彩色液晶显示模块

2024-06-04

彩色液晶显示模块（精选八篇）

彩色液晶显示模块篇1

近年来, 随着微电子技术的飞速发展和单片机应用领域的不断扩展, 在某些应用领域迫切希望使用显示信息丰富、美观的彩色显示器作为人机交互的终端, 而彩色液晶显示器无疑是实际产品应用中最理想的显示器件。彩色液晶显示器作为当代高新技术产品, 不但平面超薄、色彩逼真, 而且LCD可显示字符、汉字和图形, 并且显示清晰美观、功耗低, 现已成为电子产品中应用最为广泛的显示方式[1,2]。 (1)

本文介绍了AVR 1280单片机和彩色液晶模块LR 035VRAM之间接口电路的设计, 通过软件编程模拟实现了外设LR 035VRAM液晶显示模块的读写接口时序, 给出了基于ICCAVR语言的驱动程序, 实现了对液晶模块LR 035VRAM的驱动显示控制。所设计的接口电路及驱动程序模块已应用于某火炮瞄准训练模拟显示系统中。

2 ATmega1280与LR 035VRAM接口设计

2.1 ATmega1280微处理器

ATmega1280是Atmel公司推出的一款高性能低能耗8位AVR闪存微控制器。该单片机功能强大, 具有丰富的片上资源。ATmega1280有多达86个I/O、16路模数转换器通道、4个串口、4个通用异步收发器通道以及16个脉宽调制通道, 同时带有ISP下载以及JTAG仿真等功能, 能为程序的编写调试带来很大的方便[3]。在时钟频率为16MHz时功效可以达到最大值16MIPS, 一旦需要, 就能为应用产品提供较大的潜在处理能力。

2.2 LR 035VRAM液晶模块

LR 035VRAM是上海朗睿电子科技有限公司生产的真彩色液晶显示器, 采用VRAM显示方式VRAM (VideoRandom-AccessMemory) 视频存储技术是近年来比较流行的专门用于图形处理的双端口存储技术, 常用于中高档显示卡中。采用缓存、逻辑仲裁、存储阵列技术实现两个设备同时对同一存储阵列访问而不需要等待, 且互不干扰[4]。

该显示器接口采用并行总线方式, 其并行总线多达34针, 可以很方便地连接到单片机或微处理器的总线上, 使用它就像使用普通存储器一样, 或者也可以把显示器看成是自己设备外挂的一个RAM。

2.3 接口电路设计

LR 035VRAM的外部接口方式为总线方式。外部34针引线包括有地址总线、数据总线和片选读写输入, 可以直接挂接到单片机的总线上, 作为单片机扩展的某部分内存来使用。LR 035VRAM接口采用34针插座, 其引脚定义可以参阅其说明书。

根据LR 035VRAM可以作为单片机的外部存储器使用的接口特性, 其和单片机之间的接口电路设计比较简单, 主要是ATmega1280单片机I/O端口资源的合理规划和分配。单片机ATmega1280的PG 0、PG 1端口分别是写、读信号线, 可以将其与LR 035VRAM的写、读信号线直接连接进行读写控制。同时考虑到ATmega1280端口资源丰富, 为了减少其它硬件投资, 提高处理速度, ATmega1280不再采用地址/数据复用技术, 地址、数据分别占用不同的I/O端口。即ATmega1280的PK 0～PK 7作为8位数据端口, 直接连接LR 035VRAM液晶显示器的数据端口D 0～D 7;由于ATmega1280内部已经将PB 0～PB 3作为SPI端口下载程序占有, 不能再作为地址线使用。因此将ATmega1280的PA 0～PA 7PC 0～PC 7、PB 5～PB 7作为18位地址端口, 直接连接LR 035VRAM液晶显示器的地址总线A 0～A 18图1为该接口电路的设计原理框图。

3 驱动程序设计

微处理器要实现对液晶模块LR 035VRAM的正确控制以及显示字符和必要的信息等功能, 在屏幕上点亮显示一个点是实现这些功能的基础[5,6]。这都由液晶显示器的驱动程序来实现, 通过驱动程序向液晶模块对应地址传送相应的数据即可。其驱动程序开发环境为AVR单片机编程环境ICCAVR。

3.1 LR 035VRAM I/O口写时序函数

ATmega1280访问控制液晶显示器的存储器, 首先必须根据LR 035VRAM I/O口写时序图来编写对LR 035VRAM端口的写时序函数, 即在单片机中通过软件来仿真模拟时序。LR 035VRAM I/O口写时序图如图2所示[4]。

其写时序的具体函数如下:

3.2 LR 035VRAM驱动程序的实现

LR 035VRAM彩色液晶显示器的存储器地址单元与液晶屏幕上的像素点一一对应。如果希望在液晶屏幕上某一位置显示文字或图形, 只需要向与像素点对应的存储器内对应区域写入相应的数据即可。VRAM存储器的一个字节由8位构成, 显示器屏幕上的一个“像素”点由R、G、B三个“点”的不同组合来组成。内存的数据位与屏幕显示的色点一一对应, 只要把适当的数据写入内存中去, 屏幕上即可显示出相应的文字图形。

LR 035VRAM屏幕点阵为320列×240行。256色显示时, 每个点对应3个像素 (RGB) 。内存中的1个字节对应一个点, 其对应关系如表1所示[4]。

其中R、G、B表示红、绿、蓝三原色, D 7～D 0表示要对应的数据位。而显示的各种颜色是通过三基色 (红﹑绿﹑蓝) 组合而成的。256种颜色相互关系及代码示例可以参阅LR 035VRAM彩色液晶模块说明书。编写其驱动程序时, 只需找到想显示的相应地址, 也即屏幕像素点对应的内存单元, 向其写入对应的数据即可。

根据LR 035VRAM彩色液晶显示器的显示原理, 其显示仅仅是对象不一样, 而其显示原理都是一样的, 其驱动程序流程如图3所示。

在其驱动程序中, 清屏函数, 数字、字母、汉字显示函数仅仅是显示的内容、字模不一样, 而思想都是一样的。这里只给出汉字显示的子函数, 其他的情况可参考汉字显示函数, 不再给出。汉字显示的具体函数如下:

3.3 应用实例

在上述驱动程序的基础上, 通过在硬件接口系统上加上外围传感器信息, 已将其成功的移植应用于某火炮的仿真瞄准训练显示中, 其设计应用显示效果如图4所示。

4 结论

重点介绍了AVR单片机与VRAM型彩色液晶显示模块接口电路以及驱动程序的设计方法。开发编写的驱动程序在ICCAVR编译器里成功调试通过, 实现了LR 035VRAM彩色液晶显示器的驱动, 从而可以正常显示各种颜色的汉字、数字、英文以及图形等功能。在此基础上, 通过扩展将其成功的应用于某火炮的仿真瞄准训练显示中, 达到了显示稳定色彩丰富、人机界面友好的效果。

摘要：以AVR单片机为控制核心, 以LR035VRAM彩色液晶模块为人机界面, 介绍ATmega1280单片机与VRAM型彩色液晶模块接口之间的设计方法。通过分析液晶模块的时序, 阐述了在ATmega1280单片机中用软件模拟时序的方法, 给出了基于ICCAVR编程语言的驱动程序设计模块, 实现了对液晶模块LR035VRAM的显示控制。同时, 将其成功移植应用在某火炮仿真瞄准训练显示系统中。

关键词：AVR单片机,VRAM,彩色液晶,接口,驱动

参考文献

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[5]沈文, LEE E, 卫前.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京:清华大学出版社, 2003.

