用下，呈各向同性特点；
下面以直视型简单多路TN/STNLCDPanel（液晶显示面板）的基本结构介绍LCD的基本显示原理，示意图如图1-1：
图1-1LCD的基本显示原理
第22页
整个LCDPanel由上下玻璃基板和偏振片组成，在上下玻璃之间，按照螺旋结构将液晶分子有规律的进行涂层。
液晶面板的电极是通过一种ITO的金属化合物蚀刻在上下玻璃基板上。
如图所示，液晶分子的排列为螺旋结构，对光线具有旋旋旋光性，上下偏振片的偏振角度相互垂直。
在上下基板间的电压为0时，自然光通过偏振片后，只有与偏振片方向相同的光线得以进入液晶分子的螺旋结构的涂层中，由于螺旋结构的的旋旋旋光性，将入射光线的方向旋转90度后照射到另一端的偏振片上，由于上下偏振片的偏振角度相互垂直，这样入射光线通过另一端的偏振片完全的射出，光线完全进入观察者的眼中，看到的效果就为白色。
而在上下基板间的电压为一交流电压时，液晶分子的螺旋结构在电（磁）场的作用下，变成了同向排列结构，对光线的方向没有作任何旋转，而上下偏振片的偏振角度相互垂直，这样入射光线就无法通过另一端的偏振片射出，光线无法进入观察者的眼中，看到的效果就为黑色。
这样通过在上下玻璃基板电极间施加不同的交流电压，即可实现液晶显示的两种基本状态亮（On）和暗（Off）。
在实际的液晶模以驱动电压中，有几个参数非常关键：
§交流电压，液晶分子是需要交流信号来驱动的，长时间的直流电压加在液晶分子两端，会影响液晶分子的电气化学特性，引起显示模糊，寿命的减少，其破坏性为不可恢复；
§扫描频率，直接驱动液晶分子的交流电压的频率一般在60～100Hz之间，具体是依据LCDPanel的面积和设计而定，频率过高，会导致驱动功耗的增加，频率过低，会导致显示闪烁，同时如果扫描频率同光源的频率之间有倍数关系，则显示也会有闪烁现象出现。
COM1 COM1
ONE FRAME
1-2帧频（Frame）示意图
§液晶分子是一种电压积分型材料，它的扭曲程度（透光性）仅仅和极板间电压的有效值有关，和充电波形无关。
电压的有效值用COM/SEG之间的电压差值的均方根VRMS表示：
1
T
ò
T
0
[
V（t）]
2
dt
V（RMS）=
LCD显示黑白（透光和不透光）的电压有效值的分界电压称为开启电压Vth，当电压有效值超过Vth，螺旋结构的旋光角度加大，透光率急剧变化，透明度急剧上升。
反之，则透明度急剧下降。
光线的透射率与交流电压的有效值的关系如图1-3：
100
TransparentDegree（Relative）
90
90%
V10 V90
10%
10
0
2 Vth 4 6
Von（rms） Voff（rms）
Voltage（Vrms）
图1-3光线的透射率与交流电压的有效值的关系图
LCD类单片机内嵌的LCDdriver（液晶驱动器），正是通过系统的控制，按照用户定义的显示图案，产生点亮LCD（LiquidCrystalDisplay，液晶）所需的模拟驱动波形，接到LCDPanel（液晶显示屏）上点亮对应的像素而达到显示的效果。
§占空比（Duty）
该项参数一般也称为Duty数或COM数。
由于STN/TN的LCD一般是采用时分动态扫描的驱动模式，在此模式下，每个COM的有效选通时间与整个扫描周期的比值即占空比（Duty）是固定的，等于1/COM数。
§偏置（Bias）
LCD的SEG/COM的驱动波形为模拟信号，而各档模拟电压相对于LCD输出的最高电压的比例称为偏置，而一般来讲，Bias是以最低一档与输出最高电压的比值来表示，如图1-4所示（1/4Duty,1/3Bias）:
V3V2
COMX
V1
0
V3
SEGX V2
Select
V1
Select
Unselect
Light
Unlight
Unlight
Unlight
COM4
COM3
COM2
COM1
SEGn+1SEGn
V3
One Frame
COM1V2
V10
V3
COM2V2V10
V3V2
COM3
V10
V3
V2
COM4
V1
0
V3V2
SEGn V1
0
V3V2
SEGX
UnselectV1
0
SEGn+1
COM4-SEGn
0
VV2
V10
V3VV1
0
-V1
-V2
-V3
图1-4LCDdriver驱动波形图
该图对应的是1/4duty，1/3bias的液晶驱动波形，COM数为4，每个COM
