選擇最合適的LCD控制方法
摘要
LCD(很多種)已經使用30多年了,其驅動方式已為大家所熟悉,并在過去的20年里一直保持不變。然而,LCD材料的進步以及對密度調制新的認識,使得可以有新的數字方法,其可以升級到芯片過程,可以有更具成本效益的設計。這篇文章將會介紹傳統(tǒng)的實現方式,將介紹兩種只需要數字信號來驅動LCD的方法。第一種方法依賴于不同頻率信號的相關與不相關性,而第二種方法是通過LCD玻璃的低通濾波屬性允許它由密度調制信號驅動。我們會介紹這兩種技術的優(yōu)點,如識別率、供電電壓的開關電壓極限,將會介紹多種電平,多種類型。我們還會示范三種常用的類型。
傳統(tǒng)上,LCD控制在微控制器中已經完成,主要通過兩種不同方式,但只要是模擬方式實現。這些實現方式包括一個梯形電阻或電流泵,業(yè)界更常用的是梯形電阻。使用梯形電阻,一系列的電阻彼此堆疊,形成一個很大的分壓器,在這里可以獲得多個電平,然后在恰當的時間集合到適當的GPIO,從而產生所需的LCD控制波形,這取決于LCD的MUX值。梯形電阻阻值的選定由芯片實現,在功耗與圖象顯示品質上都很有效。
LCD是一種理想的電容負載。通過選擇一個很大的電阻,由于電容負載不斷的充放電,所以會產生失真波形。這可能導致生成不恰當的LCD控制波形,這會影響LCD的顯示,因為某些segment可能顯得可定義的比其他的多。通過減少電阻值,波形失真可以減少,但代價是增加了功耗。關鍵是要找到節(jié)能和LCD控制波形完整性之間的平衡點。此外,實施LCD驅動模擬子系統(tǒng)需要的成本會變得非常昂貴(由于片內子系統(tǒng)尺寸)。以PSoC 3控制器為例, LCD架構會占用大約~350k平方微米。
當模擬LCD系統(tǒng)主導市場時,與新技術和LCD背后的制造過程相匹配的密度調制理解的增長,使得需要有一個有效驅動LCD的新方法。例如,純數字LCD控制技術可應用于產生LCD控制信號,當察看LCD時,不能和模擬方法區(qū)分開來。與此同時,數字方式還可提供額外的好處。有兩個不同但類似的實現方式,包括數字相關和密度調制。
原理
傳統(tǒng)上,LCD電流泵或電阻分壓器可以產生多個偏置電壓,如而產生如圖1所示的梯形波形。
圖1 : 傳統(tǒng)的模擬控制波形
確切的電壓階數取決于期望的偏置電平。偏置是適用于LCD的電壓臺階數目。精確的數目依賴于Mux比率,即LCD中common數目的倒數。例如,一個4common的LCD mux比率是1/4。然后使用這些多重電壓來保持適當的電平,以保持某段的開或關。每common所需的偏置數量可以通過方程1計算出來。
方程1
這種方法的優(yōu)勢是可以產生高識別率,但它會造成潛在的功耗成本和芯片實現成本的提高。使用數字相關技術,不是使用多個模擬電平,而是使用標準數字邏輯電平, LCD控制波形在合適的時候在Vdd和地之間切換。這種方法有兩個主要優(yōu)勢。首先,使用這種技術,可以用非常有限的硬件實現(如定時器或PWM),使用DMA或微控制器控制固件和ISR。目前市場上可用的微控制器和FPGA具備實現這種控制技術所需的資源。這種方法的第二個主要優(yōu)勢是,這種實現也可以很容易地在低功率模式下使控制系統(tǒng)驅動LCD。當器件由定時器ISR觸發(fā)喚醒開始下一楨時,控制器件只需要調整GPIO到邏輯高電平或低電平,然后返回低功率模式。GPIO將會保持進入低功耗模式時的引腳狀態(tài),因此在低電源模式不需要大量的內部部件處于active。由于數字相關的LCD控制所需的管理步驟很簡單,active模式需要的時間就很少,所以可以最大限度地節(jié)省功耗。下圖給出了使于數字相關控制波形的一個例子,見圖2。
圖2數字相關控制波形
控制波形是這樣產生的,選中底板(common)時是segment波形相關信號,不選是不相關信號。在子楨周期結束的時候,實現停滯狀態(tài)。與傳統(tǒng)的模擬方法不同,可以用DAC產生各種偏置水平,需要調整LCD RMS的電壓來產生適當的開關電平。由于經過segment的電壓與的segment and common(Seg-Com)的電壓不同,通過驅動這兩條線到相同的電平, 5 V或0 V,就會產生一段時間的0 V,從而影響到經過segment的RMS電壓。LCD的每一segment都有一個Von和Voff閾值電平。這些閾值電平可以通過下列方程計算,這里“ d”代表停滯狀態(tài)數目,“ n ”代表common數。
方程2
方程3
識別率是很重要的參數,其定義為VRMS(On) 和VRMS(Off)之間的比率。其差距較大,將會顯示越多的定義了的開關segment。如果這兩個參數太接近,它就很難區(qū)分開和關的segment。計算數字相關識別率的方程如下。
方程4