彩色液晶显示模块篇2

摘要：通过一个小型监控单元的设计实践，详细介绍了一种使用89C51单片机和大屏幕液晶显示模块DMF-50081，进行图形和文本混合显示的软硬件设计思路和编程技巧。给出了DMF-50081与单片机的硬件连接电路和部分程序代码。

关键词：单片机SED1335控制器图形汉字DMF-50081

香港精电公司的DMF-50081点阵图形液晶显示模块是由大屏幕LCD液晶显示器、SED1335控制器、CCFL背光逆变器和DC-DC显示驱动电源四部分组成。它与同类液晶显示模块相比，具有显示信息量大、亮度高、微功耗、体积小、质量轻、超薄等诸多优点，在移动通讯、仪器仪表、电子设备、家用电器等各方面有着十分广泛的用途。

下面以DMF-50081在某工程项目中进行实时监控的实际应用系统为例，详细阐述DMF-50081液晶显示模块的应用方法。

1DMF-50081模块说明

DMF-50081液晶显示器为320×240点阵，能容纳16×16点阵的汉字共20行×15列，且具有较高分辨率（点为0.27×0.27mm）。该器件的外型尺寸为139×120mm，厚度为2.5mm,屏幕可视区为103×79mm。显示方式为全透反显，显示颜色为兰底白字。屏幕右侧有14芯接口与SED1335控制板的J2接口相连，具体管脚说明见表1。由于LCD背光显示需要提供特殊电源，因此外围电路中除了提供正常电源外，还需要冷阴极背光电源逆变器和DC-DC变换器。屏幕下部用2芯背光驱动接口与CCFL背光逆变器输出相连。

表114芯LCD接口功能

管脚符号有效电平功能1FLM高帧起始信号2LP高-低数据锁存信号3CP高-低数据移位信号4MP高/低交流驱动信号5Vadj负对比度调整电压6Vcc+5V正电源7Vss0V电源地8Vee负负电源9～12D0～D3高/低显示数据线13Doff低高：正常；低：关显示14NC-空脚

1.2SED1335控制器的引脚功能说明

SED1335控制器是日本SEIKOEPSON公司出品的液显示控制器，是一种宽工作电压型2.7～5.5V控制器，它在同类液晶显示控制器产生中是功能最强的一个。其主要特点有：

*带有较强功能的I/O缓冲器；

*指令功能丰富，四位数据可并行发送，最大驱动能力为640×256点阵；

*DMF-50081LCD显示器件支持文本、图形和图文三层混排显示方式，可显示复杂的文字及图形，而且功能强大，操作灵活。

SED1335控制板外形尺寸为90×50mm，板上有两个接口：分别为J1和J2，其中J1为单片机控制板接口（16针），J2为液晶显示器（LCD）接口。表2所列是与单片机系统进行接口的引脚功能说明。

表216芯MPU接口引脚功能

管脚名称有效电平功能1GND0V电源地2Vcc+5V正电源3Vadj负显示对比度调整4WR低写信号5RD低读信号6CE低片选信号7A0高/低高：写命令字或读数据

低：写数据参数或读状态8RST低复位信号9～16DB0～DB7高/低数据线

SED1335的硬件部分由MPU接口单元、内部控制单元、驱动单元等组成。

接口单元具有功能较强的I/O缓冲器。它主要表现在两个方面：第一是MPU访问SED1335时，不须判断其“忙”状态，SED1335可随时准备接受MPU的访问，并在内部时序下及时把MPU发来的指令、数据传输就位。第二是指SED1335在接口单元设置了与8080系列和M6800系列MPU相适配的两种操作时序电路，它们可通过器件引脚的电平设置在二者中选择其一。

DMF-50081液晶显示模块中的控制单元由振荡器、功能逻辑电路、显示RAM管理电路、字符库及其管理电路以及可产生驱动时序的时序发生器组成。它可以管理64k字节显示RAM，显示RAM可设置为文本显示或图形显示方式，在两种显示方式下，显示RAM内的每个字节数据可对应不同的显示内容。SED1335在其内部字符发生器CGROM中固化了160种5×7点阵字符。另外，器件中的驱动单元还具有各显示区的合成显示能力、传输数据的组织功能及产生液晶显示模块所需时序。

1.3CCFL背光逆变器

该LCD模块采用的是CCFL背光，它是一种冷阴极荧光灯，具有亮度高、功耗低等特点，可适用于大面积显示所需的背光，但需要相对应的逆变器。本系统采用PYE-L10A型逆变器，它由典型的差分对振荡电路组成，其输出通过电容分成两路，可以同时点亮两个灯管。它使用方便，输入为+5V电压，输出为交流1300V（7mA）左右，频率在20～30kHz，具有极小的转换损耗和较高的输出效率。外型尺寸为43×20×13.7mm。通常被安装在单片机控制板上，两个交流输出端用高压线引出与LCD相连。由于CCFL使用的是高压供电，所以在使用时务必小心谨慎，以防止因高压短接损坏其它器件。另外，在使用时还应注意该接口引线不宜过长，不要使用排线作为其输出线。

1.4驱动电源（DC-DC）电路

一般情况下，LCD液晶显示器件的驱动是通过建立一定电压的电场来实现的。由于LCD通常需要一个负电压的驱动电源。因此，该驱动电路采用MC34063DC-DC转换芯片来生成负电压。该DC-DC的输入电压为5V，输入电流为60mA，板上具有调节电位器，输出的负电压可以在-2～-22V之间调节，以适应所有液晶显示模块驱动的需要。使用时，可将它靠近MPU接口，安装在单片机的控制板上。

2系统硬件组成

该系统的硬件组成框图如图1所示。

图2所示是89C51单片机与SED1335控制板的硬件电路连接方法。

3软件设计

该系统的程序设计使用MCS51系列汇编指令编制而成。SED1335的软件功能非常强大。它一共有14条指令，且多数指令都带有若干个参数。在硬件系统上电复位后，可通过软件根据所控制的.液晶显示模块的特性和需要显示的方式来设置各个指令的参数以初始化系统，之后，就可以由单片机把数据直接送给SED1335的显示缓存，然后由SED1335来控制液晶显示。

下面通过一一个显示文本反白字符和16×16图形汉字的程序来简要说明SED1335的文本和图形的混合显示。先在初始化子程序中将OVLAY参数在一、三区设置为文本属性，在二、四区设置为图形属性的二重异或合成显示方式（即01H）；然后再将DISPON/OFF参数设置为一至四区开显示（即56H）.反白显示字符是在图形区相关位置写入FFH，以使其与文本区的相关位置中的字符进行异或后显示，从而得到所需的显示效果。在图形方式下显示汉字时，可先将汉字取模，然后在程序区内建立汉字库，最后由程序再逐字节向图形区SAD2的相应单元写入即可。

下面给出用DMF-50081进行显示的部分软件程序代码：

主程序：

MAIN：MOVSAD2L，#08H；设置图形区SAD2光标初值

MOVSAD2H，#40H

LCALLINTR；调液晶初始化子程序

LCALLCLEAR；调清显示子程序

LCALLCW_PR；调显示字符子程序

LCALLDLYS；调反白子程序

LCALLCCW_PR；调显示汉字子程序

LOOP：NOP

AJMPLOOP

………………………………………………………

反白子程序：

DLYS：MOVCOUNT1，#08H

CLOOP2：MOVCOM，#46H；CSRW代码

LCALLPR1

MOVDAT1，SAD2L；设置参数CSR

LCALLPR2

MOVDAT1，SAD2H

LCALLPR2

MOVCOM，#42H；MWRITE代码

LCALLPR1

MOVCOUNT2，#02H；设置反白字符个数

MOVDPTR，#WD_ADD

MOVA，#0FFH；显示数据FFH

CLOOP3：LCALLPR2

DJNZCOUNT2，CLOOP3

MOVA，#AP

ADDA，TADDL

MOVTADDL，A；修改光标地址

CLRA

ADDCA，TADDH

MOVTADDH，A

DJNZCOUNT1，CLOOP2

RET

………………………………………………………

写指令代码子程序：

PR1：PUSHDPL

PUSHDPH

MOVDPTR，#WC_ADD

MOVA，COM

MOVX@DPTR，A

POPDPH

POPDPL

RET

………………………………………………………

写参数及显示数据子程序

PR2：PUSHDPL

PUSHDPH

MOVDPTR，#WD_ADD

MOVA，DAT1

MOVX@DPTR，A

POPDPH

POPDPL

RET

4结束语

彩色液晶显示模块篇3

显示模块作为人机交互的界面,承载着大量信息传递的功能。随着液晶显示技术的发展,液晶显示模块以其显色性好,轻薄、低功耗等优势,逐渐成为主流显示器件[1],不仅在工业、商业以及家庭领域内得到广泛应用,在军工领域内也逐步得到普及。早期替代进口CRT[2](Cathode Ray Tube,阴极射线管)显示模块的机载液晶显示模块都是直下式底背光方式,虽然比CRT显示器在色彩还原、亮度、寿命等有了很大的提升,但是为了保证模块亮度均匀性,背光板到光学膜组之间至少有10mm左右的距离,也就是我们通常所说的灯腔高度。现在整机生产厂家对显示模块厚度和重量要求越来越高,侧背光方式以其良好的均匀性和超薄的特性逐渐被接受采纳。双面侧背光相对于单面侧背光来说,可以更有效地提高LED(Lighting Emitting Diode,发光二极管)的可靠性。