的有效选通时间与整个扫描周期的比值（Duty）=1/4，驱动波形的模拟电压共分3档，V3位输出最高电压，V2，V1为输出中间电压，并且V1/V3=1/3，所以上述波形图对应的Duty=1/4，Bias=1/3。
一般而言，Bias和Duty之间是有一定关系的，duty数越多，每根COM对应的扫描时间变短，而要达到同样的显示亮度和显示对比度，VON的电压就要提高，选电平和非选电平的差异需要加大，即Bias需要加大，Duty和Bias间有一经验公式，即
Duty
Bias=1/（ +1）
0.LCD驱动器的电源
液晶驱动波形为由若干档直流电平组合而成的模拟波形，各档直流电平的比例关系反映驱动波形的Bias比例关系，各档电平的具体幅值取决于LCDPanel的液晶特性和Duty数的多少。
图1-5为一LCD驱动电源部分的示意图：
VDD
PowerRegulator
ContrastAdjust
COM1~COMn
Vn,Vn-1...V0,0
BiasVoltageGenerator
LCD
segmentdriver
LCD
commondriver
SEG1~SEGn
图1-5LCD驱动电源部分的示意图
电源调整器部分（PowerRegulator）：
产生LCD驱动所需的最高直流电平，一般分为三种：
a）LCD驱动所需的最高直流电平等于外部输入电源VDD的，此部分就直接将VDD输入至后续电路；
b）LCD驱动所需的最高直流电平大于外部输入电源VDD，且不需要稳压输出的，如固定等于1.5VDD或2.0VDD，此部分通常做法是将外部输入电源VDD通过升压电路（pump）升至所需的电压，输入至后续电路；
c）LCD驱动所需的最高直流电平大于外部输入电源VDD，且需要稳压输出的，即驱动所需的最高直流电平不随VDD的变化而变化的，如要求VDD=2.4～
5.5V全电压范围里，VLCD的输出电压都保持不变，此部分通常做法是首先产生一个误差范围符合要求的电压基准源，然后将此电压基准源比例放大至所需的电压，同时外部输入电源VDD通过升压电路（pump）升至一定的电压，如2VDD，作为比例放大部分的电源。
如图1-6：
VDD
Vref
Amplifier
Pump
ReferenceVoltage
n*VDD
VLCD
图1-6电源调整器部分结构示意图对比度/亮度调整部分（ContrastAdjustment）：
通过对比度/亮度控制寄存器，调节输出的LCD驱动电压。
设置此部分的目的有三个：
）同一颗单片机适配的LCDPanel的选择余地较大，LCDpanel的工作电压（额定电压）处于LCD驱动器输出的最高电压和最低电压之间即可；
）可以有效的消除LCDPanel在制作过程中工作电压的偏移，特别是TN/STN等对成本要求较严格的LCDPanel，其最佳工作电压与设计工作电压间的偏移较大；
）有些产品的LCDdriver无电源调整电路，其LCD输出的最高电压（VLCD）与外部输入电源跟随变化。
在实际产品中，特别是使用电池作为电源的应用场合，外部输入电源随着使用时间的加长会慢慢降低，LCD输出的电压和LCDPanel的对比度也会随之降低，这时保持LCDPanel的对比度不变，就可以通过调节对比度/亮度控制寄存器进行调节。
此部分依据每颗单片机产品的定位不同，有所差异，有些产品无部分，包含此部分的在调节档数或调节精度上也有所差异。
偏置电压产生部分（BiasVoltageGenerator）：
LCDdriver输出的最高电压通过偏置电压产生电路，根据选择的偏置设置，产生LCD交流驱动波形所需要的其它几档偏置电压（VLCD,Vn,Vn-1,…V1,V0），提供给后续的COM/SEG波形产生电路。
此部分的实现方式一般分为两种：
） 电阻分压结构，即依据Bias的设置，选择合适的分压电阻，产生需要的直流分压电平，如图1-7；
VLCD
RR2RR
R
VLCD
VLCD
RRRR
R
VLCD
VLCD
RRR
R
VLCD
VLCD
R
RR
VLCD
V3=5/6*VLCD V3=4/5*VLCD
V2=4/6*VLCD
V2=3/5*VLCD
V2=3/4*VLCD
V1=2/6*VLCDV0=1/6*VLCD
V1=2/5*VLCDV0=
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