LCD基礎及S3C2410 LCD控制器

一、超薄平面顯示器時代來臨

電視機所采用的 CRT(陰極射線管)有著體積大、重量重、尺寸受限等缺點。隨著電子科技的發展，對移動顯示的要求越來越多，CRT 的先天限制，讓其小型化、行動化的理想受到阻礙。這使得開發新一代的顯示器技術變得更有其必要！ 新一代的顯示器講求幾個重點：平面直角，畫面顯示不變形、輕薄短小耗能少，攜帶方便且同時要與現有的影像信號技術兼容。目前談論到超薄型顯示器技術，最普及當是 TFT LCD 的應用了，舉凡數字相機、筆記型計算機、PDA 等，需要顯示復雜信息的電子產品通通少不了它。TFT LCD 技術又包含了，低溫多硅晶TFT LCD、反射式TFT LCD 等，多項不同的顯示技術，下面我們就要來一探 LCD 的歷史與原理。

二、液晶的發明與發現
液晶的誕生來自于一項非常特殊物質的發現，早在 1850 年 Virchow, Mettenheimer 和 Valentin 這三個人就發現 nerve fibre 的粹取物中含有這種不尋常的東西。到了 1877 年德國物理學家 Otto Lehmann 運用偏極化的顯微鏡首次觀測到了液晶化的現象，但他對此一現象的成因并不了解。直到公元1888年，奧地利的植物學家 Friedrich Reinitzer（1857-1927）發現了螺旋性甲苯酸鹽的化合物（cholesteryl benzoate），確認了這種化合物在加熱時具有兩個不同溫度的熔點，在這兩個不同的溫度點中，其狀態介于一般液態與固態物質之間，類似膠狀，但在某一溫度范圍內其又具有液體和結晶雙方性質，由于其特殊的狀態。Reinitzer 后來走訪 Lehmann 深入探討這種物質的表現，其后兩人便命名這種物質為「Liquid Crystal」，就是液態結晶物質的意思。Reinitzer 和 Lehmann 這兩人被譽為液晶之父。

同 CRT 陰極射線管一樣，液晶雖早在1888年就被發現（實際上，但是實際應用在生活周遭時，已是80年后的事了。因為液晶在兩次大戰中對軍事用途的幫助不大，以致于 其發展落后 CRT 甚多。比較重要的是 1922 年 Oseen 和 Z?cher 這兩位科學家為液晶確立狀態變化之方程式。一直到了 1968年美國RCA公司工程師們利用液晶分子受到電壓的影響而改變其分子的排列狀態，并且可以讓入射光線產生偏轉的現象之原理，制造了世界第一臺使用液晶顯示的屏幕。由此開始，加上了1970年代日本 SONY 與 Sharp 兩家公司對液晶顯示技術全面開發與應用，讓液晶顯示器成功的融入現代的電子產品之中。

描述液晶的物理性質，必須先了解一般固態晶體具有方向性，而液態晶體這種特殊物質，不但具有一般固體晶體的方向性外，同時又具有液體的流動性。改變固態晶體方向必須旋轉整個晶體，改變液態晶體就不用那幺麻煩，它的方向性可經由電場或磁場來控制。
改變液晶的方向視液晶的成分而有所不同，有的液晶和電場平行時位能較低，所以當外加電場時會朝著電場方向轉動，相對的，也有液晶是對應電場垂直時位能較低。由于液晶對于外加力量（電場或磁場敏感），從而呈現了方向性的效果，也導致了當光線入射液晶中時，必然會按照液晶分子的排列方式行進，產生了自然的偏轉現像（見圖3-1）。

圖3-1

部分液晶分子的電子結構中，有著很強的電子共軛運動能力，所以當液晶分子受到外加電場的作用，便很容易的被極化產生感應偶極性（induced dipolar），這也是液晶分子之間互相作用力量的來源。而一般電子產品中所用的液晶顯示器，就是是利用液晶的光電效應，藉由外部的電壓控制，再透過液晶分子的折射特性，以及對光線的旋轉能力來獲得亮暗情況，進而達到顯像的目的。



電源關閉時，液晶具有偏光效果
可將入射光線轉彎，穿過極柵，呈現亮色


電源開啟時液晶不具有偏光的功能
因此光線不能通過極柵呈現暗色


三、液晶顯示器的種類
利用液晶制成的顯示器稱為液晶顯示器，英文稱 LCD（Liquid Crystal Display）。其種類可分為依驅動方式之靜態驅動（Static）、單純矩陣驅動（Simple Matrix）以及主動矩陣驅動（Active Matrix）三種。而其中，單純矩陣型又是俗稱的被動式（Passive），可分為扭轉向列型（Twisted Nematic，簡稱 TN）和超扭轉式向列型（Super Twisted Nematic，簡稱STN）兩種；而主動矩陣型則以薄膜式晶體管型（Thin Film Transistor；TFT）為目前主流。

