第7章 LCD控制器

本章将集中介绍单色LCD、彩色LCD的工作原理，RGB接口和MCU接口LCD的时序和工作原理、RGB接口和MCU接口LCD控制器的设计原理和源代码分析。

7.1 LCD技术介绍

7.1.1 单色液晶显示器的原理

单色液晶显示器的原理介绍材料很多，由于本书作者并不是LCD专家，因此本书第7.1.2和第7.1.3节的内容主要来自飞达光学网，部分内容经本文作者修改，用来为本章后续内容提供铺垫。

液晶的物理特性是当通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为衬底，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。

LCD技术把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直（相交成90度）。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。

LCD依赖极化滤光器（片）和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。

LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。由于计算机屏幕几乎总是亮着的，所以“加电将光线阻断”的方案比“加电使光线通过”更省电。

以上所述就是液晶显示的基本原理。

LCD屏幕由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶（LC）材料的5微米均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

对于小尺寸的LCD，其背光通常由多个LED提供，用户可以通过LCD控制器控制其背光的打开和关闭。

7.1.2 彩色LCD显示器的工作原理

在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色，或者蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。由于所使用的过滤器通常是特制的晶体管，因此需要大量的晶体管，很难保证所有这些晶体管都完好无损。LCD屏的液晶单元会很容易出现瑕疵。对1024×768的屏幕来说，每个像素都由三个单元构成，分别负责红、绿和蓝色的显示一所以总共约需240万个单元（1024×768×3=2359296）。最有可能的是，其中一部分已经短路（出现“亮点”），或者断路（出现“黑点”）。

目前使用最广泛的LCD过滤器是扁平晶体管（TFT），因此也叫TFT LCD。TFT LCD技术比更早的技术，能够显示更加清晰、明亮的图像。早期的LCD由于是非主动发光器件，速度低、效率差、对比度小，虽然能够显示清晰的文字，但是在快速显示图像时往往会产生阴影，影响视频的显示效果。

7.1.3 LCD分类

LCD因品质和研发技术不同而有所差异，其种类大致有STN、UFB、TFD、TFT、和OLED几种。一般来说，能显示的颜色越多越能显示复杂的图像，画面的层次也更丰富。目前市面上能见到的手机能够显示的色彩数目已经达到了26万色。

STN是Super Twisted Nematic的缩写，黑白手机的屏幕几乎都是STN的。和TFT相比，STN型液晶属于被动矩阵式LCD器件，它的好处是功耗小、更省电。

彩色STN的显示原理是在传统单色STN液晶显示器上加一彩色滤光片，并将单色显示矩阵中的每一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，就可显示出彩色画面。STN LCD属于被动矩阵式LCD，一般最高能显示65536种色彩，色泽不是特别好，亮度不高，所以一般在阳光强的地方，图像看起来比较费劲。由于价格低廉，是众多中低端彩屏手机的选择，少量高端机型也采用STN。

CSTN即Color STN，一般采用传送式（transmissive）照明方式，传送式屏幕要使用外加光源照明，称为背光（backlight），照明光源要安装在LCD的背后。传送式LCD在正常光线及暗光线下，显示效果都很好，但在户外，尤其在日光下，很难辨清显示内容而背光需要电源产生照明光线，要消耗电功率。

DSTN（double-layer super-twisted nematic）即双层STN，过去主要应用在一些笔记本电脑上。也是一种无源显示技术，使用两个显示层，这种显示技术解决了传统STN显示器中的漂移问题，而且由于DSTN还采用了双扫描技术，因而显示效果较STN有大幅度的提高。由于DSTN分上下两屏同时扫描，所以在使用中有可能在显示屏中央出现一条亮线。

UFB是Ultra Fine & Bright的缩写，其特点为超薄和高亮度。在设计上UFB-LCD还采用了特别的光栅设计，可减小像素间距，以获得更佳的图像质量。通常UFB LCD可显示65536种色彩，能够达到128×160像素的分辨率，同时，UFB LCD的对比度还是STN液晶显示屏的两倍，在65536色时亮度与TFT显示屏不相上下，而耗电量比TFT显示屏少，并且售价与STN显示屏差不多，可以说是结合这两种现有产品的优点于一身。现在采用UFB LCD的手机主要是三星手机，总体而言UFB相对TFT来说，在功耗和成本上确实有了一定的改善，但显示效果也很无奈地打了折扣。

TFD是Thin Film Diode薄膜二极管的缩写。由于TFT耗电而且成本高昂，这无疑增加了可用性和手机成本，因此TFD技术被手机屏幕巨头精工爱普生开发出来专门用在手机屏幕上。它是TFT和STN的折衷，有着比STN更好的亮度和色彩饱和度，却又比TFT更省电。TFD的主要特点在于“高画质、超低功耗、小型化、动态影像的显示能力，以及快速的反应时间”。TFD的显示原理在于它为LCD上每一个像素都配备了一颗单独的二极管来作为控制源，由于这样的单独控制设计，使每个像素之间不会互相影响，因此在TFD的画面上能够显现无残影的动态画面和鲜艳的色彩。和TFT一样TFD也是有源矩阵驱动。最初开发出来的TFD只能显示4096色，但如果采用图像处理技术可以显示相当于26万色的图像。不过相对TFT在色彩显示上还是有所不及。但是从实际显示效果来看，TFD的屏幕色彩饱和度和反应时间做的还不错，因此部分高端机型采用了TFD。

TFT（Thin Film Transistor薄膜晶体管），是有源矩阵类型液晶显示器（AM-LCD）中的一种，TFT在液晶的背部设置特殊光管，可以“主动地”对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这也就是所谓的主动矩阵TFT（active matrix TFT）的来历。

TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，这样的设计可以大大地提高反应时间，一般TFT的反映时间比较快，约80ms，而STN则为200ms，如果要提高就会有闪烁现象发生。而且由于TFT是主动式矩阵LCD可让液晶的排列方式具有记忆性，不会在电流消失后马上恢复原状。TFT还改善了STN会闪烁（水波纹）模糊的现象，有效地提高了播放动态画面的能力。和STN相比，TFT有出色的色彩饱和度、还原能力和更高的对比度，色彩更逼真、细腻、层次感更强；但是缺点就是比较耗电，而且成本也比较高。不少厂家在高端机型上采用了TFT。

除去上面这几大类LCD外，还能在一些手机上看到其他的一些LCD，比如日本Sharp的GF屏幕和CG（连续结晶硅）LCD。两种LCD相比较属于完全不同的种类，GF为STN的改良，能够提高LCD的亮度，而CG则是高精度优质LCD可以达到QVGA（240×320）像素规格的分辨率。

综合来说，无论从材质，耗电量来说，还是从成本，显示效果来看，都呈现这样一种性能差异，即OLED＞TFT＞TFD＞UFB＞DSTN＞CSTN＞STN。

按照接口不同，LCD又可以分为RGB接口LCD和MCU接口LCD。LCD的接口不同对LCD控制器和整个片上系统设计的要求也不同，下面分别讲述RGB接口LCD控制器和MCU接口LCD控制器的设计原理和源代码分析。