TFT-LCD系統(tǒng)時序控制模塊的設(shè)計

TFT-LCD系統(tǒng)時序控制模塊的設(shè)計

摘要：說明時序控制模塊和LCD系統(tǒng)中其它子模塊之間的關(guān)系，對時序控制模塊所要解決的時序問題進行分析。在分析問題的基礎(chǔ)上提出一種適用于中、小尺寸液晶顯示系統(tǒng)時序控制模塊的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。對時序控制模塊進行功能驗證，給出FPGA邏輯功能驗證結(jié)果，證明設(shè)計可行。

    LCD技術(shù)已成為平板顯示的主流技術(shù)，其中，中、小尺寸液晶產(chǎn)品成為開發(fā)的主流。中、小型LCD的應(yīng)用將更加廣泛。
    應(yīng)用于中、小尺寸液晶顯示的主要技術(shù)有：
(1)STN-LCD(Super Twisted Nematic，超扭轉(zhuǎn)向列式液晶)；
(2)TFT-LCD(Thin Film Transistor，薄膜晶體管液晶顯示器)；
(3)LTPS(Low TemperaturePoly Silicon，低溫多晶硅)等三種。而其中技術(shù)最為成熟的是TFT-LCD。
    由于TFT電流較低，無法直接在TFT上設(shè)計線路，因此，為了使TFT-LCD工作，需要外建IC控制電路。目前大多數(shù)有關(guān)TFT-LCD控制IC的
資料中對于時序控制器的介紹都很簡略，對其時序的控制和產(chǎn)生的原理缺乏深入分析。事實上，時序控制器TCON(Timing Controller)所產(chǎn)生的同步控制信號是決定TFT-LCD能否正常顯示的關(guān)鍵，因此它是TFT-LCD模塊組成中的核心控制部分之一，即控制中心。
    本文首先粗略介紹液晶顯示系統(tǒng)組成，之后重點分析應(yīng)用于中、小尺寸TFT-LCD的時序控制器(TCON)的工作原理，并在原理的基礎(chǔ)提出了一種TCON模塊的結(jié)構(gòu)框圖，最后給出TCON模塊的FPGA驗證。

2 TFT-LCD系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)
    TFT-LCD系統(tǒng)由兩個部分組成：LCD控制模塊和LCD面板模塊。實際應(yīng)用中液晶面板又分兩種，傳統(tǒng)面板和智慧整合型面板，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
圖1 TFT-LCD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
    TFT-LCD Monitor系統(tǒng)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，處理PC顯卡輸出的模擬信號、數(shù)字視頻接口、視頻解碼器(處理視頻信號)、TMDS接收器、在屏顯示、控制單元、時序控制器、背光Source驅(qū)動器、Gate驅(qū)動器等組成。
    TFT-LCD顯示器工作時，前端部分的控制電路模塊主要工作是將PC主機或是影音裝置(如DVD Player)輸出的訊號進行轉(zhuǎn)換，例如由PC顯示
卡輸出的模擬訊號，經(jīng)由ADC組件的轉(zhuǎn)換，成為數(shù)字訊號；類似地，影音訊號則經(jīng)由Video Decoder的轉(zhuǎn)換，成為相同的數(shù)字訊號，這些訊號再經(jīng)過Scaler IC作放大或縮小的動作，并進行數(shù)字影像處理，再由cable線傳輸訊號到液晶模塊，然后通過時序控制器產(chǎn)生所需要的時序控制信號驅(qū)動縱向的驅(qū)動Ic和橫向的驅(qū)動IC，其中縱向的驅(qū)動IC負責控制數(shù)據(jù)的寫入，由橫向的驅(qū)動IC控制晶體管的開/關(guān)，并配合其它組件，如供電模塊，即可正確顯示圖像。

