TFT-LCD系统时序控制模块的设计

摘要：说明时序控制模块和LCD系统中其它子模块之间的关系，对时序控制模块所要解决的时序问题进行分析。在分析问题的基础上提出一种适用于中、小尺寸液晶显示系统时序控制模块的实现结构。对时序控制模块进行功能验证，给出FPGA逻辑功能验证结果，证明设计可行。

LCD技术已成为平板显示的主流技术，其中，中、小尺寸液晶产品成为开发的主流。中、小型LCD的应用将更加广泛。

应用于中、小尺寸液晶显示的主要技术有：
(1)STN-LCD(Super Twisted Nematic，超扭转向列式液晶)；
(2)TFT-LCD(Thin Film Transistor，薄膜晶体管液晶显示器)；
(3)LTPS(Low TemperaturePoly Silicon，低温多晶硅)等三种。而其中技术最为成熟的是TFT-LCD。

由于TFT电流较低，无法直接在TFT上设计线路，因此，为了使TFT-LCD工作，需要外建IC控制电路。目前大多数有关TFT-LCD控制IC的

资料中对于时序控制器的介绍都很简略，对其时序的控制和产生的原理缺乏深入分析。事实上，时序控制器TCON(Timing Controller)所产生的同步控制信号是决定TFT-LCD能否正常显示的关键，因此它是TFT-LCD模块组成中的核心控制部分之一，即控制中心。

本文首先粗略介绍液晶显示系统组成，之后重点分析应用于中、小尺寸TFT-LCD的时序控制器(TCON)的工作原理，并在原理的基础提出了一种TCON模块的结构框图，最后给出TCON模块的FPGA验证。

2 TFT-LCD系统的一般结构

TFT-LCD系统由两个部分组成：LCD控制模块和LCD面板模块。实际应用中液晶面板又分两种，传统面板和智慧整合型面板，结构如图1所示。

图1 TFT-LCD系统结构框图

TFT-LCD Monitor系统包括模数转换器，处理PC显卡输出的模拟信号、数字视频接口、视频解码器(处理视频信号)、TMDS接收器、在屏显示、控制单元、时序控制器、背光Source驱动器、Gate驱动器等组成。

TFT-LCD显示器工作时，前端部分的控制电路模块主要工作是将PC主机或是影音装置(如DVD Player)输出的讯号进行转换，例如由PC显示

卡输出的模拟讯号，经由ADC组件的转换，成为数字讯号；类似地，影音讯号则经由Video Decoder的转换，成为相同的数字讯号，这些讯号再经过Scaler IC作放大或缩小的动作，并进行数字影像处理，再由cable线传输讯号到液晶模块，然后通过时序控制器产生所需要的时序控制信号驱动纵向的驱动Ic和横向的驱动IC，其中纵向的驱动IC负责控制数据的写入，由横向的驱动IC控制晶体管的开/关，并配合其它组件，如供电模块，即可正确显示图像。

3 TCON模块的设计分析

对于大尺寸的液晶显示面板，TCON模块的设计相对复杂。因为在高分辨率显示系统中，时钟频率很高，所以在基于时钟信号产生时序控制信号以前，需要先对同步时钟进行扩频处理，以减小EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)，使其通过EMC测试。由于同步时钟经过了扩频处理，则视频数据也要通过相应的处理才能正常显示，否则就会遗失数据。

中、小尺寸LCD的TCON控制相对简单，基本的工作过程是首先由输入的信号确定TFT-LCD屏幕的分辨率、工作模式、显示模式等信息，然后根据这些信息来确定合适的参数值，最后产生所需要的控制信号，无需对视频数据做处理就可以使TFT-LCD正常工作。

本文只对适用于中、小尺寸LCD的时序控制模块进行讨论。

3.1 模式选择

由于不同分辨率的LCD、不同工作模式所需要的输出控制信号有所不同，因此TCON工作时，首先要做出判断，选择正确的工作模式，以便于产生相应合适的控制信号。这些选择包括LCD分辨率选择、外部/锁相环电路(PLL)时钟模式选择、分离/复合工作模式选择、NTSC/PAL制式选择及高分辨率下的显示模式选择 。

LCD分辨率选择：在实际的显示系统中，TFT-LCD有不同的尺寸与分辨率，一般中、小尺寸的TFT-LCD的分辨率有480*234(2.5、3.5)、

960*234(3.6、5、6.4)、1200*234(6.5)、1440*234(6.2、7)、1920*234(9)等。对于不同分辨率的LCD，所需要的某些控制信号会有不同。

外部/PLL时钟模式选择：工作时钟源的提供有两种方式：锁相环电路(PLL)模式和外部时钟模式。在PLL工作模式中，VCO电路产生振荡，通过锁相环电路调相后给TCON提供稳定的工作时钟；在外部工作模式中，工作时钟由外部提供。

分离/复合模式选择：输入同步信号可分为复合同步信号和分离同步信号，这两种同步信号的同步脉冲标志位不相同。

NTSC/PAL制式选择：NTSC和PAL制式的每帧行数和同步脉冲的标志位完全不同，因此在处理输入信号及产生控制信号以前应做出判断选择。高分辨率下的显示模式选择：高分辨率下有Full Mode、Normal Center Mode、Normal Wide Mode、Normal Left Mode、Normal Right Mode、Zooml Mode、Zoom2 Mode及Zoom3 Mode 8种不同的显示模式，不同显示模式下，其显示区域、输出控制信号脉宽会有所不同。

3.2 Gate Driver及Source Driver阵列控制

TFT-LCD面板等效电路如图2所示，其中每一个TFT和电容代表一个显示的点，而一个基本的显示单元pixel，则需要三个这样显示的点，分别来代表RGB三原色。以一个480*234分辨率的TFT-LCD来说，共需要480*234*3个这样的点组合而成。整个面板的大致结构如图2。

图2 液晶面板等效电路