LCD基础及S3C2410 LCD控制器

一、超薄平面显示器时代来临

    电视机所采用的 CRT(阴极射线管)有着体积大、重量重、尺寸受限等缺点。随着电子科技的发展，对移动显示的要求越来越多，CRT 的先天限制，让其小型化、行动化的理想受到阻碍。这使得开发新一代的显示器技术变得更有其必要！ 新一代的显示器讲求几个重点：平面直角，画面显示不变形、轻薄短小耗能少，携带方便且同时要与现有的影像信号技术兼容。目前谈论到超薄型显示器技术，最普及当是 TFT LCD 的应用了，举凡数字相机、笔记型计算机、PDA 等，需要显示复杂信息的电子产品通通少不了它。TFT LCD 技术又包含了，低温多硅晶TFT LCD、反射式TFT LCD 等，多项不同的显示技术，下面我们就要来一探 LCD 的历史与原理。

二、液晶的发明与发现
    液晶的诞生来自于一项非常特殊物质的发现，早在 1850 年 Virchow, Mettenheimer 和 Valentin 这三个人就发现 nerve fibre 的粹取物中含有这种不寻常的东西。到了 1877 年德国物理学家 Otto Lehmann 运用偏极化的显微镜首次观测到了液晶化的现象，但他对此一现象的成因并不了解。直到公元1888年，奥地利的植物学家 Friedrich Reinitzer（1857-1927）发现了螺旋性甲苯酸盐的化合物（cholesteryl benzoate），确认了这种化合物在加热时具有两个不同温度的熔点，在这两个不同的温度点中，其状态介于一般液态与固态物质之间，类似胶状，但在某一温度范围内其又具有液体和结晶双方性质，由于其特殊的状态。Reinitzer 后来走访 Lehmann 深入探讨这种物质的表现，其后两人便命名这种物质为「Liquid Crystal」，就是液态结晶物质的意思。Reinitzer 和 Lehmann 这两人被誉为液晶之父。

    同 CRT 阴极射线管一样，液晶虽早在1888年就被发现（实际上，但是实际应用在生活周遭时，已是80年后的事了。因为液晶在两次大战中对军事用途的帮助不大，以致于 其发展落后 CRT 甚多。比较重要的是 1922 年 Oseen 和 Z?cher 这两位科学家为液晶确立状态变化之方程式。一直到了 1968年美国RCA公司工程师们利用液晶分子受到电压的影响而改变其分子的排列状态，并且可以让入射光线产生偏转的现象之原理，制造了世界第一台使用液晶显示的屏幕。由此开始，加上了1970年代日本 SONY 与 Sharp 两家公司对液晶显示技术全面开发与应用，让液晶显示器成功的融入现代的电子产品之中。

    描述液晶的物理性质，必须先了解一般固态晶体具有方向性，而液态晶体这种特殊物质，不但具有一般固体晶体的方向性外，同时又具有液体的流动性。改变固态晶体方向必须旋转整个晶体，改变液态晶体就不用那幺麻烦，它的方向性可经由电场或磁场来控制。
改变液晶的方向视液晶的成分而有所不同，有的液晶和电场平行时位能较低，所以当外加电场时会朝着电场方向转动，相对的，也有液晶是对应电场垂直时位能较低。由于液晶对于外加力量（电场或磁场敏感），从而呈现了方向性的效果，也导致了当光线入射液晶中时，必然会按照液晶分子的排列方式行进，产生了自然的偏转现像（见图3-1）。

图3-1

    部分液晶分子的电子结构中，有着很强的电子共轭运动能力，所以当液晶分子受到外加电场的作用，便很容易的被极化产生感应偶极性（induced dipolar），这也是液晶分子之间互相作用力量的来源。而一般电子产品中所用的液晶显示器，就是是利用液晶的光电效应，藉由外部的电压控制，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，进而达到显像的目的。



电源关闭时，液晶具有偏光效果
可将入射光线转弯，穿过极栅，呈现亮色  


电源开启时液晶不具有偏光的功能
因此光线不能通过极栅呈现暗色  


三、液晶显示器的种类
    利用液晶制成的显示器称为液晶显示器，英文称 LCD（Liquid Crystal Display）。其种类可分为依驱动方式之静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）以及主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。而其中，单纯矩阵型又是俗称的被动式（Passive），可分为扭转向列型（Twisted Nematic，简称 TN）和超扭转式向列型（Super Twisted Nematic，简称STN）两种；而主动矩阵型则以薄膜式晶体管型（Thin Film Transistor；TFT）为目前主流。

TN型
TN型液晶显示技术可说是液晶显示器中最基本的，其它种类的液晶显示器也可说是以TN型为蓝本加以改良。同样的，它的运作原理也较其它技术来的简单。TN 的构造包括了垂直方向与水平方向的偏光板（Polarizer），其上具有细纹沟槽，中间夹杂液晶材料以及导电的玻璃基板（Glass）。

