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LCD基础及S3C2410LCD控制器一、超薄平面显示器时代来临电视机所采用的CRT(阴极射线管)有着体积大、重量重、尺寸受限等缺点。随着电子科技的发展，对移动显示的要求越来越多，CRT的先天限制，让其小型化、行动化的理想受到阻碍。这使得开发新一代的显示器技术变得更有其必要！新一代的显示器讲求几个重点：平面直角，画面显示不变形、轻薄短小耗能少，携带方便且同时要与现有的影像信号技术兼容。目前谈论到超薄型显示器技术，最普及当是TFTLCD的应用了，举凡数字相机、笔记型计算机、PDA等，需要显示复杂信息的电子产品通通少不了它。TFTLCD技术又包含了，低温多硅晶TFTLCD、反射式TFTLCD等，多项不同的显示技术，下面我们就要来一探LCD的历史与原理。二、液晶的发明与发现液晶的诞生来自于一项非常特殊物质的发现，早在1850年Virchow,Mettenheimer和Valentin这三个人就发现nervefibre的粹取物中含有这种不寻常的东西。到了1877年德国物理学家OttoLehmann运用偏极化的显微镜首次观测到了液晶化的现象，但他对此一现象的成因并不了解。直到公元1888年，奥地利的植物学家FriedrichReinitzer（1857-1927）发现了螺旋性甲苯酸盐的化合物（cholesterylbenzoate），确认了这种化合物在加热时具有两个不同温度的熔点，在这两个不同的温度点中，其状态介于一般液态与固态物质之间，类似胶状，但在某一温度范围内其又具有液体和结晶双方性质，由于其特殊的状态。Reinitzer后来走访Lehmann深入探讨这种物质的表现，其后两人便命名这种物质为「LiquidCrystal」，就是液态结晶物质的意思。Reinitzer和Lehmann这两人被誉为液晶之父。同CRT阴极射线管一样，液晶虽早在1888年就被发现（实际上，但是实际应用在生活周遭时，已是80年后的事了。因为液晶在两次大战中对军事用途的帮助不大，以致于其发展落后CRT甚多。比较重要的是1922年Oseen和Z?cher这两位科学家为液晶确立状态变化之方程式。一直到了1968年美国RCA公司工程师们利用液晶分子受到电压的影响而改变其分子的排列状态，并且可以让入射光线产生偏转的现象之原理，制造了世界第一台使用液晶显示的屏幕。由此开始，加上了1970年代日本SONY与Sharp两家公司对液晶显示技术全面开发与应用，让液晶显示器成功的融入现代的电子产品之中。描述液晶的物理性质，必须先了解一般固态晶体具有方向性，而液态晶体这种特殊物质，不但具有一般固体晶体的方向性外，同时又具有液体的流动性。改变固态晶体方向必须旋转整个晶体，改变液态晶体就不用那幺麻烦，它的方向性可经由电场或磁场来控制。改变液晶的方向视液晶的成分而有所不同，有的液晶和电场平行时位能较低，所以当外加电场时会朝着电场方向转动，相对的，也有液晶是对应电场垂直时位能较低。由于液晶对于外加力量（电场或磁场敏感），从而呈现了方向性的效果，也导致了当光线入射液晶中时，必然会按照液晶分子的排列方式行进，产生了自然的偏转现像（见图3-1）。图3-1部分液晶分子的电子结构中，有着很强的电子共轭运动能力，所以当液晶分子受到外加电场的作用，便很容易的被极化产生感应偶极性（induceddipolar），这也是液晶分子之间互相作用力量的来源。而一般电子产品中所用的液晶显示器，就是是利用液晶的光电效应，藉由外部的电压控制，再透过液晶分子的折射特性，以及对光线的旋转能力来获得亮暗情况，进而达到显像的目的。电源关闭时，液晶具有偏光效果可将入射光线转弯，穿过极栅，呈现亮色电源开启时液晶不具有偏光的功能因此光线不能通过极栅呈现暗色三、液晶显示器的种类利用液晶制成的显示器称为液晶显示器，英文称LCD（LiquidCrystalDisplay）。其种类可分为依驱动方式之静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）以及主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。