1 液晶屏组件的加固设计

机载液晶显示模块结构加固的核心是液晶屏的加固及刚性化处理。液晶屏是由前玻璃基板和后玻璃基板通过封接边框连接成封闭空间,在封闭空间内充满液晶材料实现显示功能[3]。普通液晶屏的封接边框材料相对廉价,膨胀系数不能很好地与液晶屏两片玻璃相匹配。在恶劣的机载环境条件下,封接边框,特别是封接边框的封口处容易出现裂缝。空气会沿着裂缝处挤进充满液晶的封闭空间,这样液晶就会被挤出,在缺少液晶的区域,液晶屏工作时将出现黑色斑块,导致液晶屏失效。针对液晶屏封接边框封口处受应力液晶泄漏问题,我们采用进口封接边框材料,对液晶屏进行二次封接,如图1所示。

二次封接的胶膨胀系数相对原屏封接胶更接近玻璃的膨胀系数。另外二次封接胶的温度性能指标为-70℃～+150℃,远比普通封接胶的-30℃～+85℃温度范围宽,反复的温度循环试验表明二次封接胶与液晶屏玻璃的粘接强度也远高于原屏封接胶。在热应力条件下,不容易产生由膨胀程度不同而造成的机械应力,或在热应力下破裂。经过二次封接工艺改进的液晶屏可以承受-55℃～+85℃的温度冲击。

液晶屏的前后玻璃基板都很薄,如果没有特殊加固,对显示方向的振动非常敏感,在机载环境下,振动频率范围一般为10～2000Hz,振动带来的液晶盒厚变化会影响显示图像的质量。系统固有频率为:

f0为系统固有频率,k为刚度,即单位变形所需的作用力大小,单位为N/m;m为质量,单位为Kg。

按照单自由度强迫振动理论,把液晶屏看作一个小系统,当机载环境激振频率f小于系统固有频率f0的0.75倍时,系统相对振动强度增大较小;当机载环境激振频率f介于系统固有频率f0的0.75倍至倍之间时,系统相对振动强度成倍放大甚至超过5倍;当机载环境激振频率f大于系统固有频率f0的倍时,系统相对振动强度才会减小。因此,结构减振设计的关键是减小系统固有频率f0。我们在液晶屏四周用减振材料隔离,减小支撑刚性;液晶屏前后复合一定厚度的玻璃,提高液晶屏组件的抗弯曲能力,降低整个系统的固有频率。液晶屏抗振结构如图2所示。

可以从二级减振理论来分析,在刚性壳体和液晶屏之间用具有阻尼作用的减振隔离材料进行隔离,形成阻尼减振系统,设计一定的减振空间,因此刚性较小,固有频率较低,这可以作为第一级减振。在液晶屏前后两面用加固玻璃通过透明柔性粘接层固定成一体,也就是我们通常所说的“三明治”结构,这样作为第二级减振。第二级减振空间小,液晶屏安装环境刚性提高的同时增大了固有频率,使其远高于第一级振动系统的固有频率,这样第一、二两级系统就不会形成共振,液晶屏受到的振动应力也会相应减小[4]。

2 背光模组的设计

液晶屏本身不发光,它的亮度、均匀性等光学指标都依赖于后部的背光模组。一般背光模组的光学功能,除了发光源外,还包含导光、反射、匀光(扩散)、集光、光回收等功能[5]。为了满足产品的高亮度要求,提高背光模组的发光效率,同时满足背光的均匀性要求,我们设计了双侧LED背光模组,包括双侧LED背光源、反射片、导光板、扩散片、棱镜片、偏光增量片等。图3是双面侧背光背光模组的结构示意图。

LED背光源发出的光线从导光板入光面进入导光板内部,大部分光线在导光板内部以全反射传输。导光板下侧与反射片接触面设计一些凹凸网点,当全反射光线射到凹凸网点时,反射光会往各个角度散射,破坏全反射条件,使光线从导光板正面射出。从导光板四周及下侧折射出来的光经过反射片又重新反射回导光板,提高了光源利用效率。导光板正面射出的光线经过扩散片后,由点光源变为亮度均匀的面光源,防止在液晶屏前端看到LED的影子。棱镜片是一种集光装置,主要利用全反射和折射,将从扩散片出来的光,集中在一定角度里出射,从而提高该视角范围内的亮度,但视角会相对变窄。通常使用两张棱镜片,上下两张棱镜片采用正交方式排列,分别处理水平及垂直方向的集光需求。偏光增亮片不像棱镜片那样通过集光来提高亮度,而是不改变光的分布,将各个方向上的出光量都提高。偏光增亮片将无法通过液晶屏下偏光片的光反射回背光系统重新消偏振后再次被它过滤,从而使能够通过液晶屏下偏光片的出光量增加。

导光板是背光模组中的重要部件,我们选用的是亚克力材料,它具有较低的表面粗糙度和良好的光学特性。通过设计优化导光板的网点参数可以提高导光板性能。

网点参数设计主要利用软件进行模拟,使用LightTools软件进行导光板的设计,以几何光学为基础,根据网点的不同类型设置恰当的光学参数,模拟出接近实际的光学效果,通过优化导光板的网点结构参数,可以得到较好的导光效果。

网点参数是大小或密度变化的二维或三维网点,通过显示网点的密度变化,可以提高背光的均匀性,同时为为避免产生莫尔条纹,每个区域网点的密度是不一样。通过软件计算和模拟可以得到在一个区域内变化网点的数量,得到想要该缓慢而平滑的。

生成网点后,利用激光机在亚克力板表面刻蚀线槽,制作样品,测量其光效、均匀性等指标,进而调整激光机参数,优化控制网点的大小、深度及分布,使得最终制作的导光板达到较理想的光效和均匀性,图4为双面LED侧背光和导光板系统结构示意图。

3 控制电路设计

液晶显示模块的控制电路设计主要包括背光控制设计和低温加热设计,控制电路原理图见图5。

背光组件透过液晶屏的亮度I与LED的单管数量N、单管亮度i、背光模组透过率T1及液晶屏的透过率T2都成正比,即:

I=N×i×s×T1×T2/(W×L)

其中,s为LED电流降额系数,背光模组透过率T1,液晶屏的透过率T2可以检测到,W×L为液晶屏长宽尺寸。实际设计中通过简化推导亮度与LED排布的关系,结合经验和实测数据确定LED的排布。单面侧背光由于面积的限制,往往LED管数目是一定的,这样为了达到要求的亮度,就需要提高LED管的电流,电流越大,光效就越低,管子的发热量就越高,极大地降低了LED管的可靠性,为此我们可以通过双面侧背光方式增加LED管的数目,适当降低LED管的电流,提高可靠性。此外,双面侧背光是分两路控制的,当其中一路出现故障时,另一路还可以正常工作,亮度虽然降为原来的一半,但不影响显示质量。

