液晶显示器的控制电路

9.4.2　液晶显示器的控制电路

1.控制器的结构

液晶显示器控制器一般由接口系统、驱动系统、控制系统、数据处理系统以及指令系统组成。实际应用中，常常将控制与驱动合为一体，从而简化了液晶显示系统的控制驱动电路，使操作简便，但显示功能和显示规模却受到了限制，控制能力局限于小规模的液晶显示模块内。液晶显示控制器将驱动器和显示存储器设计在液晶显示器显示模块之外增加了显示存储器的容量和液晶显示的控制能力，从而可以控制中、大规模的液晶显示模块，控制功能也更强。液晶显示器控制器的原理如图9-29所示。

图9-29　液晶显示器控制器的原理图

2.控制器的原理

（1）接口系统

液晶显示控制器的接口系统由指令寄存器/译码器、数据缓冲器、状态字寄存器以及相关逻辑电路组成，它用来接收计算机发出来的指令和数据，并向计算机反馈所需的数据信息。接口系统有两个通道，一个是指令通道即指令寄存器，它用来接收并存储计算机发来的指令代码，通过译码器将代码解译成逻辑符号，实现控制/设置功能；它还可以作为参数寄存器的地址，选通相应的参数寄存器；另一个是数据通道即数据缓冲器，它由数据输入寄存器和输出寄存器组成，数据输入寄存器用来接收计算机发来的指令参数和显示数据，数据输出寄存器用来将显示存储器的数据和可读参数寄存器的数据送到计算机的数据总线上，供计算机读取，两个通道的选择由RS端的电平控制。液晶显示控制器D₀～D₇为三态数据线，它们可以直接挂在计算机的总线上。当液晶显示控制器的选通片选信号CS=“1”时，数据线为高阻状态，当CS=“0”时，数据线打开。液晶显示控制器可以在两种时序中操作，在接口系统，它给出相应的操作信号输入端。一种为INTEL8080操作时序，接口系统提供了读操作信号RD和写操作信号WR；另一种为M6800操作时序，接口系统提供了读/写选择信号R/W和操作使能信号E。

可以看出，在INTEL 8080操作时序时，读、写操作在其负脉冲的上升沿处触发。M6800S操作时序读操作，是在使能信号E的高电平时触发，写操作是在使能信号E的下降沿处触发。读写选择信号有效时间要宽于使能信号E或与地址线有效时间相等。液晶显示控制器具有自己的工作时钟，不依附于计算机的系统时钟，这样液晶显示控制器挂在计算机总线上就有一个“握手”的问题。液晶显示控制器在接口系统设置了零状态寄存器，其中主要状态是“忙”标志，它表示当前液晶显示控制器的工作状态。当为“忙”时，液晶显示控制正在处理计算机发送来的指令或数据，此时接口系统被禁止接收计算机发来的任何数据；当不“忙”时，表明液晶显示控制器已准备好接收计算机的操作指令，接口系统开放，随时准备接收计算机的操作。接口系统实际上起着计算机与液晶显示控制器内部两种工作时钟的转换与缓冲的作用。

（2）驱动系统

时序发生器产生基础时钟提供给显示时序电路，显示时序电路产生显示时序脉冲序列提供给驱动系统，这些时序作为控制脉冲向液晶显示驱动系统输出，也作为显示数据传输的同步信号控制数据传输通道。驱动信号功能说明见表9-16。

表9-16　驱动系统驱动信号功能说明

显示数据输出有几种格式，以适配不同的驱动系统。显示数据格式说明见表9-17。

表9-17　显示数据格式说明

驱动系统的工作流程如下：

① 将第一行的显示数据经过并/串转换电路，转换成一定的传输格式输出给显示数据驱动输出端，在数据移位脉冲信号CP的作用下，将显示器数据传输给液晶显示驱动系统的列驱动器内。在第一行显示数据传输完成后，帧信号FLM置高电平，驱动系统输出数据锁存脉冲信号LP，将显示数据锁存到列驱动器的锁存器中，同时将FLM信号移入系统的行驱动器，从而实现第一行的显示操作。

② 在显示第一行的同时，第二行的显示数据在数据移位脉冲信号CP的作用下传输给液晶显示驱动系统。在第二行显示数据传输完成后，帧信号FLM置低电平，驱动系统输出数据锁存脉冲信号LP将显示数据锁存到驱动器的锁存器中，同时将FLM信号移入驱动系统的行驱动器，并且行驱动器内的数据也同时移位一次，从而实现第二行的显示操作。

