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人机界面中的LCD控制驱动与接口设计
摘要：介绍LCD的控制驱动及基与MCU接口的特点；详细阐述嵌入式系统人机界面中各种常见LCD的控制驱动与MCU接口设计，以及一些基础LCD外围电路设计。关键词：LCDMCU接口控制驱动电路设计液晶显示，稳定可靠、成本低、功耗小、控制驱动方便、接口简单易用、模块化结构紧凑，在嵌入式系统中作为人机界面获得了广泛的应用。近年来，国内许多厂商，如紫晶、冀雅、晶华、信利、蓬远等已经能够满足各种定制液晶显示的需求；很多著名半导体厂商，如Hitachi、SeikoEpson、Toshiba、Holtek、Solomon、Samsung等相继推出了许多控制驱动器件。本文以现有的控制驱动器件和液晶显示器如何构成各种结构紧凑、成本低廉、简单易用、性能优良的嵌入式人机界面的设计进行综合阐述。1液晶显示及其控制驱动与接口概述液晶显示LCD（LiquidCrystalDisplay），是利用液晶材料在电场作用下发生位置变化而遮蔽/通透光线的性能制作成为一种重要平板显示器件。通常使用的LCD器件有TN型（TwistNematic，扭曲向列型液晶）、STN型（SuperTN，超扭曲向列型液晶）和TFT型（ThinFilmTransistor，薄膜晶体管型液晶）。TN、STN、TFT型液晶，性能依次增强，制作成本也随之增加。TN和STN型常用作单色LCD。STN型可以设计成单色多级灰度LCD和伪彩色LCD，TFT型常用作真彩色LCD。TN和STN型LCD，不能做成大面积LCD，其颜色数在218种以下。218种颜色以下的称为伪色彩，218种及其以上颜色的称为真彩色。TFT型可以实现大面积LCD真彩显示，其像素点可以做成0.3mm左右。TFT-LCD技术日趋成熟，长期困扰的难题已获解决：视角达170°，亮度达500cd/m2(500尼特)，显示器尺寸达101.6cm(40in)，变化速度达60帧/s。进行LCD设计主要是LCD的控制/驱动和外界的接口设计。控制主要是通过接口与外界通信、管理内/外显示RAM，控制驱动器，分配显示数据；驱动主要是根据控制器要求，驱动LCD进行显示。控制器还常含有内部ASCII字符库，或可外扩的大容量汉字库。小规模LCD设计，常选用一体化控制/驱动器；中大规模的LCD设计，常选用若干个控制器、驱动器，并外扩适当的显示RAM、自制字符RAM或ROM字库。控制与驱动器大多采用低压微功耗器件。与外界的接口主要用于LCD控制，通常是可连接单片机MCU的8/16位PPI并口或若干控制线的SPI串口。显示RAM除部分Samsung器件需用自刷新动态SDRAM外，大多公司器件都用静态SRAM。嵌入式人机界面中常用的LCD类型及其典型控制/驱动器件与接口如下：
段式LCD，如HT1621（控/驱）、128点显示、4线SPI接口；字符型LCD，如HD44780U（控/驱）、2行×8字符显示、4/8位PPI接口；单色点阵LCD，如SED1520（控/驱）、61段×16行点阵显示、8位PPI接口，又如T6863（控）+T6A39（列驱+T6A40（行驱）、640×64点双屏显示、8位PPI接口；
灰度点阵LCD，如HD66421（控/驱）、160×100点单色4级灰度显示、8位PPI接口；伪彩点阵LCD，如SSD1780（控/驱）、104RGB×80点显示、8位PPI或3/4线SPI接口；真彩色点阵LCD，如HD66772（控/源驱）+HD66774（栅驱）、176RGB×240点显示、8/9/16/18位PPI接口、6/16/18动画接口、同步串行接口；视频变换LCD，如HD66840（CRT-RGB→CD-RGB）、720×512点显示、单色/8级灰度/8级颜色/4位PPI接口。控制驱动器件的供电电路、驱动的偏压电路、背光电路、振荡电路等构成LCD控制驱动的基本电路。它是LCD显示的基础。
