選擇最合適的LCD控制方法
摘要： 使用電流泵和梯形電阻的模擬LCD控制標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在半導(dǎo)體行業(yè)存在20多年了,，新一代數(shù)字控制方法將會(huì)證明其是一個(gè)可行的替代方案,，因?yàn)樗鼈儗?shí)現(xiàn)的尺寸小，功耗低,。
Abstract：
Key words :
摘要
LCD（很多種）已經(jīng)使用30多年了,，其驅(qū)動(dòng)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(jìn)步以及對(duì)密度調(diào)制新的認(rèn)識(shí)，使得可以有新的數(shù)字方法,，其可以升級(jí)到芯片過程,，可以有更具成本效益的設(shè)計(jì)。這篇文章將會(huì)介紹傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式,，將介紹兩種只需要數(shù)字信號(hào)來驅(qū)動(dòng)LCD的方法,。第一種方法依賴于不同頻率信號(hào)的相關(guān)與不相關(guān)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(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng),。我們會(huì)介紹這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),，如識(shí)別率、供電電壓的開關(guān)電壓極限,，將會(huì)介紹多種電平,，多種類型。我們還會(huì)示范三種常用的類型,。
傳統(tǒng)上,，LCD控制在微控制器中已經(jīng)完成,，主要通過兩種不同方式，但只要是模擬方式實(shí)現(xiàn),。這些實(shí)現(xiàn)方式包括一個(gè)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(gè)很大的分壓器，在這里可以獲得多個(gè)電平,，然后在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間集合到適當(dāng)?shù)腉PIO,，從而產(chǎn)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(shí)現(xiàn),，在功耗與圖象顯示品質(zhì)上都很有效。
LCD是一種理想的電容負(fù)載,。通過選擇一個(gè)很大的電阻,，由于電容負(fù)載不斷的充放電，所以會(huì)產(chǎn)生失真波形,。這可能導(dǎo)致生成不恰當(dāng)?shù)腖CD控制波形,，這會(huì)影響LCD的顯示，因?yàn)槟承﹕egment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(jià)是增加了功耗,。關(guān)鍵是要找到節(jié)能和LCD控制波形完整性之間的平衡點(diǎn),。此外，實(shí)施LCD驅(qū)動(dòng)模擬子系統(tǒng)需要的成本會(huì)變得非常昂貴（由于片內(nèi)子系統(tǒng)尺寸）,。以PSoC 3控制器為例,， LCD架構(gòu)會(huì)占用大約~350k平方微米。
當(dāng)模擬LCD系統(tǒng)主導(dǎo)市場(chǎng)時(shí),，與新技術(shù)和LCD背后的制造過程相匹配的密度調(diào)制理解的增長,，使得需要有一個(gè)有效驅(qū)動(dòng)LCD的新方法。例如,，純數(shù)字LCD控制技術(shù)可應(yīng)用于產(chǎn)生LCD控制信號(hào),，當(dāng)察看LCD時(shí)，不能和模擬方法區(qū)分開來,。與此同時(shí),，數(shù)字方式還可提供額外的好處。有兩個(gè)不同但類似的實(shí)現(xiàn)方式,，包括數(shù)字相關(guān)和密度調(diào)制,。
原理
傳統(tǒng)上,，LCD電流泵或電阻分壓器可以產(chǎn)生多個(gè)偏置電壓，如而產(chǎn)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(shù)取決于期望的偏置電平,。偏置是適用于LCD的電壓臺(tái)階數(shù)目。精確的數(shù)目依賴于Mux比率,，即LCD中common數(shù)目的倒數(shù),。例如，一個(gè)4common的LCD mux比率是1/4,。然后使用這些多重電壓來保持適當(dāng)?shù)碾娖?，以保持某段的開或關(guān)。每common所需的偏置數(shù)量可以通過方程1計(jì)算出來,。
方程1
這種方法的優(yōu)勢(shì)是可以產(chǎn)生高識(shí)別率,，但它會(huì)造成潛在的功耗成本和芯片實(shí)現(xiàn)成本的提高。使用數(shù)字相關(guān)技術(shù),，不是使用多個(gè)模擬電平,，而是使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯電平， LCD控制波形在合適的時(shí)候在Vdd和地之間切換,。這種方法有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì),。首先，使用這種技術(shù),，可以用非常有限的硬件實(shí)現(xiàn)（如定時(shí)器或PWM),，使用DMA或微控制器控制固件和ISR。目前市場(chǎng)上可用的微控制器和FPGA具備實(shí)現(xiàn)這種控制技術(shù)所需的資源,。這種方法的第二個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是，這種實(shí)現(xiàn)也可以很容易地在低功率模式下使控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)LCD,。當(dāng)器件由定時(shí)器ISR觸發(fā)喚醒開始下一楨時(shí),，控制器件只需要調(diào)整GPIO到邏輯高電平或低電平，然后返回低功率模式,。GPIO將會(huì)保持進(jìn)入低功耗模式時(shí)的引腳狀態(tài),，因此在低電源模式不需要大量的內(nèi)部部件處于active。由于數(shù)字相關(guān)的LCD控制所需的管理步驟很簡單,，active模式需要的時(shí)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(shù)字相關(guān)控制波形的一個(gè)例子,，見圖2,。