3 TCON模塊的設(shè)計分析
     對于大尺寸的液晶顯示面板，TCON模塊的設(shè)計相對復雜。因為在高分辨率顯示系統(tǒng)中，時鐘頻率很高，所以在基于時鐘信號產(chǎn)生時序控制信號以前，需要先對同步時鐘進行擴頻處理，以減小EMI(Electromagnetic Interference，電磁干擾)，使其通過EMC測試。由于同步時鐘經(jīng)過了擴頻處理，則視頻數(shù)據(jù)也要通過相應(yīng)的處理才能正常顯示，否則就會遺失數(shù)據(jù)。
    中、小尺寸LCD的TCON控制相對簡單，基本的工作過程是首先由輸入的信號確定TFT-LCD屏幕的分辨率、工作模式、顯示模式等信息，然后根據(jù)這些信息來確定合適的參數(shù)值，最后產(chǎn)生所需要的控制信號，無需對視頻數(shù)據(jù)做處理就可以使TFT-LCD正常工作。
    本文只對適用于中、小尺寸LCD的時序控制模塊進行討論。
3.1 模式選擇
    由于不同分辨率的LCD、不同工作模式所需要的輸出控制信號有所不同，因此TCON工作時，首先要做出判斷，選擇正確的工作模式，以便于產(chǎn)生相應(yīng)合適的控制信號。這些選擇包括LCD分辨率選擇、外部/鎖相環(huán)電路(PLL)時鐘模式選擇、分離/復合工作模式選擇、NTSC/PAL制式選擇及高分辨率下的顯示模式選擇 。
     LCD分辨率選擇：在實際的顯示系統(tǒng)中，TFT-LCD有不同的尺寸與分辨率，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。對于不同分辨率的LCD，所需要的某些控制信號會有不同。
    外部/PLL時鐘模式選擇：工作時鐘源的提供有兩種方式：鎖相環(huán)電路(PLL)模式和外部時鐘模式。在PLL工作模式中，VCO電路產(chǎn)生振蕩，通過鎖相環(huán)電路調(diào)相后給TCON提供穩(wěn)定的工作時鐘；在外部工作模式中，工作時鐘由外部提供。
    分離/復合模式選擇：輸入同步信號可分為復合同步信號和分離同步信號，這兩種同步信號的同步脈沖標志位不相同。
    NTSC/PAL制式選擇：NTSC和PAL制式的每幀行數(shù)和同步脈沖的標志位完全不同，因此在處理輸入信號及產(chǎn)生控制信號以前應(yīng)做出判斷選擇。高分辨率下的顯示模式選擇：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種不同的顯示模式，不同顯示模式下，其顯示區(qū)域、輸出控制信號脈寬會有所不同。

3.2 Gate Driver及Source Driver陣列控制
    TFT-LCD面板等效電路如圖2所示，其中每一個TFT和電容代表一個顯示的點，而一個基本的顯示單元pixel，則需要三個這樣顯示的點，分別來代表RGB三原色。以一個480*234分辨率的TFT-LCD來說，共需要480*234*3個這樣的點組合而成。整個面板的大致結(jié)構(gòu)如圖2。
 
圖2 液晶面板等效電路
    TFT-LCD工作時，首先按一定順序?qū)⒚恳恍蠫ate Driver打開，然后整排的Source Driver同時將一整行的顯示電極充電到各自所需的電壓，顯示不同的灰階。當這一行充好電時，Gate Driver便將電壓關(guān)閉，然后下一行的Gate Driver便將電壓打開，再由相同的一排Source Driver對下一行顯示電極進行充放電。如此依序下去，當充好了最后一行顯示電極，便又回過來從頭從第一行再開始充電。
    為了使上述過程正常進行，TCON模塊就要產(chǎn)生正確的時序信號，控制Gate Driver及Source Driver在合適的時間打開與關(guān)閉，使TFT-LCD正
常工作?？刂菩盘柸鐖D3所示。
 