③ 循环②完成一帧所有行的显示操作。

④ 重复①、②完成下一帧的显示操作。

（3）控制系统

控制系统是液晶显示控制器的核心，它通过OSC₁和OSC₂两端接入晶体振荡器或振荡因子，使振荡器产生工作时钟，时钟脉冲直接提供给时序发生器，生成控制时序和显示时序。控制时序将驱动逻辑电路管理和操作各功能电路，它负责存储器的管理与操作、字符发生器的操作、将参数寄存器的内容转换成相应的显示功能逻辑和将显示数据和指令参数传输到位。显示时序提供给显示时钟电路生成液晶显示驱动系统所需的驱动时序脉冲序列，实现显示数据向液晶显示驱动系统的传送。

控制系统操纵着显示功能，如文本显示方式、图形显示方式和图文合成显示方式等，这些功能由控制系统的参数寄存器的内容来决定。

控制系统控制着光标发生器的工作。光标发生器由光标形状寄存器、光标控制寄存器和光标地址计数器组成。光标形状寄存器设置了光标的大小，如水平占多少点，垂直占多少行；光标控制寄存器控制着光标的开关和闪烁；光标地址计数器指示光标出现在显示屏上的具体位置。

控制系统的字符发生器是把一组字符字模/数据，包括常用的数字、字母和专用字符约100余种固化在芯片中。这个字符为5×7点阵，加上间距1点，字符间距3点，在显示屏上的显示效果为8×8点阵字符。字符以单字节的形式编制。字符发生器可以被看成是2K的PROM，它的寻址范围为A₁₀～A₀。字符代码实际上可以被看成是字符发生器的高8位地址，低3位地址A₂～A₀由计数器提供。字模/数据是以8个字节为一组顺序排列的。当字符代码确定后，行计数器的8个字节加1，将8个字节的字模/数据依次取出送入驱动系统。

控制系统管理显示存储器。一般单色液晶控制器最大能管理64KB的显示存储器。控制系统能将16位地址线A₀～A₁₅和8位数据线VD₀～VD₇中的信号提供给显示存储器，而读操作信号、写操作信号和片选信号的容量一般都在512KB以上，有足够大的存储空间作为彩色数据存储使用。

（4）数据处理系统

液晶显示控制器的数据处理系统的主要功能是将计算机写到显示存储器的数据以某种形式作为显示数据给液晶显示驱动系统，这个功能的强弱决定了控制器性能的优劣。

① 显示存储器的分配

液晶显示控制器将显示存储器分为几个显示区域，每个区域有不同的性质，根据控制器的功能，显示存储器通常分为文本显示区、图形显示区和外部随机字符发生器，有的还把文本属性区单独分出来。

A.文本显示区用于文本显示方式。在此方式下，显示区单元内的数据被系统确认为是字符代码。一个字节的数据对应显示屏上的8×8点阵字符块。

B.文本属性区用于文本显示方式。此显示区单元内的数据被系统确认为是相应文本显示区单元所显示的字符的显示特征，如正向显示、负向显示和闪烁显示等。

C.图形显示区用于图形显示方式。在此方式下，显示区单元内的数据被系统确认为是显示屏上对应点的显示状态，如“1”表示显示，“0”表示不显示。一个字节的数据对应显示屏上8×1或1×8点阵。

D.外部随机字符发生器用于文本显示方式。外部随机字符发生器是对应于控制器内部字符发生器而言的，是内部字符发生器的补充。它是以单字代码形式排列字符的字模/数据库（8×8点阵），最大容量一般为2KB（256种8×8点阵字符字模）。它可以由计算机在工作中随时写入字符数据，然后向文本显示区写入这个字符的代码就可在显示屏上显示这个字符。

② 显示存储器的管理

对于显示存储器的分区管理由其控制系统中的若干参数寄存器控制。一组是显示区的16位“起始地址”寄存器ASAD，它确定了这个显示区的首地址，这个地址对应着显示屏左上角（HOME）的显示位；一个是“显示字节数/行”寄存器C/R，它决定了在某一行扫描时，控制器要向驱动系统传输多少字节的数据。当这几个寄存器的内容确定下来后，显示区各单元的地址与显示屏上显示位置的一一对应关系就确定了下来。

③ 文本显示方式的数据流

在文本显示方式下，文本显示区的数据为所要显示的字符代码。这个字符代码为字符发生器（内部的或外部）的高8位地址，指定了这个字符字模的首地址。系统的行计数器作为低3位地址，选择字符发生器中字模的各行数据单元。所以在文本显示方式下，把字符发生器的输出称为显示数据输出。