圖2 數(shù)字相關(guān)控制波形
控制波形是這樣產(chǎn)生的，選中底板(common)時(shí)是segment波形相關(guān)信號(hào),，不選是不相關(guān)信號(hào),。在子楨周期結(jié)束的時(shí)候,，實(shí)現(xiàn)停滯狀態(tài)。與傳統(tǒng)的模擬方法不同,，可以用DAC產(chǎn)生各種偏置水平,，需要調(diào)整LCD RMS的電壓來產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拈_關(guān)電平。由于經(jīng)過segment的電壓與的segment and common(Seg-Com)的電壓不同,，通過驅(qū)動(dòng)這兩條線到相同的電平,， 5 V或0 V，就會(huì)產(chǎn)生一段時(shí)間的0 V,，從而影響到經(jīng)過segment的RMS電壓,。LCD的每一segment都有一個(gè)Von和Voff閾值電平。這些閾值電平可以通過下列方程計(jì)算,，這里“ d”代表停滯狀態(tài)數(shù)目,，“ n ”代表common數(shù)。
方程2
方程3
識(shí)別率是很重要的參數(shù),，其定義為VRMS(On) 和VRMS(Off)之間的比率,。其差距較大，將會(huì)顯示越多的定義了的開關(guān)segment,。如果這兩個(gè)參數(shù)太接近,，它就很難區(qū)分開和關(guān)的segment。計(jì)算數(shù)字相關(guān)識(shí)別率的方程如下,。
方程4
從這個(gè)方程可以看出,，隨著LCD common數(shù)量的增加，識(shí)別率會(huì)降低,。在任何控制方法中識(shí)別率都是這樣的,。識(shí)別率并不像理想的模擬控制方法那么有效率，不過對(duì)于當(dāng)今的4common LCD來說已經(jīng)足夠了,。
使用密度調(diào)制,，由系統(tǒng)內(nèi)PWM組成，可以產(chǎn)生類似傳統(tǒng)模擬方法的波形,。理想情況下,，LCD模型是一個(gè)電容。然而,，由于LCD玻璃的固有特性,， LCD模型更像一個(gè)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(shù),，LCD的濾波器特性可用于生產(chǎn)直流電壓。通過這種方法，產(chǎn)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(shì)是成本,。由于是數(shù)字硬件來產(chǎn)生波形，數(shù)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(shù)字系統(tǒng)，估計(jì)這個(gè)數(shù)字會(huì)降低到大約5.5 k平方微米,。實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)比相應(yīng)模擬器件來說還會(huì)明顯減少芯片設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),。請(qǐng)注意，這一切隨之而來的代價(jià)是更高的功率消耗,，這是由于PWM需要更高速度的時(shí)鐘,。然而，在LCD管腳添加額外的外部電阻可以平衡這種實(shí)現(xiàn)的功耗,。
方程5
方程6
這種方法的識(shí)別率比數(shù)字相關(guān)更高,，可以產(chǎn)生更多的可定義的顯示，如方程7所示,。
方程7
實(shí)現(xiàn)
下面的工程范例是使用PSoC 3/5在PSoC Creator環(huán)境中實(shí)現(xiàn)和配置的,。這個(gè)項(xiàng)目配置為可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字相關(guān)和密度調(diào)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(shù),，工程文件就可以實(shí)現(xiàn)任何LCD控制技術(shù)。有兩個(gè)主要的LCD控制部分,。第一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制排序,，如圖3所示。第二部分是引腳驅(qū)動(dòng)邏輯,，見圖4,，其獲得各種控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并用適當(dāng)?shù)倪壿嫿Y(jié)合來生產(chǎn)所需的驅(qū)動(dòng)波形,。
圖 3 數(shù)字LCD控制控制和驅(qū)動(dòng)排序
序列器是用來指示正在生成控制波形子幀,，同時(shí)決定波形信號(hào)是否需要倒置。這個(gè)模塊扮演了一個(gè)連續(xù)循環(huán)的狀態(tài)機(jī)角色,。一旦整個(gè)LCD波形產(chǎn)生，它會(huì)翻轉(zhuǎn)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(gè)序列器可以擴(kuò)展到多達(dá)16common,。
PWM的停滯狀態(tài)主要是用于控制差異，可以通過調(diào)整之前提到的RMS電壓實(shí)現(xiàn)。通過改變PWM停滯時(shí)間參數(shù),，將common 和segment驅(qū)動(dòng)為低的時(shí)間增加,，從而降低LCD控制的RMS電壓。
PWM偏置產(chǎn)生了兩個(gè)PWM信號(hào)：一個(gè)高電平信號(hào)和一個(gè)低電平信號(hào),。當(dāng)提到LCD為1/2,， 1/3，或1/4偏置時(shí),，指的是結(jié)合系統(tǒng)的高,、低電平產(chǎn)生所需的最終電平。
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