背光控制是采用恒流方式的,与恒压方式相比较,它电路转换率更高,电路上的发热量更少,另一个比较明显的优势是在高低温情况下,可以消除因温度变化导致LED压降变化的影响,保持背光亮度的稳定[6]。背光亮度调节是通过脉宽调制的方式来实现的。微处理器通过通讯接口来调节背光信号的电流占空比来调节背光亮度,有效地实现亮度的自动调节。为了延长背光源的使用寿命,通过背光温度传感探测背光的温度值,当温度高于一定数值时,启动限亮程序,自动降低背光亮度,保证背光源在高温环境下能够稳定可靠的工作。

机载液晶显示模块都有低温工作的要求,为了实现低温工作,设计了针对液晶屏的加热温控电路,使液晶屏的温度处于正常的工作范围,保证开机后可在几分钟以内图像清晰,画面流畅,动态图像没有拖影[7]。温控电路的设计包括嵌入式微型传感器的可靠性,传感量长距离传输的抗干扰能力,脉宽调制加热功率,系统故障时加热电路的自动关闭等。低温加热采用脉宽调制的方法来控制,处理器多次采集被加热物体的温度传感量,利用函数进行修正后,计算出被加热物体的准确温度,微处理器根据此温度确定输出占空比,对加热功率进行调节。

4 热设计和电磁兼容设计

元器件在高温环境中使用寿命和可靠性都会降低,轻则导致产品性能变差,重则造成产品功能发生永久性失效。液晶显示模块的热设计[8]以结构散热为主,设计中主要考虑高温元器件与壳体间的热传导散热。对于双面侧背光液晶显示模块,高温工作状态下的热设计主要包括LED背光源和驱动电路上大功率芯片器件的散热设计。采用铝基板做LED背光源的PCB (Printed Circuit Board,印刷电路板)材料,使LED管的热量集中到铝基板上,铝基板再通过低热阻高导热率材料与散热板连接,散热板与外部壳体之间用导热脂或导热垫连接,将热量尽可能多地传导到外部机壳上。对于驱动电路上大功率芯片器件,可以单独做散热片,用导热材料粘接,或者将芯片器件布置在接近散热板一侧,散热板设计一定高度的凸台,通过导热材料连接,将热量传导到散热板上。图6是设计初期工作温度60℃时的热仿真模型,液晶显示模块上温度较高的区域出现在含有背光板的两侧以及电路板上大功率芯片处,最终产品的实测值与该仿真模型基本接近。

EMC[9](Electromagnetic compatibility,电磁兼容性)设计的目的是使液晶显示模块既能抑制各部干扰,使其在机载环境中能够正常工作,同时又能减少模块本身对飞机上其它电子设备的电磁干扰。为了满足EMC条件,需要考虑整个液晶显示模块的总体方案、PCB板的布局及走线、元器件选择以及壳体设计等等。对于机载液晶显示模块具体实施EMC设计方案时,主要应从其对电磁场的屏蔽作用来进行考虑。屏蔽主要是针对电磁场的辐射发射和辐射敏感度而言,同时也要考虑到高压静电放电。低频段(25Hz～100KHz)主要是来自磁场的辐射能量,而电场的辐射频率范围就很宽,为10KHz～20GHz。所以设计时要确保显示模块的整个外壳(含显示窗口)能成为一个良好的电磁屏蔽体,无狭逢、不产生电磁泄漏,并且能有效保护好模块内的元器件不受高压静电放电实验的破坏。

液晶显示模块除了液晶屏窗口可以泄露电磁波外,其余部分均是可以屏蔽电磁波的铝合金材料,因此液晶屏窗口是电磁波泄露的主要窗口,也是容易受外部电磁波干扰的主要窗口。窗口电磁屏蔽层技术主要有3种:采用ITO (Indium Tin Oxidize,氧化铟锡)透明导电玻璃作显示窗口屏蔽材料;采用导电金属网作显示窗口屏蔽材;采用EMC多功能玻璃作显示窗口屏蔽材料。在双面侧背光液晶显示模块中,我们采用EMC多功能玻璃作为显示窗口屏蔽材料。EMC多功能玻璃是一种比较理想的液晶显示模块显示窗口电磁屏蔽材料,可以克服导电金属网对显示图象的摩尔条纹干涉现象,同时采用多层镀膜工艺技术,将表面减反功能膜与电磁兼容屏蔽膜在同一块玻璃上制作,与单一ITO玻璃相比可以大大降低反射率,用于改善显示屏在强阳光下的可读性。

5 结束语

基于以上技术的应用,我们设计研发了一款5寸双面侧背光机载液晶显示模块,如图7所示。该模块厚度薄,亮度高,工作温度范围宽,满足机载振动和电磁兼容的要求,已经小批量供货给客户单位。

机载液晶显示模块所涉及的技术远不止上述这些,诸如光学性能,防盐雾、防霉菌、防湿热,壳体材料的选择等等,都需要花大量的时间进一步深入研究。而且原有技术也在不断地更新,新的技术也陆续与机载液晶显示模块相结合,如触摸屏技术、声控技术,这些工作许多研究者正在开展中。

参考文献

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[8]夏显忠,陶光勇,夏利锋.基于CFD的FLOTHFRM在机载液晶显示器热分析的应用[J].电子机械工程,2007(03):7-10.

彩色液晶显示模块篇4

随着显示技术的快速发展,液晶显示模块在机载、车载、舰载等领域得到越来越广泛的应用[1]。液晶显示模块发展到今天,其各项技术已日益成熟,各零部件已形成一定的标准化、模块化[2],个别企业建立了自己的产品平台[3,4]。同时随着客户对产品的差异性要求越来越多,这就要求现代企业在考虑产品成本和效益的同时,必须及时地提供多元化的液晶显示模块产品,以最大限度地满足客户的不同需求,这样才能提高产品的竞争力和市场占有率。充分利用现有的成熟的设计准则,提高产品的可靠性,缩短设计周期,提高市场竞争力,建立适合本企业的产品标准化模型库是大势所趋[5]。

当前,许多液晶显示模块产品的设计开发还是按照新品开发的模式进行,没有借鉴前期成熟项目的设计方案、数据模型等。即使利用产品平台进行新品开发,但是零部件的重用率非常低,产品平台的选择也存在着较大缺陷。同样利用模块化技术可以减少液晶显示模块的设计复杂性,但大部分零部件设计图等需要重新绘制。对前期产品数据等利用率较低,设计人员需做大量重复绘图工作。为提高设计效率,提高零部件的重用率,文中提出了利用标准化模型库的产品设计方法,论述了建设液晶显示模块三维模型库的设计方案。

1产品总体设计流程

基于标准化模型库的产品设计方法与传统产品设计方法存在较大差异。对前者而言,如何选用合理、成熟的设计方法,以及如何利用现有模型库的资源来设计出能够满足客户的个性化需求的产品成为关键。因而,文中建立了基于标准化模型库的产品设计方法及其设计流程,如图1所示。

(1)客户需求的获取与分析。客户需求是产品设计参数最根本的来源。对客户需求参数要进行详细的分析及准确判断。

(2)设计参数的确定。对个别参数应与用户协调沟通,最终要形成详细的技术协议。

(3)产品模型库的识别。通过对比客户需求参数与标准化模型库的参数,识别出可用部分。

(4)可否满足要求。选择的标准化模型库内的已有设计模型是否符合客户需求参数要求。

(5)引用及局部改动。引用标准化模型库的设计,根据需要进行局部改动,以满足用户需求。

(6)重新设计。标准化模型库无对应的内容,需要重新设计。

(7)新产品设计方案。输出新产品的详细设计方案。

从基于标准化模型库的产品设计流程可以看出标准化模型库在产品设计中具有重要作用。可以借用成熟设计,减少设计风险,同时使用模型库的内容,减少重复设计,缩短设计周期。

2标准化产品库建立原则

(1)作为企业的产品标准化模型库,必须符合企业自身产品特点。现有的三维模型为标准化模型库建立的技术资源。任何一个企业的产品都有其自身的独特性与通用性。标准化产品库的建立要遵循这一基本概念。