LCD与其控制驱动、接口、基本电路一起构成LCM（LiquidCrystalModule,LCD模块）。常规嵌入式系统设计，多使用现成的LCM做人机界面；现代嵌入式系统设计，常把LCD及其控制驱动器件、基本电路直接做入系统。本体考虑、既结构紧凑，又降低成本，并且有昨于减少功耗、实现产品小型化。控制LCD显示，常采用单片机MCU，通过LCD部分的PPI或SPI接口，按照LCD控制器的若干条的协议指令执行。MCU的LCD程序一般包括初始化程序、管理程序和数据传输程序。大多数LCD控制驱动器厂商都随器件提供有汇编或C语言的例程资料，十分方便程序编制。
2常见LCD的控制驱动与接口设计2.1段式LCD的控制驱动与接口设计段式LCD用于显示段形数字或固定形状的符号，广泛用作计数、计时、状态指示等。普遍使用的控制驱动器件是Holtek的HT1621，它内含与LCD显示点一一对应的显存、振荡电路，低压低功耗，4线串行MCU连接，8条控制/传输指令，可进行32段×4行=128点控制显示，显示对比度可外部调整，可编程选择偏压、占空比等驱动性能。HT1621控制驱动LCD及其MCU接口如图1所示。2．2字符型LCD的控制驱动与接口设计字符型LCD用于显示5×8等点阵字符，广泛用作工业测量仪表仪器。常用的控制驱动器件有：Hitachi的HD44780U、Novatek的NT3881D、Samsung的KS0066、Sunplus的SPLC78A01等。HD44780U使用最普遍。它内嵌与LCD显示点一一对应的显存SRAM、ASCII码等的字符库CGROM和自制字符存储器CGRAM，可显示1～行每行8个5～8点阵字符或相应规模的5×10点阵字符，其内振荡电路附加外部阻容RC可直接构成振荡器。HD44780U具有可直接连接68XXMCU的4/8位PPI接口，9条控制/传输指令，显示对比度可外部调整。HD44780U连接80XXMCU时有直接连接和间接连接两种方式：直接连接需外部逻辑变换接口控制信号，而无需特别操作程序；间接连接将控制信号接在MCU的I/O口上，需特别编制访问程序。HD44780U控制驱动LCD及其与80XXMCU的接口如图2所示。
2．3单色点阵型LCD的控制驱动与接口设计单色点阵型LCD用作图形或图形文本混合显示，广泛用于移动通信、工业监视、PDA产品中。小面积LCD常采用单片集成控制驱动器件，如SeikoEpson的SED1520，可实现61列×16行点阵显示；中等面积LCD常采用单片控制/列驱动器件与单片机驱动器件，如Hitachi的HD61202U（控/列驱）、HD61203（行驱），可实现64×64点阵显示；较大面积LCD常采用“控制器+显示+列驱动器+行驱动器”形式，如Toshiba的T6963C（控）、T5565（显存）、T6A39（列驱）、T6A40（行驱），可实现640×128点阵显示。这些驱动器常需12～18V负电源实现偏置与调整对比度。控制器件大多可以外接阻容RC构成振荡器或外接振荡器或外引时钟。显存中的每一位与LCD显示点一一对应。需要文字显示时，简单字符可直接全长集成在控制器内的ASCII字库，汉字或自制字符显示可在控制器外扩展大容量的字库CGROM或自制字库CGRAM。控制接口通常是8位PPI的64XX或80XXMCU接口（与MCU的连接也存在直接连接和间接连接两种形式），7～13条控制/传输指令，可实现点线圆等绘图功能。控制器T6963C、HD61830、SED1335等可以实现单双屏LCD控制。这是适应移动通信显示的结果。实质上是平分显存并分别对应两个LCD屏。编制传输数据程序时，要注意结合显存的特点适当变换数据形式，如SED1520显存中的8位数据是反竖排的，HD61202显存中的数据是竖排的。图3是SeikoEpson的SED1335控制器，外扩显存SRAM、自制字库SGRAM、大容量汉字库CGROM，与列驱动器SED1606、行驱动器SED1635组成的LCD及其80XXMCU接口的构成框图，可以实现640×56单色点阵LCD显示。
