液晶显示模块驱动调试技术

摘要： 本文通过对液晶显示原理、LCM液晶显示控制器内部架构及工作原理的阐述，着重详述其软件设计技巧及在调试过程中如何对其电压、频率、有效值等进行操作，使LCD呈现最佳的显示效果。

关键词： 晶振；上电顺序；偏压；倍压

引言

如何使液晶显示器获得良好、稳定的显示效果，成为驱动开发人员值得探讨的话题。LCD依靠外场(包括光、热、电等)作用于初始排列不规则的液晶分子上，使其排列发生变化，进而实现对外界光的调制，使液晶显示器件发生明、暗、遮、透、变色等效果，达到显示目的。
  
以STN为例，在被写入象素前后电极之间施加上一个大于阈值的交变电场，使电极间原来呈180-170沿玻璃表面扭曲排列的液晶分子层中间部分的液晶分子变为倾斜垂直排列，从而使透过该处的线偏振光变为椭圆偏光，并在检偏处形成干涉色，实现显示。

液晶显示控制器原理

液晶显示控制器基本结构如图1，各厂商会加上一些特色设计(如无显示缓冲区，增加电容释放电路等)。

图1  液晶显示控制器基本结构

从图1可以看到，数据缓冲器和指令寄存器用于接收MPU发来的指令和数据，以及向MPU反馈所需的数据信息，同时以状态字寄存器表示控制器内部的操作状态。控制部对接收到的信息进行处理。它具有独立的时序振荡器和逻辑控制线路，可对显示缓冲区RAM的管理和对字符发生器的管理，实现对指令代码的译码并生成相应的逻辑控制信号以及完成对各参量寄存器的设置，同时还可实现对液晶显示驱动器的各种时序脉冲信号的产生，并可根据参量寄存器的某些状态将不同显示缓冲区的数据进行某种规律的组合，发送到驱动部；驱动部提供液晶显示模块所需的各种输出信号以及显示数据。这些信息包括帧扫描信号(FLM)，数据移位脉冲(CP)，数据锁存脉冲(LP)，驱动器交流驱动波形信号(M)以及显示数据(D)等。在刷新地址指针的寻址下，显示数据被送入显示混合电路，在并/串电路中转换成串行显示数据形式输出到液晶屏上。
  
这里，特别阐述一下晶振与液晶显示控制器的上电顺序。

晶振产生工作时钟，提供给时序发生器以生成控制时序和显示时序。控制时序将驱动逻辑电路以管理和操作各功能电路。它负责显示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，以及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以生成液晶显示驱动系统所需的驱动时序列脉冲序列，并实现显示数据向液晶显示驱动系统的传送。晶振的频率可通过寄存器进行设置。若频率过低，反映到液晶屏上会出现屏闪及水波纹现象；频率过高，会加大LCM功耗。

LCD的倍压、偏压由专门的电路供给。该电路会根据各厂商的设计思路影响LCM软件调试。以AR3302为例，其内部关系调节原理如图2。

图2  AR3302内部调节原理

倍压电路产生出的高电压经电压转换器加载到V0-V4端口用于驱动LCD。芯片内部寄存器可调节2-7倍倍压值，1/5-1/13的偏压比，以及128级电压设定值。AR3302内部设有分级倍压设置寄存器，软件设置时可置为一次倍压到位。而一些液晶显示控制器如PCF8835(或S6B33B2)，则无此设计，一次倍压会因基板无法提供足够电流，造成因倍压不到位，LCM不显示或花屏。因此针对该类芯片，在软件编写中应采取分步倍压设置。

液晶显示控制器上电会根据其内部电路设计有先后次序。一般而言，LCD逻辑系统电源应先于驱动电源供电，否则会造成空机上电池静置后开机白线等预想不到的情况，严重时会造成芯片永久性损坏。所以，芯片上电应严格按照以下步骤进行：

使用外部电源供电
上电时，应先打开逻辑系统电源，并进行复位操作；加载外部电压到相应的引脚(V0，V1，V2，V3，V4)；

关闭电源顺序：进行复位操作；切断外部LCD驱动电压；关闭逻辑系统电源。

使用内置电源供电

打开电源的顺序是先开逻辑系统电源(VDD)--倍压电路系统(VEE)，执行复位操作，倍压、电压转换电路使能；如果VDD/VEE电压不是同时预置，则VDD先上电；

关闭电源顺序：进行复位操作；关闭倍压电路系统(VEE)，关闭逻辑系统电源(VDD)。

指令系统

图3  指令流程图

液晶显示控制器通过指令系统调整施加到象素上的电压、相位、频率、峰值、有效值、时序、占空比等一系列参数、特性来建立起一定的驱动条件，使显示变化多端。如何调整寄存器值使液晶达到较好的显示效果，需参考液晶显示的参数以及多实践。一般而言，电压设定值、偏压、倍压寄存器三者的结合，可调整LCD的显示亮度、色泽饱和度。电压越高显示亮度越亮，显示会泛白，色彩饱和度较差。倍压输出应尽量与液晶工作电压(VOP)一致，VOP值过低，液晶无法工作；VOP值过高，会缩短液晶寿命，显示泛白。偏压决定了液晶扭转的角度，在对比度和灰度的控制中起着重要作用。液晶对比度是透过率之比，透过率又正比于施加有效电压值，因此，液晶的选通电压有效值与非选通电压有效值之比决定了对比性能好坏。电压设定值寄存器可辅助偏压的设定，进行微调。手机为用户提供的显示屏色彩调节即为此参数的应用。晶振频率调整刷屏速度，可改善屏水波纹现象；需要注意的是刷屏频率越快，LCM的功耗也会增加。因交流电才能使液晶显示，因此需设置N行翻转寄存器，即N行后加在液晶上的电压正负极翻转一次。交流电的正负电压有效值若不一致，则会造成显示亮暗不均，也就是常见的屏横纹。对于STN，为实现象素点的显示，须在Y列与X行上同时施加电压，这就存在选通点、半选通点和未选通点。若半选通点上的电压超过或接近VOP值，都会造成显示混乱，即交叉效应。N行翻转寄存器的调整可改善此类问题的出现。此外，还需注意初始化及开关机的顺序。未经过正常的开机程序，可能造成电压不稳，或倍压上不去，造成LCD显示花屏甚至无法正常初始化。同时，建议所有的液晶显示控制器都实行分步倍压至液晶VOP值，以避免出现开机/开盖花屏(开机时，基板对LCM初始化；开盖时，LCM退出休眠状态，恢复正常供电，液晶显示控制器倍压电路开始工作)。

结语

在平板显示器件空前发展的情况下，液晶显示器件以其轻、薄、小、耗电低等优点而一枝独秀。本文通过对液晶模块的显示、工作原理的阐述，对软件的设计、调试方法以及出现的问题进行了详细讲解，并总结出通用切实的调试方法。该方法已实践于多项FSTN、CSTN、TFT产品的开发量产，为公司赢得了中兴、奥盛、中电通信等客户。这里介绍给广大工程师，希望能以此快捷地开发出液晶显示器件，使其达到良好、稳定的显示效果，从而做到理论与实践相结合，缩短整机开发周期，为产品快速上市赢得宝贵时间。

参考文献：

1. 李维提，郭强，液晶显示应用技术[M]，北京：电子工业出版社，2000.3
2. 刘永智、杨开愚等，液晶显示技术[M]， 成都：电子科技大学出版,2000.12
3. 余理富，信息显示技术[M]，北京：电子工业出版社，2003.12