(2)标准化模型库内产品的成熟性。产品本身必须发展到成熟阶段,与其配套的大多数条件都已成熟,如设计、生产、管理等。只有验证无问题产品的三维数据才能纳入标准化模型库。另外,该产品库的设计平台也要成熟,包括设计、分析、物料、设备等。

(3)实时更新与维护。现代技术发展日新月异,企业的技术能力不断提高,使用新技术设计生产出来的新产品性能也不断提高,新产品经过充分的实验验证可以满足要求。对标准化模型库内的内容进行实时更新,保证标准化模型库的内容的先进性与时效性。

3模块标准化模型库构架搭建

基于以上模型库建设原则,根据某公司液晶显示模块设计特点,建立标准化模型库。该公司主要从事液晶显示模块的设计、制造、维护工作 ,并具有多年的设计、生产经验,产品类别多,技术相对成熟,数据比较完善,完全具备产品标准化模型库建立的基本条件。

首先,确定标准化模型库的数据平台。随着三维设计软件的普及,三维设计成为产品设计必不可少的一环,三维图形具有信息量大、直观、参数化、便于检查等优点。目前三维设计软件很多,可以根据不同行业的产品设计特点来选择。液晶显示模块设计可以选择Pro/ENGINEER绘图软件,把此软件的三维模型作为标准化模型库的主要数据形式。

其次,使用标准化原理和方法,将产品的零部件通用化和标准化,使产品各功能部件模块化。根据液晶显示特点,标准化设计后的液晶显示模块主要包括屏组件,膜组件、背光组件、控制电路组件、结构件等。各组件为液晶显示模块的功能部件,每个组件都由功能不同的零件组成。

最后,对液晶显示模块型号进行分类。液晶显示模块的核心部件为液晶显示屏[6],国内外液晶屏的生产厂家很多,各公司产品都有自己的型号和规格。虽然液晶屏生产厂家不同,但液晶屏的有效显示尺寸是标准化的,一般按对角线分为12.7cm、16.5cm、17.8cm、21.3cm、26.4cm、30.7cm、38.35cm等。而液晶屏的有效显示尺寸决定着其他零部件尺寸,因此液晶显示模块可以按照液晶屏的有效显示尺寸来分类。而对于具有相同显示尺寸的液晶显示模块则可以通过液晶屏型号的不同来划分。

根据液晶显示模块功能组件的模块化以及型号分类标准,我们可以搭建液晶显示模块标准化模型库整体框架如图2所示。

4液晶显示模块标准化模型库构建

液晶显示模块标准化模型库构架确定后,要根据构架进行数据的整理、分类、完善等工作。首先对现有产品三维数据进行整理。为方便使用,三维模型库应采用统一的文件格式。另外模型的命名要有统一的规则,避免重名现象,如果同类模型过多,可以采用编号的方式对模型命名。为准确查找,我们对每个模型都要赋予一定的附加信息,说明此模型的基本特征。为记录模型附加信息,可以为模型库设计一个附加信息说明文件,也可以建立一个专门的关系数据库来记录这些信息。

三维数据库内含有大量的三维模型,在日常使用、维护时,通过人工在模型库中操作非常麻烦,需要提供一个模型库的管理软件。为方便检索[5]和引用,对标准化模型库要建立友好的操作界面,通过界面对三维数据进行管理,方便识别、查找及应用。

为保证模型库的正确性与先进性,要对标准化模型库进行实时更新,三维模型库的维护、使用要制定相关的制度。

5模型库的实例应用

根据用户的基本要求,从模型库中查找符合要求的组件模型,跟据模型库内的成熟组件模型,再进行结构的个性化设计。根据技术保密要求及简洁直观性,本例对液晶显示模块特征参数进行了删减,仅说明液晶显示模块标准化模型库的使用方法。表1为简化后的技术要求。

根据技术要求,在模型库中查找与之匹配的数据模型。首先确定液晶屏大小,根据有效显示面积进行计算,确定为12.7cm液晶屏。然后确定液晶屏型号,根据索引信息查找12.7cm液晶屏规格如表2所示。

从上表可以看出只有型号为HV050V01的液晶屏满足要求。使用型号为HV050V01的液晶屏的屏组件有三种,对应状态如表3所示。

根据工作温度和屏蔽要求,可以判断屏组件01、屏组件02,满足要求。由于屏组件02成本更低,因此我们选择屏组件02进行项目设计。

背光组件的选择主要根据亮度和匀光距离选择,背光组件的参数如表4所示。

如果模块厚度较小,可以选择背光组件01。

光学膜组件主要由液晶屏与背光组件决定。选定了液晶屏与背光组件,也就确定了背光组件。

控制板组件主要区分为接口部分不同。主要由背光组件决定,根据模块外形确定选择控制板组件。

确定了各组件型号,通过软件接口直接调用模型库内的三维数据。根据客户所要求的外形,进行三维结构设计。

如果模型库内没有满足要求的组件,需要进行新的设计,设计完成后验证可行,就可以把三维数据存入模型库,供后期项目检索引用。

6结论

本文针对成熟的设计方案,对已有的三维数据模型进行分类整理,形成标准的三维模型库。并且通过上位机软件,使模型库通过可视化界面,便于查询。另外,通过可视化界面,可以选择搜索、模糊查询等特征参数,对三维模型组件进行识别和引用。并且,该上位机软件可以统计模型库中某零件的引用频次、应用项目等类型,这样,可以很明显看出模型库哪个零件借用率高等方面,便于后期模型定型、批量加工,降低成本。此外,采用标准化模型库对产品进行设计后,不仅提高了成熟产品的借用率,缩短了设计开发周期,节省了设计过程中零部件的开发成本,而且提高了产品的可靠性。该方法实用性强,值得推广。

参考文献

[1]谢民永,达民权.液晶显示模块加固技术研究[J].光电技术.2006,47(2):30-33.

[2]侯亮,唐任仲,徐燕申.产品模块化设计理论、技术与应用研究进展[J].机械工程学报.2004,40(1):56-61.

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[4]董春兰,赵娜.基于产品平台的机械产品模块化设计方法[J].机械设计.2012,29(6)1-6.

[5]林金杰,韦伟,杨育彬.面向内容的三维模型数据库设计及其检索系统的实现[J].计算机科学.2008,35(10):238-242.

彩色液晶显示模块篇5

测量不确定度是评定测量水平的指标,是判定测量结果质量的依据。用测量不确定度来评定测量结果的质量高低,是自20世纪80年代起国际上建议用于评定测量结果的新概念。《测量不确定度表示指南》简称GUM,是由国际标准化组织(ISO),国际计量局(BIPM)等七个国际组织联合制定的通用指导性标准,于93年正式发布。目前,我国推行的ISO17025对测量结果的不确定度有明确的要求,其中指明:校准实验室出具的每份证书或报告,均应包括有关测量结果不确定度的说明,这个要求对检测实验室也同样适用。测量不确定度给出了测量结果的可信程度,测量结果必须有不确定度说明时,才是完整的和有意义的。

分光幅射度计是一种广泛使用的液晶显示器件光电参数的专用测量仪器。本文详细分析了用分光幅射度计(CS-1000A)测量某型号的液晶显示模块(LCM)亮度的不确定度来源,对测量不确定度做出了较全面的评定。

1 CS-1000A的组成及工作原理

图1所示为分光幅射度计(CS-1000A)的简要组成原理图:光能通过物镜时,来自测量区的光经过孔径镜片中心的孔抵达光纤,而其余的光则通过镜片孔径导入取景器,使通过取景器取景时,被测量区看起来像一块黑圈。此黑圈即为进行亮度测量时的测量取样光斑。进入光纤的光将重复折射匀光后,经过准直镜进入平面衍射光栅;经过光栅分光后,聚光透镜聚焦各波长的光线至阵列传感器,通过16位的模数(A/D)转换器,每个波长的光能将转换为一个数值,处理系统将根据该数值计算亮度值送显示器显示。