而其中，单纯矩阵型又是俗称的被动式（Passive），可分为扭转向列型（TwistedNematic，简称TN）和超扭转式向列型（SuperTwistedNematic，简称STN）两种；而主动矩阵型则以薄膜式晶体管型（ThinFilmTransistor；TFT）为目前主流。TN型TN型液晶显示技术可说是液晶显示器中最基本的，其它种类的液晶显示器也可说是以TN型为蓝本加以改良。同样的，它的运作原理也较其它技术来的简单。TN的构造包括了垂直方向与水平方向的偏光板（Polarizer），其上具有细纹沟槽，中间夹杂液晶材料以及导电的玻璃基板（Glass）。STN/DSTNSTN型的显示原理也类似，不同的是TN型的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN则可将入射光旋转180~270度。单纯的TN显示器本身只有明暗两种显示（或黑白），无法产生色彩的变化。TNLCD采用的是“直接驱动”无法显示较多的像素，且画面的对比小，反应速度慢，视角更仅在+30度以下(即观赏角度约60度)，显示质量也较差；故TN型LCD主要用途在于简单的数字符与文字的显示，如：电子表及电子计算器等。STN的出现改善了视角狭小的缺点并提高对比率，STN以“多任务驱动”增加扫瞄线数提高画素显示，品质较TN来得高。再搭配彩色滤光片的使用，将单色显示矩阵的任一像素（pixel）分成三个子像素（sub-pixel），分别透过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，可以显示出逼近全彩模式的色彩。由于STN显示的画面色彩对比度仍只达30：1(对比愈小，画面愈不清楚)；反应速度为150ms（毫秒），作为一般操作显示接口尚可，但若要播放电影速度仍然不够。由于STN仍有不少缺点，后续的DSTN则通过双扫描方式来显示，由于DSTN采用双扫描技术，因此显示效果相对STN来说，有大幅度提高。DSTN反应速度可达到100ms，但因它们都为“被动式驱动”，在电场反复改变电压的过程中，每一像素的恢复过程都较慢，在屏幕画面快速变化时，例如：显示网球比赛的转播，就会产生所谓的“拖尾”现象。特别是当网球选手击球的那一瞬间，你就可以看到拖屏幕上出现“球迹尾”现象。不过，DSTN价格便宜、功耗能低，一些PDA等，仍使用DSTN作为显示装置。TFTTN与STN型液晶显示器都是使用场电压驱动方式，如果显示尺寸加大，中心部位对电极变化的反应时间就会拉长，显示器的速度就跟不上。为了改善这个的问题，主动式矩阵（active-matrix）驱动被提出，主动式TFT型的液晶显示器的结构较为复杂包括了：背光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料和薄模式晶体管等等（如图3-2）。在TFT型液晶显器中，导电玻璃上画上网状的细小线路，电极则由是薄膜式晶体管所排列而成的矩阵开关，在每个线路相交的地方配有控制闸，各显示点控制闸配合驱动讯号作动。电极上之晶体管矩阵依显示讯号开启或关闭液晶分子的电压，使液晶分子轴转向而成“亮”或“暗”的对比，避免了显示器对电场效应的依靠，转以晶体管开启和关闭的速率作为决定步骤。也因此，TFT-LCD的显示质量较TN/STN佳，画面显示对比可达150：1以上，反应速度逼近30ms甚至更快。同时又可以全彩甚至真彩效果显示，产品适用于PDA、笔记型计算机、液晶显示器、汽车导航系统、数字相机及液晶投影机。图3-2下面的表格对TN、STN、TFT的各自特性做了对比TN、STN及TFT型液晶显示器之比较表类别TNSTNTFT原理液晶分子，扭转90度扭转180~270度液晶分子，扭转90度特性黑白、单色低对比黑白、彩色,低对比彩色（1667万色）高对比全色彩化否否可媲美CRT之全彩色动画显示否否可媲美CRT视角30度以下40度以下80度以下面板尺寸1~3寸1~12寸37寸以下四、液晶显示器的发展与未来TFTLCD之所以成功，在于其每个像素后面都配置一个晶体管开关作为控制整合之用，以致于整个TFTLCD看起来就类似一个大型整合电路。