④ 图形显示方式的数据流

在图形显示方式下，图形显示区的数据为显示状态数据。在此方式下字符发生器被旁路。比如在显示屏第一点，每行以隔一点显示两点的形式显示，在扫描第一行时，系统从图形显示区的起始地址SAD单元开始依次取出显示数据送至液晶显示驱动系统，从而在显示屏上的第一点行上显示需要的效果，在扫描第二行时，控制系统将从图形显示区的SAD+C/R单元开始取出第二行的显示数据传输给液晶显示驱动系统……如此循环，控制系统将完成显示屏一帧的显示扫描工作。

⑤ 显示数据的合成

液晶显示控制器的显示功能中有一种合成显示功能，这种功能将文本显示方式的显示内容与图形显示方式的显示内容同时显示在显示屏上，称之为“图文并茂”。系统在显示数据传输给驱动系统的时候，首先将两个显示区的显示数据分别取出保存，然后根据设置好的逻辑合成关系将两个数据进行合成，产生一个合成的显示数据送入驱动系统后传输给液晶显示驱动系统显示。

⑥ 灰度显示数据的处理

灰度显示是利用液晶显示随着施加在液晶显示器件上的电压有效值的改变而亮度发生改变的特性来实现的。灰度控制的实现方法有两种，一种为幅值控制法，它将一个像素的显示数据位从1位扩展为多位，控制器将这些数据作为一个像素的数据传输给带有灰度控制的列驱动器内，然后这些位的数据在驱动器的电平选择电路上选择一种驱动电平输出给液晶显示器件，从而实现液晶显示的灰度控制。

另一种灰度控制方法为时间分割法。时间分割法是利用人眼在视觉上的惰性，将一定的显示时间周期分成几个状态段，在这几个状态段中显示与不显示状态交替出现，造成在一定的时间周期内施加在显示像素上的驱动电压的有效值不同，从视觉上看为显示的亮度不同，从而实现灰度显示的效果。这种方法由控制器或带有这种灰度控制电路的列驱动器来完成。

⑦ 彩色显示数据的处理

彩色显示数据的处理有两种，一种为颜色位面法，另一种为压缩像素法。这两种方法都应用于计算机的VGA显示上，这是液晶显示彩色数据的处理方法。

A.颜色位面法将显示存储器空间分割成4个独立的存储区，称为位面。4个位面分别为红色位面、绿色位面、蓝色位面和亮度位面，每个显示像素点都在各个位面上占有1位或几位，由4个位面上相对应的位组合成一个像素点的显示数据。颜色位面法是在VGA环境下液晶显示控制器管理显示存储器的方法之一。

B.压缩像素法将一个像素的彩色信息压缩成一个字或一个字节的显示数据存储在显示存储器内。彩色种类的多少将表现为彩色数据的位数多少。如一个像素的彩色数据用一个字节中的8位来表示，那么就可以显示256种色彩。压缩像素法是彩色液晶显示控制的主要方法。

⑧ 随机字符发生器CGRAM

液晶显示控制器将显示存储器划分出一部分作为随机字符发生器。字符体为8×8点阵，字符水平的8个点占一个字节位8位，垂直8行占8个字节位，一个字符的字模/数据共占8个字节。由于字符代码是以单字形式编制的，所以字符发生器最大容量为256×8=2KB，但显示存储器可以在64字节范围内任意寻址，所以控制系统设置了CGRAM编置地址寄存器。CGRAM编置地址寄存器为5位寄存器，它设置了显示存储器地址的高5位，即A₁₅～A₁₁。从而在显示存储器中划分出2KB的容量作为随机字符发生器。字符代码确定了随机字符发生器中这个字符字模/数据的首地址由A₁₀～A₃确定，而字模/数据的存取顺序则由地址A₂～A₀决定。在输入字模/数据时，A₂～A₀由显示存储器的地址指针确定；在显示用字模/数据时，A₂～A₀由控制系统的行计数器确定。

（5）指令系统

液晶显示控制器具有一套专用的指令系统。控制器通过指令代码的识别译码完成对内部逻辑电路的设置和对参数寄存器的设置。计算机通过向液晶显示控制器写入指令及其参数实现对其显示效果的控制，控制器的指令系统一般分为如下三大类：

① 工作方式设置类。此类指令包括：控制器的工作方式设置、显示存储器的划分等。如控制器工作参数的设置，各个显示区的首地址和区域宽度的设置，等等。这类指令通常在对控制器初始化的时候设置。