2 测量方法

依据GB/T4619-1996液晶显示器件测量方法,在对液晶显示模块的亮度进行直接测量时,测试环境和条件为:暗室,电源电压和环境温度保持恒定;CS-1000A到被测液晶显示模块的测试距离在(1～1.4 m)之间,且和被测液晶显示模块的显示面垂直;CS-1000A和被测液晶显示模块预热至性能稳定后测试。

3 测量不确定度的评定[1,2]

按照建立数学模型,不确定度来源分析,计算标准不确定度分量、合成标准不确定度和扩展不确定度的评定步骤,对液晶显示模块亮度的测量不确定度进行评定。

3.1 数学模型

采用CS-1000A分光幅射度计直接测量液晶显示模块的亮度,其数学模型表示为:

$L_{u} = L_{s} (1)$

Lu为被测液晶显示模块的亮度测量结果

Ls为CS-1000A读出的亮度值

合成标准不确定度uc(Lu)由下式决定

$u_{c}^{2} (L_{u}) = (\frac{\partial (L_{u})}{\partial (L_{s})})^{2} u^{2} (L_{s}) (2)$

其灵敏系数 $c = \frac{\partial (L_{u})}{\partial (L_{s})} = 1$

3.2 不确定度来源

由于本测试在符合实验室标准条件下进行,测试环境为暗室,测试距离保持不变,电源电压和环境温度保持恒定,CS-1000A和被测液晶显示模块预热至性能稳定后测试,故环境因素及人为因素引入的不确定度可忽略。所以影响被测液晶显示模块亮度测量结果的不确定度主要来源为:a)各种随机因素对测量重复性的影响;b)标准仪器本身不确定度的影响;c)测试取样点不重复引入的不确定度。

3.3 标准不确定度分量的计算

根据上述不确定度来源分析及测量不确定度评定与表示指南,合成标准不确定度uc(Lu)由下式计算

$u_{c} (L_{u}) = \sqrt{u^{2} (L_{s 1}) + u^{2} (L_{s 2}) + u^{2} (L_{s 3})} (3)$

其中:u(Ls1)为测量重复性引入的不确定度分量;u(Ls2)为标准仪器本身带来的不确定度分量;u(Ls3)为测试取样点不重复引入的不确定度分量。

3.3.1 测量重复性引入的不确定度分量u(Ls1)

由于液晶显示模块自身电源的波动及各种随机因素会造成LCM显示产生相应的变化,从而导致亮度测试的数据不重复,经6次独立重复测量,实测数据如表1所示。

按照JJF1059-1999计量技术规范该项不确定度分量按A类评定。

通常以样本的算术平均值 $\bar{L}$ 作为被测量值的估计(即测量结果),再以其平均值的实验标准差 $S (\bar{L})$ 得到测量结果的平均值的相对标准差。

则:单次测量的实验标准差,由贝塞尔公式求得:

$S (L) = \sqrt{\frac{1}{n - 1} \sum_{i = 1}^{n} (L_{i} - \bar{L})^{2}} = 8.77 c d / m^{2}$

平均值的实验标准差为:

$S (\bar{L}) = \frac{S (L)}{\sqrt{n}} = 3.58 c d / m^{2}$

平均值的相对标准差为:

$u (L_{s 1}) = \frac{S (\bar{L})}{\bar{L}} = 0.507 ％$

其自由度ν1=n-1=5

3.3.2 CS-1000A引入的不确定度分量u(Ls2)

由CS-1000A的检定证书知:上级计量部门出具的扩展不确定度U=2.5%,包含因子k=2,按照JJF1059-1999计量技术规范,该项不确定度分量u(Ls2)应按B类评定,

则: $u (L_{s 2}) = \frac{0.025}{2} = 1.25 ％$

同样按照JJF1059-1999计量技术规范认为此项不确定度非常可靠,其不可靠度视为0,故自由度ν2=∞

3.3.3 测试取样点不重复引入的不确定度分量u(Ls3)

由于LCM不同程度地存在亮度不均匀性,其整个显示面上不同位置亮度测量值(多次测量平均值)之间都会有一定偏差;另外CS-1000A最小测量面积(光斑)为7.9 mm2,而LCM像素大小都小于0.5 mm,而每个像素点的发光强度也存在差异,因此,测试时取样点不重复(即位置移动)会引入此项不确定度。按照JJF1059-1999计量技术规范该项不确定度分量可根据经验值按B类评定。根据多次实验数据分析,由此产生的不确定度经验值为1%,视为均匀分布,包含因子 $k = \sqrt{3},$

则: $u (L_{s 3}) = \frac{0.01}{\sqrt{3}} = 0.577 ％$

其不可靠度视为10%,故自由度ν3=50

3.4 合成标准不确定度和扩展不确定度的评定

3.4.1 合成标准不确定度

按公式(3),合成标准不确定度

$\begin{array}{l} u_{c} (L_{u}) = \sqrt{u^{2} (L_{s 1}) + u^{2} (L_{s 2}) + u^{2} (L_{s 3})} = \\ \sqrt{0.507^{2} + 1.25^{2} + 0.577^{2}} = 1.47 ％ \end{array}$

3.4.2 扩展不确定度

合成标准不确定度的自由度称为有效自由度νeff,νeff可由韦尔奇-萨特思韦特公式计算

$ν_{e f f} = \frac{u_{c}^{4}}{\sum_{i = 1}^{n} \frac{u_{i}^{4}}{ν_{i}}} (4)$

由式(4)得本例中的有效自由度为:

$ν_{e f f} = \frac{u_{c}^{4} (L_{u})}{\frac{u^{4} (L_{s 1})}{ν_{1}} + \frac{u^{4} (L_{s 2})}{ν_{2}} + \frac{u^{4} (L_{s 3})}{ν_{3}}} = 303$

由有效自由度νeff=303,取置信概率p=95%,查t分布表,得包含因子kp

$k_{p} = t_{95} (303) = 1.96,$

则扩展不确定度为

$U_{p} = k_{p} u_{c} (L_{u}) = 2.9 ％$

以上是对CS-1000A检测液晶显示模块亮度的测量不确定度的评定,测量结果的不确定度表述为:

$\begin{array}{l} L = 705.8 c d / m^{2}, U_{95} = 2.9 ％ ‚ \\ ν_{e f f} = 303, 置信概率 p = 95 ％ \end{array}$

4 结束语

不确定度评定是计量工作的一项重要内容,测量不确定度是评定测量水平的指标,由于在进行合格评定时必须考虑测量不确定度对测量结果的影响,所以本文对目前尚未普及测量不确定度评定工作的质量检测机构或检测实验室提高自己的检测质量水平,降低产品合格评定中的误判风险,具有现实的意义。

测量结果不确定度的评定和表示方法,经过20多年的争论、研究和发展,业已趋于成熟,许多发达国家和发展中国家已经普遍采用,国际间的量值比对和实验数据的比较,更是要求提供包含因子或置信水准约定的测量结果的不确定度。显然,开展测量不确定度的评定工作,在不确定度表示方面保持与国际接轨,有利于各个国家和地区间的经济技术交流,也有助于提高自身在国内和国际市场上的竞争力。

参考文献

[1]JJF 1059-1999,测量不确定度评定与表示[S].1999.

