LCD 字段式驱动器的新方法

从手表、家庭恒温器到便携式医疗设备（如血糖仪和血压监护仪），LCD 字段式驱动器无所不在，甚至在某些型号的汽车中都有其身影。几乎所有 MCU 厂商都提供 LCD 驱动功能，这种解决方案已经应用了相当长的时间。既然该技术已经出现很久了，人们或许很难想象它还会有什么创新了，不过，本文将重点介绍这一成熟技术新出现的令人激动的功能，并谈谈这些新功能得以实现的背后故事。
 
Figure 1: Typical LCD segment controller seen in MCU /SoC versus new approach. 
图 1：MCU/SoC 中典型的 LCD 字段式控制器与新方法的对比。

Traditional approach
传统方法
Bias circuitry which requires external components and few pins
A   需要外部组件和少数引脚的偏置电路。
1: LCD pins are multiplexed with multiple functions
B   1：LCD 引脚为多功能多路复用。
B.2: Usually 4 commons limits total pixel drive capability
B.2：通常 4 个 公共端(common) 限制总像素驱动功能。


New approach
新方法
Internal bias circuit saves pins and components, supports more bias levels for higher commons
A 内部偏置电路节省了引脚和组件数量，支持提高公共端的更多偏置级。
1: Any pin can be segment or common pin, easy layout / pinout assignment
B  1：任何引脚都能是字段或公共端引脚，方便的布局／引脚分配。

Innovation A: Programmable Resistor Ladder

创新之一：可编程电阻器梯形电路

如图1所示，传统的 LCD 驱动方法需要外部 R 或 C 电路来产生偏置电压。几乎所有 MCU 和 SoC 都能驱动通常需要三分之一偏置的 4 个公共端。这就需要约 4 个引脚，而且用户要在引脚上连接外部电阻或电容网络才能生成 LCD 偏置。

很少有厂商尝试将电阻器梯形电路 (resistor ladder) 转移到器件内部。这种电阻器梯形电路要经过优化才能让给定的显示器获得最佳功耗和对比度。内部梯形电路能折中满足标准显示器的要求，但可能难以满足所有系统的要求。最新创新技术使用高位值电阻器或可编程电阻器梯形电路来优化功耗，并用动态可控的缓冲器来解决驱动强度问题。这种缓冲器可自动关闭，从而在像素电压达到目标值后节约功耗，并让低驱动强度输出保持该状态。该特性能节省外部组件，减少对器件上数量有限的宝贵引脚的占用，同时还能提供微调偏置电路的全部优势，从而实现最佳的功耗和对比度。

Innovation B: Placing Mux at Each Pin

创新之二：在每个引脚放置多路复用器

器件总是具有固定的引脚分配是在 MCU 和 SoC 上进行 LCD 字段式驱动的另一个普遍现象。这就是说，某些引脚定义为公共端 (COM)，而某些引脚则定义为不同的段 (SEG) 输出。此外，器件在这些引脚上会有某些其他 MCU 功能，如 UART 和 SPI 信号等。因此，设计 LCD 系统通常都是不容易的。而关键就在于识别引脚，在不影响 MCU 关键功能的前提下驱动必需的像素，同时还要保证 PCB 布局和固件的简单性。[!--empirenews.page--]

MCU 和 SoC 使用 m 到 n 多路复用器 (Mux)，这里的 m 是指所支持的全部像素，而 n 是指段引脚（图 1：传统方法）。新方法则在每个引脚上放置 mux（图 1：新方法）。这样，Mux 的 p到 1 会小得多，其中 p 是指支持的偏置等级。这就使任何引脚都能成为公共端或段，从而为设计人员提供实施不同功能的最大灵活性。此外，这种逻辑还可作为焊盘逻辑的一部分，不需要额外占用硅片区域，即尽可能减少成本方面的影响。

使用可编程的电阻器梯形电路（创新之一）可让添加更多偏置级的工作得以简化，而且无需使用更多引脚，也不会影响功耗。在每个引脚上放置 mux（创新之二）可以简化输出更多偏置级。上述两种创新方法相结合，可以更方便地支持较高的偏置级，这样，我们就能使用更多公共端或背板。有了更多公共端或背板，就能驱动更多 LCD 像素或用更少的引脚驱动相同数量的 LCD 像素。以带有52个引脚的 MCU 或 SoC进行 LCD驱动为例，如果支持 4 个公共端，那么系统最多可驱动 192 个像素（48 段 x 4 公共端）。不过，如果 MCU 或SoC 支持 16 个公共端，那么相同的 52 个引脚就能驱动 576 个像素（36 段 x 16 公共端）。如果要驱动的像素数量较少，则可减少引脚数量，这就是说，设计人员可使用引脚数量较少的 MCU，以求降低系统成本。可重新定位的 LCD 引脚还能随之带来另一个优势，即能向多个引脚输出相同的公共端信号，这样可非常简单地驱动需要较高驱动强度的大型显示器。

Innovation C: Graphical User Interfaces

创新之三：图形用户界面

如果您曾经开发过驱动 LCD 字段式显示器的固件，那么您一定会了解这项工作的繁琐程度。您需要手动将每个像素映射到段和公共端交叉处，识别 MCU 寄存器映射中相应的控制位，然后再编写控制每个寄存器映射的函数。如果需要对成百上千的像素进行上述处理的话，显然会非常费时，而且容易出错。完成这项工作往往至少需要几天的时间。而随着软件的发展，上述这种需要大量人力的工作已经被时代所淘汰了。通过简单易用的图形用户界面，我们所做的工作可以得到大幅简化。例如，塞普拉斯全新 PSoC Creator 软件的图形界面只需在 PSoC 3 器件中拖放各种 LCD 对象就能创建任意类型的显示器。一旦显示器创建完成，每个像素就能被拖放到纵横交叉处进行分配。分配完成后，软件就能生成必需的固件 API，进而实现与主应用的集成。这样，图形用户界面就能将数天的图形化配置工作缩短到一个小时之内完成，从而节约宝贵的工程设计资源。


Figure 2: Simplified mapping of pixels in PSoC Creator software
图2：PSoC Creator 软件中像素的简化映射


尽管许多设计人员还会继续沿用此前已经使用过无数次的 LCD 驱动开发方法，但新的技术发展为LCD 字段式驱动系统带来了全新的设计方法。这种创新技术使设计人员能获得以下优势：（1）节省生成偏置电压所需的引脚和外部无源组件；（2）任何引脚都能作为段或公共端，从而简化 PCB 布局，并能最大限度地使用板载外设；（3）将公共端信号输出到多个引脚，以提升驱动强度，并能用单个器件驱动更大的显示器；（4）驱动更多公共端（多达 16 个），以增加驱动的像素数量，或以较少的引脚驱动相同的像素数量；（5）大幅缩短 LCD 字段式驱动固件开发所需时间。