TN型
TN型液晶顯示技術可說是液晶顯示器中最基本的，其它種類的液晶顯示器也可說是以TN型為藍本加以改良。同樣的，它的運作原理也較其它技術來的簡單。TN 的構造包括了垂直方向與水平方向的偏光板（Polarizer），其上具有細紋溝槽，中間夾雜液晶材料以及導電的玻璃基板（Glass）。

STN/DSTN
STN型的顯示原理也類似，不同的是TN型的液晶分子是將入射光旋轉90度，而STN則可將入射光旋轉180~270度。 單純的 TN 顯示器本身只有明暗兩種顯示（或黑白），無法產生色彩的變化。TN LCD 采用的是“直接驅動”無法顯示較多的像素，且畫面的對比小，反應速度慢，視角更僅在+30度以下(即觀賞角度約60度)，顯示質量也較差；故TN型LCD主要用途在于簡單的數字符與文字的顯示，如：電子表及電子計算器等。 STN的出現改善了視角狹小的缺點并提高對比率，STN以“多任務驅動”增加掃瞄線數提高畫素顯示，品質較TN來得高。再搭配彩色濾光片的使用，將單色顯示矩陣的任一像素（pixel）分成三個子像素（sub-pixel），分別透過彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色，再經由三原色比例之調和，可以顯示出逼近全彩模式的色彩。由于 STN 顯示的畫面色彩對比度仍只達30：1(對比愈小，畫面愈不清楚)；反應速度為150ms（毫秒），作為一般操作顯示接口尚可，但若要播放電影速度仍然不夠。

由于 STN 仍有不少缺點，后續的 DSTN則通過雙掃描方式來顯示，由于DSTN采用雙掃描技術，因此顯示效果相對STN來說，有大幅度提高。DSTN 反應速度可達到 100ms，但因它們都為“被動式驅動”，在電場反復改變電壓的過程中，每一像素的恢復過程都較慢，在屏幕畫面快速變化時，例如：顯示網球比賽的轉播，就會產生所謂的“拖尾”現象。特別是當網球選手擊球的那一瞬間，你就可以看到拖屏幕上出現“球跡尾”現象。不過，DSTN 價格便宜、功耗能低，一些 PDA 等，仍使用 DSTN 作為顯示裝置。

TFT
TN與STN型液晶顯示器都是使用場電壓驅動方式，如果顯示尺寸加大，中心部位對電極變化的反應時間就會拉長，顯示器的速度就跟不上。 為了改善這個的問題，主動式矩陣（active-matrix ）驅動被提出，主動式 TFT型的液晶顯示器的結構較為復雜包括了：背光管、導光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料和薄模式晶體管等等（如圖3-2）。在TFT型液晶顯器中，導電玻璃上畫上網狀的細小線路，電極則由是薄膜式晶體管所排列而成的矩陣開關，在每個線路相交的地方配有控制閘，各顯示點控制閘配合驅動訊號作動。電極上之晶體管矩陣依顯示訊號開啟或關閉液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉向而成“亮”或“暗”的對比，避免了顯示器對電場效應的依靠，轉以晶體管開啟和關閉的速率作為決定步驟。 也因此，TFT-LCD 的顯示質量較 TN/STN佳，畫面顯示對比可達150：1以上，反應速度逼近 30ms 甚至更快。同時又可以全彩甚至真彩效果顯示，產品適用于PDA、筆記型計算機、液晶顯示器、汽車導航系統、數字相機及液晶投影機。





圖3-2

下面的表格對TN、STN、TFT的各自特性做了對比

TN、STN及TFT型液晶顯示器之比較表

類別TNSTNTFT
原理液晶分子，扭轉90度扭轉180~270度液晶分子，扭轉90度
特性黑白、單色低對比黑白、彩色,低對比 彩色（1667萬色）高對比
全色彩化否否可媲美CRT之全彩色
動畫顯示否否可媲美CRT
視角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、液晶顯示器的發展與未來
TFT LCD 之所以成功，在于其每個像素后面都配置一個晶體管開關作為控制整合之用，以致于整個 TFT LCD 看起來就類似一個大型整合電路。由于 TFT LCD 必須將畫素作得非常小，讓人眼只能看到畫面，分辨不出畫素，所以 TFT LCD 的生產工藝就相當精密。過去，因為技術尚未成熟，在一大片的 TFT LCD 當中難免有些節點，無法連接或連接錯誤，導致無法顯示正確畫素，這些統稱“壞點”，包含常見的“紅、藍、綠點”無法自行控制、“黑、白點”無法使用等。目前高精密的技術已經足以克服 TFT LCD 在生產過程中產生“壞點”的機率，部分“壞點”也可通過“暗點化”（人類的眼睛對于暗畫素不敏感）將其消隱。