工业液晶模块市场概览篇6

工业液晶市场的特点是产量少、品种多、客户要求多样化。主流尺寸通常涵盖4.3～19.2英寸, 且针对不同的应用环境, 明亮或昏暗, 低温或高温环境, 是否潮湿、振动, 广视角等, 需要不同的液晶模块。

例如, 三菱电机的彩色TFT液晶模块的主要技术特征:宽泛的工作温度范围 (-30～80℃) ;适用于室外户外环境的规格 (超高亮度, 半透半反液晶技术, 低反射, 阳光下可视玻璃树脂粘合型) ;可长期且稳定供货 (重视后续产品与现有产品的兼容性) 等。

彩色液晶显示模块篇7

一、原理简介

液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点, 在嵌入式应用系统中得到越来越广泛的应用, 这讲中向大家介绍的LCD1602液晶显示模块 (其内部控制器为HD44780芯片) , 它可以显示两行, 每行16个字符, 因此可相当于32个LED数码管, 而且比数码管显示的信息还多。采用单+5V电源供电, 外围电路配置简单, 价格便宜, 具有很高的性价比。LCD1602外观如图1 (a) 所示。1602字符型LCD模块的管脚分布如图1 (b) 所示, 其管脚各功能如表1所示。

值得提出的是, 各种液晶厂家均有提供几乎都是同样规格的1602模块或兼容模块, 尽管各厂家的对其各自的产品命名不尽相同;但其最初采用的LCD控制器采用的是HD44780, 在各厂家生产的1602模块当中, 基本上也都采用了与之兼容的控制IC, 所以从特性上基本上是一样的;当然, 很多厂商提供了不同的字符颜色、背光色之类的显示模块。

LCD1602有11个控制指令, 见表2。其中, DDRAM:显示数据RAM, 用来寄存待显示的字符代码;CGROM:字符发生存储器;CGRAM:用户自定义的字符图形RAM。限于篇幅原因在此不做详细叙述, 读者可以上网查看HD44780芯片资料和LCD1602数据手册。

这里介绍几个LCD1602编程时经常用到的几个指令, 见表3。

二、电路详解

如图2所示, 1602液晶的控制管脚都接到了单片机管脚上, 前文提到, 在功能设置指令中可以将液晶设为8位数据接口和4位数据接口, 图中采用的是8位的数据接口, 当然也可以当四位数据接口来用。液晶电源正端接5V, 负端接地, 背光正端接5V, 负端接地。此外, 液晶的偏压管脚 (VO) 接到一个电位器的中间抽头, 电位器的两端分别接5V和地, 这样就可通过调节电位器来实现对1602液晶对比度的调节。经实验测试, 笔者手里的1602液晶的偏压管脚的电压调节到0.3~0.4V时对比度效果最好, 也可以将该管脚通过一个1k的电阻下拉到地。读者可以自己实践测试。

三、程序设计

在对1602液晶设计程序前, 我们先看下其读写时序图, 从图3和图4可以看出, 1602液晶的读写操作时序可总结成表4所示。

对照时序, 我们可以很容易的写出驱动液晶的各个子函数, 如下所示。

要使1602液晶能正常工作和操作方便, 除了写数据和命令函数外, 还需要进行初始化等操作, 先将本讲中所用到的操作1602液晶的主要函数设计如下。

四、调试要点与实验现象

接好硬件 (特别是连接好1602液晶) , 通过冷启动方式将程序所生成的.hex文件下载到单片机运行后, 复位单片机, 然后可在学习板上看到液晶的显示的字符 (如图5所示) 。

调试时应注意的是, 因为液晶的内部显示操作需要一定的时间, 因此如果单片机在对1602液晶写操作时不进行读忙操作, 就应该延时足够的时间 (可用延时函数) 以让液晶内部能够接收命令或数据, 否则会让液晶无法工作或者工作不正常。此外对于V0管脚, 作为液晶显示器对比度调整端, 接正电源时对比度最弱, 接地电源时对比度最高, 对比度过高时会产生“鬼影”, 因此可通过一个电位器实现对其的电压调整, 前文提到, 将其调节到0.3~0.4V时对比度效果最好。

五、总结

彩色液晶显示模块篇8

目前,OLED 的研究重点是研制高稳定性的器件以达到实用化的要求,但同时研究实现高质量动态显示的驱动技术也很重要,因为只有结合良好的驱动技术,提高反应速度和分辨率,才能表现出OLED 的优异特点。然而,单色OLED显示就要求驱动电压具有较高的控制精度,彩色OLED显示如要同时精确地控制RGB三基色的灰度,实现起来难度更大。为实现真彩色,R、G、B三基色要各自实现256级灰阶[4,5,6]。文中所述电路属于全彩色动态驱动电路,将对其256级灰度显示以及外围驱动进行研究与设计,为今后大尺寸OLED显示器提供一个可行的技术方案。

1 驱动控制系统设计

显示器性能的好坏,一方面取决于显示器的制作材料,另一方面取决于显示器的驱动电路系统。驱动电路系统是保证显示器正常工作必不可少的部分,对显示性能起着举足轻重的作用,驱动电路系统的不同会导致显示器显示色彩、亮度以及显示的灰度、响应时间、功耗等显示器参数。而 OLED 显示屏需要专用的控制驱动芯片,只有OLED屏与驱动控制芯片的成功结合,才能推动OLED的发展从而取代LCD。然而,目前国内外对OLED研究的热点主要在器件与材料上,关于驱动电路和灰度控制方面的研究相对较少,现有的OLED驱动电路集成度低,针对 OLED特性的扫描效率优化度也不高。因此,设计高性能的OLED驱动电路,成为显示领域一个亟待解决的问题。文中在现有的研究基础上,自行设计了分辨率为480×640 彩色OLED 屏外围驱动电路,并对256级灰度实现方法进行了优化,使其与OLED完美结合,从而进一步推动OLED向前发展。

1.1 OLED像素单元电路

对于OLED驱动控制系统的实现,关键技术在于数据的写入和扫描控制,图1是单个像素的双管驱动电路。一个TFT 用来寻址,另一个是电流调制晶体管,用来为OLED 提供电流。为防止OLED 开启电压的变化导致电流变化,使用的是P沟器件,这样,OLED 处于驱动TFT的漏端,源电压与有机层上的电压无关[7]。

Data Line与寻址TFT的源级相连,Scan Line使地址TFT选通,数据线上的内容通过漏电流写入到存储电容CS上,并以电荷的形式暂存。

当Power Line为高电平时,驱动TFT的源级为高电平,同时CS上的电荷,将选通驱动TFT,其漏电流流过OLED显示器件,驱动其发光。数据线电平的高低决定了像素的亮暗。

1.2 256级灰度显示

所谓图像的灰度等级就是指图像亮度深浅的层次,将基色的发光亮度按强度大小划分,就是灰度级。显示屏能产生的灰度级越高,显示的颜色和图像层次就越多。而且人的视觉系统对亮度强弱的感受不仅与亮度本身的强弱相关,还与发光时间和点亮面积有关,在一定时间范围内,点亮时问越长、面积越大,人眼感觉的发光强度就越强。因而利用人眼对快速的亮暗闪烁并不敏感的“暂留”效应,变换发光体的点亮时间和面积来区分亮度,就会形成一种不同灰度级画面的视觉,一般灰度级越高,所显示的颜色和图像层次就越多,图像越柔和,图像层次越逼真。高灰度级以及有效的灰度调制方式对高清晰度显示的发展极其重要,目前OLED 显示驱动一个亟需解决的是灰度的精确性问题。

OLED 显示屏是可以用传统的模拟电压控制法来实现灰度,问题在于:亮度和数据电压之间呈非线性关系,缺少一个渐变的易于控制的线性区间,因此,采用模拟电压法调节发光强度,难以精确、有效地实现OLED的灰度级显示,现在总的趋势是使用数字驱动电路[8]。

数字驱动电路的困难在于工作频率比模拟驱动电路高得多,现阶段较为实用的灰度调制方法主要有两种。一种是脉宽调制法,即对驱动脉冲实现占空比的控制;另一种方法是子场控制法,这种方法将发光时间按1∶2∶4∶8∶…划分为若干个子场,不同的子场导通组合,就能实现不同的灰度等级。但采用脉宽调制法,其时序复杂,要求显示屏有较高响应速度;而采用子场法要求驱动频率较高,对高灰度级的实现难度大。