從這個方程可以看出,隨著LCD common數量的增加,識別率會降低。在任何控制方法中識別率都是這樣的。識別率并不像理想的模擬控制方法那么有效率,不過對于當今的4common LCD來說已經足夠了。
使用密度調制,由系統(tǒng)內PWM組成,可以產生類似傳統(tǒng)模擬方法的波形。理想情況下,LCD模型是一個電容。然而,由于LCD玻璃的固有特性, LCD模型更像一個濾波器。LCD的這些固有特性在這種情況下是有利的。通過改變PWM參數,LCD的濾波器特性可用于生產直流電壓。通過這種方法,產生的波形和圖1所示的傳統(tǒng)模擬方法非常相似。
該方法的最大優(yōu)勢是成本。由于是數字硬件來產生波形,數字元件比模擬硬件占用的die要小。開始PSoC3給出的值是近似~ 350 k 平方微米。通過切換到純粹的數字系統(tǒng),估計這個數字會降低到大約5.5 k平方微米。實現數字系統(tǒng)比相應模擬器件來說還會明顯減少芯片設計風險。請注意,這一切隨之而來的代價是更高的功率消耗,這是由于PWM需要更高速度的時鐘。然而,在LCD管腳添加額外的外部電阻可以平衡這種實現的功耗。
方程5
方程6
這種方法的識別率比數字相關更高,可以產生更多的可定義的顯示,如方程7所示。
方程7
實現
下面的工程范例是使用PSoC 3/5在PSoC Creator環(huán)境中實現和配置的。這個項目配置為可以實現數字相關和密度調制兩種方法,1/2 和1/3偏置。在工程文件中通過簡單地改變一些參數,工程文件就可以實現任何LCD控制技術。有兩個主要的LCD控制部分。第一個驅動控制排序,如圖3所示。第二部分是引腳驅動邏輯,見圖4,其獲得各種控制和驅動信號,并用適當的邏輯結合來生產所需的驅動波形。
圖 3數字LCD控制控制和驅動排序
序列器是用來指示正在生成控制波形子幀,同時決定波形信號是否需要倒置。這個模塊扮演了一個連續(xù)循環(huán)的狀態(tài)機角色。一旦整個LCD波形產生,它會翻轉并重新開始。圖3中所示為4 common 顯示配置。然而,通過增加SubFrame[0..1]的尺寸,這個序列器可以擴展到多達16common。
PWM的停滯狀態(tài)主要是用于控制差異,可以通過調整之前提到的RMS電壓實現。通過改變PWM停滯時間參數,將common 和segment驅動為低的時間增加,從而降低LCD控制的RMS電壓。
PWM偏置產生了兩個PWM信號:一個高電平信號和一個低電平信號。當提到LCD為1/2, 1/3,或1/4偏置時,指的是結合系統(tǒng)的高、低電平產生所需的最終電平。
圖4 common 和segment驅動邏輯
如圖4所示,顯示RAM存儲的是LCD的每一個像素的信息,是開或關。隨著序列器周期通過子幀,它將通過數字de-mux從顯示RAM選擇一位,見圖4。要增加顯示器的common數,就需要增加控制寄存器以支持期望的數值, de-mux 輸入數目也是同樣。在PSoC Creator工程中,有多頁如圖4所示的電路原理圖,其提供了segment和 common必要的邏輯。區(qū)分segments和 common的部件是虛擬mux,設置為' 0 '為common,設置為' 1‘ 為segment。使用顯示RAM,以及排序及控制元件,各種邏輯門一起工作來進行適當的解碼,以確定信號如何表現在GPIO引腳。然后LCD作其他事情。
例如VIM-404 TN LCD。在固件中,一個按鈕就可輕松實現各種控制切換,可以實時演示不同控制技術。圖5為數字相關方法。
圖5TN LCD數字相關方法
有了這種方法,我們就能觀察到識別率較低的影響。為了產生這樣一個顯示,在關閉像素的地方不亮,那么開電壓必須也降低到開像不顯示像傳統(tǒng)的LCD控制方法定義的那個點。然而,觀察到的效果會根據LCD參數不同而不同,如LCD象素尺寸,LCD電壓,顯示類型(STN或TN)。在STN LCD測試中,數字相關和傳統(tǒng)控制方法沒有明顯差別。
圖6和圖7顯示了PWM 1/2偏置和 1/3偏置驅動方法。可以明顯觀察到數字相關和PWM圖像,但不管離的多近,都很難區(qū)分1/2還是1/3偏置, 1/3偏置會有更多可定義的顯示。
圖6 .TNLCD1/2 PWM偏置
圖7 . TN LCD 1/3 PWM偏置
如前所述,通過增加優(yōu)先級邏輯,顯示RAM,以及增加另外的數字邏輯就可支持更多的common/segment,在CY8C-KIT006工具中,支持更大的LCD,16 common STN LCD,如圖8所示。
圖8 .CY8C-KIT006 STNLCD ,¼ PWM偏置
使用電流泵和梯形電阻的模擬LCD控制標準已經在半導體行業(yè)存在20多年了,新一代數字控制方法將會證明其是一個可行的替代方案,因為它們實現的尺寸小,功耗低。
評論