STN/DSTN
STN型的显示原理也类似，不同的是TN型的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN则可将入射光旋转180~270度。 单纯的 TN 显示器本身只有明暗两种显示（或黑白），无法产生色彩的变化。TN LCD 采用的是“直接驱动”无法显示较多的像素，且画面的对比小，反应速度慢，视角更仅在+30度以下(即观赏角度约60度)，显示质量也较差；故TN型LCD主要用途在于简单的数字符与文字的显示，如：电子表及电子计算器等。 STN的出现改善了视角狭小的缺点并提高对比率，STN以“多任务驱动”增加扫瞄线数提高画素显示，品质较TN来得高。再搭配彩色滤光片的使用，将单色显示矩阵的任一像素（pixel）分成三个子像素（sub-pixel），分别透过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，可以显示出逼近全彩模式的色彩。由于 STN 显示的画面色彩对比度仍只达30：1(对比愈小，画面愈不清楚)；反应速度为150ms（毫秒），作为一般操作显示接口尚可，但若要播放电影速度仍然不够。

由于 STN 仍有不少缺点，后续的 DSTN则通过双扫描方式来显示，由于DSTN采用双扫描技术，因此显示效果相对STN来说，有大幅度提高。DSTN 反应速度可达到 100ms，但因它们都为“被动式驱动”，在电场反复改变电压的过程中，每一像素的恢复过程都较慢，在屏幕画面快速变化时，例如：显示网球比赛的转播，就会产生所谓的“拖尾”现象。特别是当网球选手击球的那一瞬间，你就可以看到拖屏幕上出现“球迹尾”现象。不过，DSTN 价格便宜、功耗能低，一些 PDA 等，仍使用 DSTN 作为显示装置。

TFT
TN与STN型液晶显示器都是使用场电压驱动方式，如果显示尺寸加大，中心部位对电极变化的反应时间就会拉长，显示器的速度就跟不上。 为了改善这个的问题，主动式矩阵（active-matrix ）驱动被提出，主动式 TFT型的液晶显示器的结构较为复杂包括了：背光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料和薄模式晶体管等等（如图3-2）。在TFT型液晶显器中，导电玻璃上画上网状的细小线路，电极则由是薄膜式晶体管所排列而成的矩阵开关，在每个线路相交的地方配有控制闸，各显示点控制闸配合驱动讯号作动。电极上之晶体管矩阵依显示讯号开启或关闭液晶分子的电压，使液晶分子轴转向而成“亮”或“暗”的对比，避免了显示器对电场效应的依靠，转以晶体管开启和关闭的速率作为决定步骤。 也因此，TFT-LCD 的显示质量较 TN/STN佳，画面显示对比可达150：1以上，反应速度逼近 30ms 甚至更快。同时又可以全彩甚至真彩效果显示，产品适用于PDA、笔记型计算机、液晶显示器、汽车导航系统、数字相机及液晶投影机。





图3-2

下面的表格对TN、STN、TFT的各自特性做了对比

TN、STN及TFT型液晶显示器之比较表

类别      TN                  STN               TFT  
原理      液晶分子，扭转90度  扭转180~270度     液晶分子，扭转90度  
特性      黑白、单色低对比    黑白、彩色,低对比 彩色（1667万色）高对比
全色彩化  否                  否                可媲美CRT之全彩色
动画显示  否                  否                可媲美CRT
视角      30度以下            40度以下          80度以下  
面板尺寸  1~3寸               1~12寸            37寸以下  


四、液晶显示器的发展与未来
    TFT LCD 之所以成功，在于其每个像素后面都配置一个晶体管开关作为控制整合之用，以致于整个 TFT LCD 看起来就类似一个大型整合电路。由于 TFT LCD 必须将画素作得非常小，让人眼只能看到画面，分辨不出画素，所以 TFT LCD 的生产工艺就相当精密。过去，因为技术尚未成熟，在一大片的 TFT LCD 当中难免有些节点，无法连接或连接错误，导致无法显示正确画素，这些统称“坏点”，包含常见的“红、蓝、绿点”无法自行控制、“黑、白点”无法使用等。目前高精密的技术已经足以克服 TFT LCD 在生产过程中产生“坏点”的机率，部分“坏点”也可通过“暗点化”（人类的眼睛对于暗画素不敏感）将其消隐。

    由于 TFT-LCD 成功的解决 CRT 的缺点，连带的使其应用范围加广范！同时，也发生了一些意想不到的问题，例如：在阳光下 TFT LCD 显示不佳，需要倚靠遮光罩或透光式设计减少反光的发生，才能将其看得清楚。另外，也有利用特殊镀膜技术，减少背景光泄漏、增加屏幕黑度、提高对比度的作用，并可以同时减小在日常明亮工作环境下的眩光现象。