考虑到帧频与OLED屏体显示效率的折中,使驱动电路工作频率在一个合理水平,在脉宽调制和子场原理的基础上,对这两种方法进行优化,256级灰度采用通过对图像数据按位分时显示的方法实现,即对输入的8 bit像素信号RGB,通过给每种颜色字节的不同位分配不同的显示时间达到灰度显示的目的,使每位的显示时间为128∶64∶32∶16∶8∶4∶2∶1,利用其组合可以得到256级灰度显示所对应的子像素发光时间,实现视觉上的256级灰度即1 667万色显示,以实现高质量的显示画面。

为实现256级灰度,将一个像素点的扫描时间分成19个单位时间t,8 bit灰度数据q[7:0]从高位到低位所占的时间分别为8t,4t,2t,t,t,t,t,t。为使不同位显示时间成一定比例,从q[3]开始引入t/2的消影时间,q[2]引入t/4的消影时间,d[1]引入t/8的消影时间,d[0]引入t/16的消影时间,如图2所示,由控制电路产生消隐信号进行消隐。由此计算OLED屏亮度百分比λ=(8+4+2+l+1/2+1/4+1/8+1/16)/19=83.9%。

1.3 FPGA控制器

利用FPGA的处理速度和数据宽度高的优势以及芯片中可利用的丰富资源,为分辨率为480×RGB×640的OLED显示屏设计了外围驱动控制电路。其主要作用是向OLED显示屏提供扫描控制信号及进行OLED显示数据的数字信号处理。

根据OLED显示屏周边接口的结构和特性,利用FPGA芯片为其设计外围的驱动控制系统,为OLED屏提供控制信号以及传输所要显示的数据信号。

如图3所示,经解码后的图像数据存入FIFO(First In First Out)缓存中,在主时钟的控制下,FIFO中的图像数据将被载入到一个16×8的数据装载寄存器,当这16个8位数据装载寄存器装满时,将被一个144位的锁存器锁存,等待进入D/A转换模块;同时FPGA控制器还将在主时钟的控制下产生行列移位时钟和行列扫描起始脉冲,产生的时钟和脉冲进入DC-DC转换模块。

1.4 各种控制信号周期及频率

为使FPGA控制器能工作于一个合理的驱动频率以及提高显示屏的亮度,在结构上采用标准单元块的形式。对于分辨率480×3×640的显示屏,以8×16个显示像素灯管构成一个单元块,将480×3行分组组合成为90个块(Block),即每块由一组列信号同时驱动16行像素。设计列扫描驱动电路时,将640列电极分组组合成为80个块(Block),每个块并行驱动8列像素。

OLED显示屏的刷新频率是60 Hz/s,即显示一帧图像的时间为1/60 s,设为T,所以,行扫描起始信号stx的周期T为16 667 μs,占空比为1∶90;因为 OLED 显示屏480×3行电极分组组合成为90个Block,所以每一块的选通时间为T/90,即 185.185 μs。而cpx和cpbx是一对反相不交叠的脉冲信号,占空比为 50%,在脉冲信号的高电平和低电平时,都有一个Block行像素被选通,即在cpx和cpbx一个周期内有两个Block行像素被选通,所以行扫描驱动脉冲cpx和cpbx的周期为T/45,即370.370 μs。

同理,OLED 显示屏的列被分为80个Block,每个列Block的选通时间为2.315 μs,列扫描起始信号 sty 的周期为185.185 μs,占空比为1∶80。列驱动脉冲cpy和cpby亦是一对反相不交叠的脉冲信号,占空比为 50%,在脉冲信号的高电平和低电平时,都有一个Block被选通。由于每个列Block的选通时间为2.315 μs,所以列扫描驱动脉冲cpy和cpby的周期为4.630 μs。

在每个列Block选通期间,从FIFO中并行读出的8个8 bit数据进入数据锁存器锁存。在每个BLOCK选通期间都将进行一次数据的锁存,所以数据锁存信号Lock的周期为2.315 μs。因为当16个8位的数据装载寄存器都载满数据的时候才进行这144个数据的锁存,所以16位移位寄存器时钟clk_reg的周期为0.145 μs。从FIFO中读出数据的速度必须和向数据装载寄存器中装载数据的速度一致,则FIFO的读时钟clk_fifo的周期也为0.145 μs。对 0.15 μs(6.896 MHz)进行近似为7 MHz,所以令系统的基本时钟为14 MHz,由FPGA外部晶振产生。读时钟为基本时钟的二分频。

1.5 FPGA工作流程

FPGA处理器是设计的核心部分,其工作流程为,在每个clk_fifo时钟周期下,从8个FIFO缓存中并行读出8个8 bit像素数据,在时钟clk_reg上升沿到来时,16位移位寄存器发生移位,它的输出端接16个8位数据装载寄存器的片选端,这样16个8位数据装载寄存器逐个被选通,此时这些数据就可以载入到16个8位数据装载寄存器中,这16个8位寄存器的输出端接在144位锁存器的输入端上。16个时钟clk_reg上升沿过后,16个8位数据装载寄存器都将依次被装载满,此时数据锁存信号Lock到达,将144个数据锁存到144位数据锁存器中,然后这些数据进入到DA转换模块,转换成16路模拟量,送至OLED显示屏,完成一个Block数据的载入。

在列扫描驱动脉冲cpy和cpby的控制下,80个Block依次被选通,在每一Block被选通期间,都将进行一次144个数据的移位寄存和锁存,当80个Block都锁存完之后,一行数据的载入也就完成了。当第一行的80个Block数据显示完毕后,列扫描起始信号sty过来,又开始从第一列扫描,与此同时,在行扫描驱动脉冲cpx和cpbx的作用下,第二行像素被选通,所以,这时将进行第二行的1到80个Block的数据载入,以此类推,直到90行数据都显示完毕之后,行扫描起始信号stx到来,重新选通第一行,循环往复,一帧帧地显示数据。

2 仿真结果

选用Altera公司CycloneⅢ系列芯片EP3C10E144C8为目标芯片,采用Verilog HDL语言进行设计,在GX-SOPC-EDA-EP3C10-STARTER-EDK开发板上进行Modelsim仿真,仿真结果如图4和图5所示。

由图4仿真结果可以看出,80组列扫描脉冲cpy和cpby控制80个Block,80个列扫描脉冲完毕后,列扫描起始信号sty脉冲开始,继续扫描下一行。90行扫描完毕后,stx到来重新选通第一行,依此循环,符合设计的要求。

由图5仿真结果可以看出,对于输入的8 bit像素数据,经灰度产生模块转化为灰度数据。以第一个输入数据8 hff为例,每位的显示时间为128∶64∶32∶16∶8∶4∶2∶1,由其不同组合,从而实现了256级灰度的功能。

3 结束语

基于FPGA芯片设计了分辨率为480×RGB×640的真彩色OLED显示屏的驱动电路,在传统的子场原理和脉宽调制占空比实现灰度的基础上,对其进行优化,采用R、G、B单基色像素分时显示的方法,实现了256级灰度功能。经仿真和软硬件协同仿真验证,实现了设计所要求满足的功能。其256级灰度实现方法简单灵活,降低了对FPGA驱动频率的要求,对于在高刷率、高分辨率、高灰阶显示器件上的应用,具有很高的实用价值。利用该电路系统可以实现OLED显示的全彩色实时动态图像的传输,为今后OLED作为大尺寸显示器提供了技术支持。

摘要：利用FPGA控制模块,设计了OLED真彩色动态图像驱动控制电路。介绍采用FPGA实现OLED外围控制电路和256级灰度的方法,并分析电路中模块的作用及整个电路的工作过程。电路系统采用基于Altera公司的FPGA技术进行设计,以Verilog HDL为描述语言,Modelsim仿真结果表明,该方案能够实现预定目标,实现480×RGB×640彩色OLED屏256级灰度显示。

关键词：OLED,FPGA,256级灰度,外围控制电路

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