由于 TFT-LCD 成功的解決 CRT 的缺點，連帶的使其應用范圍加廣范！同時，也發生了一些意想不到的問題，例如：在陽光下 TFT LCD 顯示不佳，需要倚靠遮光罩或透光式設計減少反光的發生，才能將其看得清楚。另外，也有利用特殊鍍膜技術，減少背景光泄漏、增加屏幕黑度、提高對比度的作用，并可以同時減小在日常明亮工作環境下的眩光現象。

五、S3C2410內置LCD控制器詳解

一塊LCD屏顯示圖像，不但需要LCD驅動器，還需要有相應的LCD控制器。通常LCD驅動器會以COF/COG的形式與LCD 玻璃基板制做在一起，而LCD控制器則有外部電路來實現。而S3C2410內部已經集成了LCD控制器，因此可以很方便地去控制各種類型的LCD屏，例如：STN和TFT屏。由于TFT屏將是今后應用的主流，因此接下來，重點圍繞TFT屏的控制來進行。
S3C2410 LCD控制器的特性：

STN屏
－支持3種掃描方式：4bit單掃、4位雙掃和8位單掃
－支持單色、4級灰度和16級灰度屏
－支持256色和4096色彩色STN屏（CSTN）
－支持分辯率為640*480、320*240、160*160以及其它規格的多種LCD

TFT屏
－支持單色、4級灰度、256色的調色板顯示模式
－支持64K和16M色非調色板顯示模式
－支持分辯率為640*480，320*240及其它多種規格的LCD
對于控制TFT屏來說，除了要給它送視頻資料（VD[23:0]）以外，還有以下一些信號是必不可少的，分別是：
VSYNC（VFRAME） ：幀同步信號
HSYNC（VLINE） ：行同步信號
VCLK ：像數時鐘信號
VDEN（VM） ：數據有效標志信號
圖3-3是S3C2410內部的LCD控制器的邏輯示意圖：


圖3-3
REGBANK 是LCD控制器的寄存器組，用來對LCD控制器的各項參數進行設置。而 LCDCDMA 則是LCD控制器專用的DMA信道，負責將視頻資料從系統總線（System Bus）上取來，通過 VIDPRCS 從VD[23:0]發送給LCD屏。同時 TIMEGEN 和 LPC3600 負責產生 LCD屏所需要的控制時序，例如VSYNC、HSYNC、VCLK、VDEN，然后從 VIDEO MUX 送給LCD屏。

TFT屏時序分析

圖3-4是TFT屏的典型時序。其中VSYNC是幀同步信號，VSYNC每發出1個脈沖，都意味著新的1屏視頻資料開始發送。而HSYNC為行同步信號，每個HSYNC脈沖都表明新的1行視頻資料開始發送。而VDEN則用來標明視頻資料的有效，VCLK是用來鎖存視頻資料的像數時鐘。
并且在幀同步以及行同步的頭尾都必須留有回掃時間，例如對于VSYNC來說前回掃時間就是（VSPW+1）＋（VBPD+1），后回掃時間就是（VFPD+1）；HSYNC亦類同。這樣的時序要求是當初CRT顯示器由于電子槍偏轉需要時間，但后來成了實際上的工業標準，乃至于后來出現的TFT屏為了在時序上于CRT兼容，也采用了這樣的控制時序。




圖3-4
YFARM9-EDU-1采用的是Samsung公司的1款3.5寸TFT真彩LCD屏，分辯率為240*320，下圖為該屏的時序要求。

圖3-5


通過對比圖3-4和圖3-5，我們不難看出：
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
以上各參數，除了LINVAL和HOZVAL直接和屏的分辯率有關，其它的參數在實際操作過程中應以上面的為參考，不應偏差太多。
LCD控制器主要寄存器功能詳解
(1)LCDCON1



LINECNT ：當前行掃描計數器值，標明當前掃描到了多少行
CLKVAL ：決定VCLK的分頻比。LCD控制器輸出的VCLK是直接由系統總線（AHB）的工作頻率HCLK直接分頻得到的。做為240*320的TFT屏，應保證得出的VCLK在5~10MHz之間
MMODE ：VM信號的觸發模式（僅對STN屏有效，對TFT屏無意義）
PNRMODE ：選擇當前的顯示模式，對于TFT屏而言，應選擇[11]，即TFT LCD panel
BPPMODE ：選擇色彩模式，對于真彩顯示而言，選擇16bpp（64K色）即可滿足要求
ENVID ：使能LCD信號輸出


VBPD ， LINEVAL ， VFPD ， VSPW 的各項含義已經在前面的時序圖中得到體現，這里不再贅述。

HBPD ， HOZVAL ， HFPD 的各項含義已經在前面的時序圖中得到體現，這里不再贅述。

HSPW 的含義已經在前面的時序圖中得到體現，這里不再贅述。
MVAL 只對 STN屏有效，對TFT屏無意義。

深圳遠峰原創，轉載請注明出處。（21IC）