五、S3C2410内置LCD控制器详解

    一块LCD屏显示图像，不但需要LCD驱动器，还需要有相应的LCD控制器。通常LCD驱动器会以COF/COG的形式与LCD 玻璃基板制做在一起，而LCD控制器则有外部电路来实现。而S3C2410内部已经集成了LCD控制器，因此可以很方便地去控制各种类型的LCD屏，例如：STN和TFT屏。由于TFT屏将是今后应用的主流，因此接下来，重点围绕TFT屏的控制来进行。
S3C2410 LCD控制器的特性：

STN屏
－支持3种扫描方式：4bit单扫、4位双扫和8位单扫
－支持单色、4级灰度和16级灰度屏
－支持256色和4096色彩色STN屏（CSTN）
－支持分辩率为640*480、320*240、160*160以及其它规格的多种LCD

TFT屏
－支持单色、4级灰度、256色的调色板显示模式
－支持64K和16M色非调色板显示模式
－支持分辩率为640*480，320*240及其它多种规格的LCD
对于控制TFT屏来说，除了要给它送视频资料（VD[23:0]）以外，还有以下一些信号是必不可少的，分别是：
VSYNC（VFRAME） ：帧同步信号
HSYNC（VLINE） ：行同步信号
VCLK ：像数时钟信号
VDEN（VM） ：数据有效标志信号
图3-3是S3C2410内部的LCD控制器的逻辑示意图：


图3-3
REGBANK 是LCD控制器的寄存器组，用来对LCD控制器的各项参数进行设置。而 LCDCDMA 则是LCD控制器专用的DMA信道，负责将视频资料从系统总线（System Bus）上取来，通过 VIDPRCS 从VD[23:0]发送给LCD屏。同时 TIMEGEN 和 LPC3600 负责产生 LCD屏所需要的控制时序，例如VSYNC、HSYNC、VCLK、VDEN，然后从 VIDEO MUX 送给LCD屏。

TFT屏时序分析

图3-4是TFT屏的典型时序。其中VSYNC是帧同步信号，VSYNC每发出1个脉冲，都意味着新的1屏视频资料开始发送。而HSYNC为行同步信号，每个HSYNC脉冲都表明新的1行视频资料开始发送。而VDEN则用来标明视频资料的有效，VCLK是用来锁存视频资料的像数时钟。
并且在帧同步以及行同步的头尾都必须留有回扫时间，例如对于VSYNC来说前回扫时间就是（VSPW+1）＋（VBPD+1），后回扫时间就是（VFPD+1）；HSYNC亦类同。这样的时序要求是当初CRT显示器由于电子枪偏转需要时间，但后来成了实际上的工业标准，乃至于后来出现的TFT屏为了在时序上于CRT兼容，也采用了这样的控制时序。




图3-4
YFARM9-EDU-1采用的是Samsung公司的1款3.5寸TFT真彩LCD屏，分辩率为240*320，下图为该屏的时序要求。

图3-5


通过对比图3-4和图3-5，我们不难看出：
VSPW+1=2 -> VSPW=1
VBPD+1=2 -> VBPD=1
LINVAL+1=320-> LINVAL=319
VFPD+1=3 -> VFPD=2

HSPW+1=4 -> HSPW=3
HBPD+1=7 -> HBPW=6
HOZVAL+1=240-> HOZVAL=239
HFPD+1=31 -> HFPD=30
以上各参数，除了LINVAL和HOZVAL直接和屏的分辩率有关，其它的参数在实际操作过程中应以上面的为参考，不应偏差太多。
LCD控制器主要寄存器功能详解
(1)LCDCON1



LINECNT ：当前行扫描计数器值，标明当前扫描到了多少行
CLKVAL ：决定VCLK的分频比。LCD控制器输出的VCLK是直接由系统总线（AHB）的工作频率HCLK直接分频得到的。做为240*320的TFT屏，应保证得出的VCLK在5~10MHz之间
MMODE ：VM信号的触发模式（仅对STN屏有效，对TFT屏无意义）
PNRMODE ：选择当前的显示模式，对于TFT屏而言，应选择[11]，即TFT LCD panel
BPPMODE ：选择色彩模式，对于真彩显示而言，选择16bpp（64K色）即可满足要求
ENVID ：使能LCD信号输出


VBPD ， LINEVAL ， VFPD ， VSPW 的各项含义已经在前面的时序图中得到体现，这里不再赘述。

HBPD ， HOZVAL ， HFPD 的各项含义已经在前面的时序图中得到体现，这里不再赘述。

HSPW 的含义已经在前面的时序图中得到体现，这里不再赘述。
MVAL 只对 STN屏有效，对TFT屏无意义。

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