2．4灰度点阵型LCD的控制驱动与接口设计小型测控系统和低成本手持设备中大量使用灰度点阵型LCD。这种LCD使用的控制器的显存中每n位对应一个LCD显示点，整个LCD实现的灰度等级就是2n。Hitachi的HD66421就是一款常用的经济型灰度点阵LCD控制驱动器。单片HD66421外加少许阻容器件即可实现22级160列×100行点的LCD灰度显示，并更使用HD66421可实现更大面积的LCD显示。HD66421嵌有160×100×2位显存，具有8位PPI接口，可直接连接80XXMCU，8条控制/传输指令，可编程变化驱动特性及其调整灰度类型。HD66421需外接一个电阻R构成体系振荡电路，需负电源实现偏压。HD66421是高度集成器件，322脚封装，线路板PCB设计上有难度，应足够重视。HD66421控制驱动灰度点阵LCD及其与80XXMCU的接口如图4所示。2．5伪彩点阵型LCD的控制驱动与接口设计彩色LCD显示基于红R、绿G、蓝B三基色叠加原理，每个LCD像素点由三个RGB子像素点构成，分别由三个RGB色彩驱动。彩色LCD显示需要更大的显存，每个色彩有2n种颜色，就需占用n位显存。彩色LCD显示是LCD升级换代的必然结果。伪彩显示常使用廉价的STN型LCD，多用于移动通信、PDA等产品中。SolomonSystech的SSD1780是一款典型的单片高度集成的伪彩点阵型LCD控制驱动器件。其内含312×81×4位的图型数据显存GDDRAM、477kHz的振荡电路、集成偏压电路和DC-DC电路；具有8位PPI接口（可直接连接80/68XXMCU）与3/4线SPI串行接口，36条控制/传输指令。外加几个电容器件，SSD1780就可控制驱动104RGB×81点彩色STN型LCD，展示23n=4096种颜色。SSD1780是627脚封装，线路板PCB设计难度更大，须认真对待。SSD1
780控制驱动伪彩STN型点阵LCD及其与80XXMCU的接口如图5所示。
2．6真彩色点阵LCD的控制驱动与接口设计现代高档PDA、家电、显示墙等越来越多地应用了真彩点阵LCD显示技术。LCD真彩显示的颜色种数在218以上，与伪彩显示相比，需要更大的显存和更高的控制驱动技术，且需达到高速动画。LCD真彩显示使用TFT型LCD，主动点阵显示，需要采用源极驱动器（sourcedriver）和栅极驱动器（gatedriver）去控制LCD场效应晶体管FET的源极与栅极。源极驱动器接收显示数据驱动LCD列显示，也称为数据驱动器（datadriver），栅极驱动器控制逐行扫描。Hitachi的HD66772系列真彩LCD控制驱动器件，是嵌入式人机界面设计中表现丰富多彩世界的理想选择，可以实现176RGB×240点218色高速动画TFT点阵显示。该系列器件包括HD66772、HD66774、DH66775和HD667D01。HD66772是内嵌95KB显存的控制器与176RGB段的源极驱动器，HD66774是内含驱动电源的240行栅极驱动器，HD77665仅是120行栅极驱动器，HD776P01是驱动电源器件，HD66772具有与80XXMCU直接连接的8/16位PPI接口、6/16/18位动画接口和同步串行接口。使用HD66772系列器件，控制驱动176RGB×240点TFT型LCD真彩显示，有两种方案：①1片HD66772+1片HD66774；②1片HD66772+2片HD66775+1片HD667P01。前者结构紧凑，后者比较经济。图6给出了前一方案的LCD控制驱动连接与16位MCU接口的框图。2．7视频变换LCD的控制驱动与接口设计在工业控制与嵌入式控制系统中，有很多LCD视频驱动设计。这种设计，常常需要选取专用器件，变换视频信号，控制驱动LCD，进行动画显示，以实现产品的兼容性并扩大产品性能。Hitachi的HD66480F就是这样的一款典型器件。