由于TFTLCD必须将画素作得非常小，让人眼只能看到画面，分辨不出画素，所以TFTLCD的生产工艺就相当精密。过去，因为技术尚未成熟，在一大片的TFTLCD当中难免有些节点，无法连接或连接错误，导致无法显示正确画素，这些统称“坏点”，包含常见的“红、蓝、绿点”无法自行控制、“黑、白点”无法使用等。目前高精密的技术已经足以克服TFTLCD在生产过程中产生“坏点”的机率，部分“坏点”也可通过“暗点化”（人类的眼睛对于暗画素不敏感）将其消隐。由于TFT-LCD成功的解决CRT的缺点，连带的使其应用范围加广范！同时，也发生了一些意想不到的问题，例如：在阳光下TFTLCD显示不佳，需要倚靠遮光罩或透光式设计减少反光的发生，才能将其看得清楚。另外，也有利用特殊镀膜技术，减少背景光泄漏、增加屏幕黑度、提高对比度的作用，并可以同时减小在日常明亮工作环境下的眩光现象。五、S3C2410内置LCD控制器详解一块LCD屏显示图像，不但需要LCD驱动器，还需要有相应的LCD控制器。通常LCD驱动器会以COF/COG的形式与LCD玻璃基板制做在一起，而LCD控制器则有外部电路来实现。而S3C2410内部已经集成了LCD控制器，因此可以很方便地去控制各种类型的LCD屏，例如：STN和TFT屏。由于TFT屏将是今后应用的主流，因此接下来，重点围绕TFT屏的控制来进行。S3C2410LCD控制器的特性：STN屏－支持3种扫描方式：4bit单扫、4位双扫和8位单扫－支持单色、4级灰度和16级灰度屏－支持256色和4096色彩色STN屏（CSTN）－支持分辩率为640*480、320*240、160*160以及其它规格的多种LCDTFT屏－支持单色、4级灰度、256色的调色板显示模式－支持64K和16M色非调色板显示模式－支持分辩率为640*480，320*240及其它多种规格的LCD对于控制TFT屏来说，除了要给它送视频资料（VD[23:0]）以外，还有以下一些信号是必不可少的，分别是：VSYNC（VFRAME）：帧同步信号HSYNC（VLINE）：行同步信号VCLK：像数时钟信号VDEN（VM）：数据有效标志信号图3-3是S3C2410内部的LCD控制器的逻辑示意图：图3-3REGBANK是LCD控制器的寄存器组，用来对LCD控制器的各项参数进行设置。而LCDCDMA则是LCD控制器专用的DMA信道，负责将视频资料从系统总线（SystemBus）上取来，通过VIDPRCS从VD[23:0]发送给LCD屏。同时TIMEGEN和LPC3600负责产生LCD屏所需要的控制时序，例如VSYNC、HSYNC、VCLK、VDEN，然后从VIDEOMUX送给LCD屏。TFT屏时序分析图3-4是TFT屏的典型时序。其中VSYNC是帧同步信号，VSYNC每发出1个脉冲，都意味着新的1屏视频资料开始发送。而HSYNC为行同步信号，每个HSYNC脉冲都表明新的1行视频资料开始发送。而VDEN则用来标明视频资料的有效，VCLK是用来锁存视频资料的像数时钟。并且在帧同步以及行同步的头尾都必须留有回扫时间，例如对于VSYNC来说前回扫时间就是（VSPW+1）＋（VBPD+1），后回扫时间就是（VFPD+1）；HSYNC亦类同。这样的时序要求是当初CRT显示器由于电子枪偏转需要时间，但后来成了实际上的工业标准，乃至于后来出现的TFT屏为了在时序上于CRT兼容，也采用了这样的控制时序。图3-4YFARM9-EDU-1采用的是Samsung公司的1款3.5寸TFT真彩LCD屏，分辩率为240*320，下图为该屏的时序要求。图3-5通过对比图3-4和图3-5，我们不难看出：VSPW+1=2-VSPW=1VBPD+1=2-VBPD=1LINVAL+1=320-LINVAL=319VFPD+1=3-VFPD=2HSPW+1=4-HSPW=3HBPD+1=7-HBPW=6HOZVAL+1=240-HOZVAL