② 显示方式设置类。此类指令包括：显示状态、显示方式、显示合成方式和光标显示设置等。这类指令根据需要可以随时设置。

③ 数据操作类。此类指令包括：显示存储器地址指针的设置、地址指针修改规则的协调以及读、写显示数据的操作等。这类指令是最常用的。

3.控制器的应用实例

液晶显示控制器有很多种，此处以SED1335为例，介绍其电路原理及应用技术。SED1335的电路原理图，如图9-30所示。

图9-30　SED1335电路原理图

（1）控制系统

SED1335控制系统由振荡器电路、接口电路、行列驱动器及显示存储器等组成。振荡器电路产生SED1335的工作时钟，形成SED1335内部总线时钟脉冲序列。振荡器电路有两个外接晶体振荡器，它们分别是XD振荡器输入端接晶体振荡器或外部时钟发生器；XG振荡器输出端接晶体振荡器或在使用外部时钟发生器时浮空。SED1335可以工作在较高的时钟频率下，一般晶体振荡频率可以在1MHz～10MHz范围内选择。SED1335的逻辑电路在此脉冲的作用下，迅速接受计算机的访问，及时地处理显示数据，控制液晶显示驱动系统的工作。

SED1335具有休闲工作模式，在这个工作模式下，控制系统将中止包括振荡器在内的所有逻辑操作，置管理显示存储器的片选信号为高电平，以保护显示存储器内数据不受破坏。把驱动系统的列驱动器清零，置驱动电源控制信号YDIS为零，为驱动电源提供关闭信号，在此工作模式下SED1335的功耗最低。退出休闲工作模式需要系统初始化指令SYSTEM SET中参数P₁的再写入。

控制系统设计了若干种显示特性的实现电路。这些显示特性包括多个显示区按逻辑关系的合成显示、闪烁显示、显示点位移特性等，控制系统专门为它们配置了参数寄存器。

控制系统配置了液晶显示驱动用的参数寄存器，即点计数器。它是一组参数寄存器，包括：显示字符体宽度参数FX、显示字符高度参数FY、有效显示窗口长度参数C/R、驱动时序用的时间常数参数TC/R和显示扫描用的驱动系统的规模参数。

SED1335控制系统具管理显示存储器的能力。控制系统拥有一个内部字符发生器，具有160种5×7点阵字体的字符，能分区管理64KB的显示存储器，可以同时管理3个或4个显示区，并能管理自定义字符发生器。

显示区根据其数据的性质具有两种特性：

• 文本显示特性。

拥有这个特性的显示区专用于文本方式的显示。在这个显示区域内的数据均被认为是字符代码。这个字符代码作为字符发生器地址的一部分，实现对字符发生器的寻址，以取得相应的字符字模/数据，送至液晶显示驱动系统显示。

• 图形显示特性。

拥有这个特性的显示区专用于图形方式的显示。这个显示区内都拥有自己的显示特性。此显示区分为四个显示区，分别定义为第一显示区L₁、第二显示区L₂、第三显示区L₃和第四显示区L4。SED1335以第一显示区和第二显示区为主显示区，第三显示区和第四显示区为辅显示区。在控制单屏结构液晶显示驱动时，SED1335可以分别或同时使用第一、第二和第三显示区，在控制双屏结构液晶显示驱动时，SED1335需要组合使用第一、第二、第三和第四显示区。在此种情况下，第一、第二显示区仅管理显示屏上半屏的显示数据，第三、第四显示区管理显示屏下半屏的显示数据，并规定第一和第三显示区合二为一，第二和第四显示区合二为一控制全屏显示。

管理显示区有如下几个参数寄存器：

• 显示起始地址寄存器SAD。SAD寄存器为16位寄存器，其作用是为显示驱动提供显示区域的首地址。SAD寄存器有四个，分别管理四个显示区。它们是：SAD₁为第一显示区L₁的首地址寄存器；SAD₂为第二显示区L₂的首地址寄存器；SAD₃为第三显示区L₃的首地址寄存器；SAD₄为第四显示区L₄的首地址寄存器。

• 显示区宽度寄存器AP。这个寄存器为16位寄存器，指示显示区一行所占的单元数，也可以称为显示区的宽度寄存器。显示区的宽度对四个显示区来说是统一的。

• 显示区长度寄存器SL。这个寄存器为8位寄存器，指示显示区占有多少行，每行有AP个字节。显示区长度寄存器有两个寄存器SL₁和SL₂，分别管理第一显示区和第二显示区，第三、第四显示区接受SL₁和SL₂的管理。

