选择最合适的LCD控制方法

摘要

LCD（很多种）已经使用30多年了，其驱动方式已为大家所熟悉，并在过去的20年里一直保持不变。然而，LCD材料的进步以及对密度调制新的认识，使得可以有新的数字方法，其可以升级到芯片过程，可以有更具成本效益的设计。这篇文章将会介绍传统的实现方式，将介绍两种只需要数字信号来驱动LCD的方法。第一种方法依赖于不同频率信号的相关与不相关性，而第二种方法是通过LCD玻璃的低通滤波属性允许它由密度调制信号驱动。我们会介绍这两种技术的优点，如识别率、供电电压的开关电压极限，将会介绍多种电平，多种类型。我们还会示范三种常用的类型。

传统上，LCD控制在微控制器中已经完成，主要通过两种不同方式，但只要是模拟方式实现。这些实现方式包括一个梯形电阻或电流泵，业界更常用的是梯形电阻。使用梯形电阻，一系列的电阻彼此堆叠，形成一个很大的分压器，在这里可以获得多个电平，然后在恰当的时间集合到适当的GPIO，从而产生所需的LCD控制波形，这取决于LCD的MUX值。梯形电阻阻值的选定由芯片实现，在功耗与图象显示品质上都很有效。

LCD是一种理想的电容负载。通过选择一个很大的电阻，由于电容负载不断的充放电，所以会产生失真波形。这可能导致生成不恰当的LCD控制波形，这会影响LCD的显示，因为某些segment可能显得可定义的比其他的多。通过减少电阻值，波形失真可以减少，但代价是增加了功耗。关键是要找到节能和LCD控制波形完整性之间的平衡点。此外，实施LCD驱动模拟子系统需要的成本会变得非常昂贵（由于片内子系统尺寸）。以PSoC 3控制器为例， LCD架构会占用大约~350k平方微米。

当模拟LCD系统主导市场时，与新技术和LCD背后的制造过程相匹配的密度调制理解的增长，使得需要有一个有效驱动LCD的新方法。例如，纯数字LCD控制技术可应用于产生LCD控制信号，当察看LCD时，不能和模拟方法区分开来。与此同时，数字方式还可提供额外的好处。有两个不同但类似的实现方式，包括数字相关和密度调制。

原理

传统上，LCD电流泵或电阻分压器可以产生多个偏置电压，如而产生如图1所示的梯形波形。

图1 ： 传统的模拟控制波形

确切的电压阶数取决于期望的偏置电平。偏置是适用于LCD的电压台阶数目。精确的数目依赖于Mux比率，即LCD中common数目的倒数。例如，一个4common的LCD mux比率是1/4。然后使用这些多重电压来保持适当的电平，以保持某段的开或关。每common所需的偏置数量可以通过方程1计算出来。

方程1

这种方法的优势是可以产生高识别率，但它会造成潜在的功耗成本和芯片实现成本的提高。使用数字相关技术，不是使用多个模拟电平，而是使用标准数字逻辑电平， LCD控制波形在合适的时候在Vdd和地之间切换。这种方法有两个主要优势。首先，使用这种技术，可以用非常有限的硬件实现（如定时器或PWM)，使用DMA或微控制器控制固件和ISR。目前市场上可用的微控制器和FPGA具备实现这种控制技术所需的资源。这种方法的第二个主要优势是，这种实现也可以很容易地在低功率模式下使控制系统驱动LCD。当器件由定时器ISR触发唤醒开始下一桢时，控制器件只需要调整GPIO到逻辑高电平或低电平，然后返回低功率模式。GPIO将会保持进入低功耗模式时的引脚状态，因此在低电源模式不需要大量的内部部件处于active。由于数字相关的LCD控制所需的管理步骤很简单，active模式需要的时间就很少，所以可以最大限度地节省功耗。下图给出了使于数字相关控制波形的一个例子，见图2。

图2 数字相关控制波形

控制波形是这样产生的，选中底板(common)时是segment波形相关信号，不选是不相关信号。在子桢周期结束的时候，实现停滞状态。与传统的模拟方法不同，可以用DAC产生各种偏置水平，需要调整LCD RMS的电压来产生适当的开关电平。由于经过segment的电压与的segment and common(Seg-Com)的电压不同，通过驱动这两条线到相同的电平， 5 V或0 V，就会产生一段时间的0 V，从而影响到经过segment的RMS电压。LCD的每一segment都有一个Von和Voff阈值电平。这些阈值电平可以通过下列方程计算，这里" d"代表停滞状态数目，" n "代表common数。

方程2

方程3

识别率是很重要的参数，其定义为V_RMS(On) 和V­_{RMS(Off)­­­­}之间的比率。其差距较大，将会显示越多的定义了的开关segment。如果这两个参数太接近，它就很难区分开和关的segment。计算数字相关识别率的方程如下。