它可以方便地从计算机的视频接口中取出CRT信号通过视频变换直接驱动黑白或者LCD，使CRT型显示器上的显示内容同时出现在LCD屏上。HD66840F可以控制驱动最大720×512点LCD，做到单色=9级灰度或8级彩色显示。HD66840具有4位受控接口，可以直接连接8位MCU实现视频显示环境设置。使用HD66840F，需要外扩8位的RGB显示缓存SRAM。图7说明了使用HD66840F外扩显示缓存HM6264，在8位80XXMCU控制下，变换CRT信号，控制驱动HD66772彩色点阵LCD动画显示的设计框图。3LCD控制驱动的基础电路设计3.1基本电源电路的设计LCD控制驱动器件的基本电源电压一般在1.8～5.5V,现代嵌入式系统设计讲求低压微耗，多使用1.8V、2.5V、3.0V或3.3V器件。上文所述所有器件工作状态功耗都在几至几十mW以下，都可以工作在1.8～3.6V的电压范围内。选用并设计功率适当与电压稳定的电源电路十分重要。很多半导体厂商生产各种类型的系列微功耗高性能电源器件，如Torex的XC6203系列、Richtek的RT9168/A系列电压调整器，AME的AME8800系列、AME8811系列降压器，OnSomlconductor的NCP1400A系列、Maxim的MAX1795系列升压器，等等。这些器件，提供的输出电压可以是1.5～5V间的任一值，±1.2%～±2.5%的精度，最大输出电流在100～500mA。选用这些器件，外配几支阻容感器或肖基特二极管件，就可设计出适合LCD控制驱动器件的基本电源电路。图8是为HD66421设计的电源供给电路，非常简洁。3．2驱动器偏压电路设计图形点阵LCD驱动常常常需要驱动偏置网络和负电源实现偏压。偏置网络可以按驱动器厂商推荐的阻容值配置，负电源可以选取适当的负压器件实现，常用负电源产生的办法有：有用79系列三端集成稳压器，如使用LM7918可得到-18V负压源；采用DC-DCIC制作，如Maxim的MAX749、MAX680、MAX1860/1861，Motorola的MC34063A等。图9是用MC34063A设计的-12V负电源电路。3．3背光电路设计LCD背光，通常有LED、EL（场致发光）和CCFL（冷阻极灯）等背光形式。字符型或中小点阵LCD，多使用LED或EL背光，LED以黄色（红绿色调）为主，一般为4.2V驱动；EL以黄绿色（红绿白色调）为主，一般为1W、400～800Hz、70～120V的交流驱动。中大点阵STN型与TFT型LCD，多为白色（红绿蓝色调）CCFL背光，一般为25kHz～100kHz、300V以上交流驱动。EL与CCFL背光电路，可用IC器件搭建，也可用成品模块。IC器件搭建背光电路，如IMP的IMP525/562/803，配合少许阻容感器件，构成EL背光电路，如图10所示；Maxim的MAX1635配合变压器构成EL背光电路；Maxim的MAX1610、Linear的1182或TI的Vcc3972与变压器件搭建CCEL背光电路。成品背光模块，如森宝的VET-N1210-01CCEL模块、精电逢远的PYE系列EL/CCEL模块。用IC器件搭建背光电路，可以紧凑设计结构并降低成本，常常在嵌入式系统设计中采用。
3．4振荡电路设计大多数LCD控制驱动器，即具有内部振荡器又可外接振荡器或外引时钟，应用时择其一即可，非常方便设计。为简化外围电路设计，经常选用控制驱动器的内部振荡器件为时钟源。这种情况下，不少控制驱动器件常常要求外接一些阻容RC器件，按照器件指南的说明配置即可。结语以上详细阐述了LCD控制驱动及其MCU接口设计的特征和常见各种类型的具体设计，并说明了其基础电路设计。把这些规律应用在嵌入式人机界面设计中，一定能够制造出结构更加紧凑、性能更加稳定可靠、成本更加低廉的LCD界面来。
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