由显示起始地址寄存器SAD、显示区宽度寄存器AP和显示区长度寄存器SL组合定义了显示区域的范围，如图9-31所示。

图9-31　显示存储器的显示区划分与显示屏面的对应关系

控制系统能管理两种字符发生器。一种为固定字符发生器，它有两种形式，一种形式是固化在SED1335芯片内的5×7点阵数据库，共有160种字符；另一种形式是固化在显示存储器字库芯片EPROM内，这个字库是根据使用者的需要而设计的，它可以是8×8点阵字体数据库，也可以是8×16点阵字体数据库。字库显示存储器的地址为F000H～FFFFH，这个字符发生器是不可修改的。另一种为随机字符发生器CGRAM，它是根据使用者的需要随时建立和修改的自定义字符发生器。CGRAM的应用有两种，其中有一种是与字符发生器CGROM联用，SED1335能提供给使用者两个自定义字符发生器的数据区，每个区256个字节，为32个代码。第一自定义字符数据区CGRAM1的代码范围规定为80H～9FH；第二自定义字符数据区CGRAM2的代码范围规定为E0H～FFH。当使用这两个区的字符代码时，控制系统自动地到CGRAM1或CGRAM2内寻址，提取相应的字模/数据。由于两个区的字符代码不是连续的，所以两个区的地址就不会连续，这样将造成显示空间的浪费，因此控制系统在管理第二自定义字符数据区时配置了40H异或电路，使E0H～FFH范围内的代码经异或电路后产生新的代码A0H～BFH，由此使其与第一自定义数据区的地址连接起来，这一特点在建立第二自定义字符数据区CGRAM2时要特别注意。CGRAM可以在显示存储器内任意区域建立。其二是独立使用CGRAM，它将同固化在显示存储器内字库的使用相同，不同的是这里使用的是存储器芯片，而字库数据可以随时建立与修改，控制系统提供一个16位寄存器，SAG作为CGRAM的起始地址寄存器，从这个地址以下的2KB或4KB空间为自定义字库空间。

控制系统为计算机访问显示存储器设置了可读写的16位光标指针寄存器，并提供了2位光标指针修正参数位。这个参数位将确定在计算机对显示存储器读写操作后，光标指针的修正计算公式。SED1335提供了上、下、左、右四个方向的修正。也就是说，SED1335不仅能使光标指针自动加1或减1，即右移或左移，而且还能使光标指针加AP值或减AP值，即下移或上移。SED1335还具有光标显示设置功能，光标可设置为线状或块状两种形式，光标位置由光标指针确定，光标形状由光标形状参数寄存器控制。

控制系统管理显示存储器的信号见表9-18。

表9-18　控制系统管理显示存储器信号表

（2）驱动系统

SED1335驱动系统具有显示区合成显示能力、传输数据的组织能力及产生液晶显示驱动系统所需的控制时序脉冲信号的能力。SED1335驱动系统的功能输出端见表9-19。

表9-19　控制系统管理显示存储器信号表

SED1335等驱动系统的数据是以4位并行方式传输的。驱动系统将1字节显示数据分高4位和低4位进行并行传输。这就要求液晶显示驱动系统的列驱动器的数据接口也为4位结构。驱动系统的显示数据是以数据块的形式传输的。SED1335在驱动系统中，将显示数据以8个字节（4×16=64位）为一数据块进行传输。当显示一行的数据量为64位的整倍数时，驱动系统正好以满数据块组织传输；当显示一行的数据量不为64位的整倍数时，驱动系统就要在一行的最后一个数据块中将不足的位填充为“0”，组成一个完整的数据块进行传输。

SED1335不仅能够控制单屏结构的液晶显示驱动系统，而且也能控制双屏结构的液晶显示驱动系统。从驱动系统数据输出端来看，数据传输方式是不分上下屏幕结构的。所以SED1335控制双屏结构液晶显示驱动系统有其独特的一面，即串行传输方式。这要求相应的驱动系统的上半屏的列驱动器与下半屏的列驱动器串接起来。SED1335在控制双屏结构液晶显示驱动系统时，先传输上半屏的显示数据，然后再传输下半屏的显示数据。这种双屏结构数据的串行传输方式，实际上相当于控制了一个二倍屏，所以SED1335控制双屏的能力比较差。

SED1335驱动系统控制液晶显示驱动系统时，还提供了一个YDIS液晶显示驱动电源开关控制信号，它在SED1335进行休闲工作模式低电平状态时，指示液晶显示系统关闭驱动电源，使行列驱动器输出电压趋于0V。这个信号的应用将保证液晶显示驱动系统在SED1335的休闲模式下没有高直流电压加在液晶显示器件上。