圖3 Driver控制信號
    如圖3(a)所示，在TCON輸出信號控制下，每一行的Gate Driver會依次打開，與此同時，如圖3(b)所示，Source Driver的使能信號會對RGB數(shù)據(jù)進行采樣，以確定需要達到的電壓，最后對顯示電極充電顯示出圖像。需要注意的是，Gate Driver使能信號脈沖持續(xù)的時間要足夠長，能讓SourceDriver使顯示電極達到合適的電壓。并且在實際的應(yīng)用中，并非所有的數(shù)據(jù)信號都有效，而是有確定的行、場開始位置與顯示區(qū)域，因此還要對GateDriver與Source Driver的開始進行控制，以確保只顯示有效數(shù)據(jù)。

3.3 其它組件控制
    為了使整個TFT-LCD系統(tǒng)正常工作，除了要控制Driver以外，還需要控制一些其它組件，與Driver相配合，才可以正常顯示。如解碼器、TFT-LCD的Common電壓、RGB數(shù)據(jù)輸出順序反轉(zhuǎn)、PLL時鐘模式時對鎖相環(huán)電路的控制等。解碼器：對于解碼器，TCON要控制其工作時
機，使其解碼輸出工作時序與Gate Driver的工作時序相匹配。
    TFT-LCD的Common電壓：在TFT－LCD設(shè)計中，為了降低Source Driver的最大工作電壓及電路設(shè)計的復雜度與成本，并且由于液晶分子不能長時間固定在同一電壓下的特性，所以TFT－LCD工作時，Common電壓需要在TCON輸出信號的控制下不停地做極性轉(zhuǎn)換。
    RGB數(shù)據(jù)輸出順序反轉(zhuǎn)：配合Common電壓反轉(zhuǎn)，控制液晶面板根據(jù)電平值，顯示正確的色彩如圖4所示。
 
圖4 Common電壓與RGB時序
    鎖相環(huán)電路：在PLL時鐘模式下，外部的VCO振蕩電路在某些不穩(wěn)定因素影響下，其輸出時鐘頻率會產(chǎn)生漂移，直接影響TCON模塊的正常工作，間接影響了整個TFT－LCD系統(tǒng)。為了防止這種情況發(fā)生，TCON模塊會產(chǎn)生一個時鐘的相位比較信號，通過鎖相環(huán)電路，使VCO輸出的工作時鐘頻率穩(wěn)定在一個允許范圍之內(nèi)。

3.4 時序控制模塊的結(jié)構(gòu)
    根據(jù)上述分析，給出時序控制模塊的一種結(jié)構(gòu)框圖，如圖5所示：
 
圖5 時序控制模塊結(jié)構(gòu)框圖
    模式選擇模塊用來確定LCD分辨率及工作模式，選擇合適時鐘信號，產(chǎn)生所需的時間參數(shù)(如輸出控制信號脈寬等)，以及水平、垂直開始位置及顯示區(qū)域信息，用于控制Driver正確顯示有效數(shù)據(jù)。Source Driver控制模塊根據(jù)模式選擇所產(chǎn)生的時間參數(shù)和垂直開始位置及顯示區(qū)域，對每場的開始行位置及每場顯示行數(shù)進行限制，再配合行、場同步信號時序，輸出控制信號使Source Driver正常工作。對于不同分辨率的顯示屏，Source Driver的采樣周期不同，分辨率越高，每個像素采樣時間就會越短，以便在固定的場、行周期內(nèi)顯示完整畫面。類似地，Gate Driver控制模塊則是根據(jù)模式選擇所產(chǎn)生的時間參數(shù)和水平開始位置及顯示區(qū)域，對每行的開始點及每行顯示區(qū)域進行限制，再配合
行、場同步信號時序，輸出控制信號使Gate Driver正常工作。
    其它組件控制模塊在Driver工作時，由行、場同步信號及時間參數(shù)，控制其它一些組件與Driver工作時序相匹配，使LCD面板正常顯示。

4 FPGA邏輯功能驗證
    參照圖5中的結(jié)構(gòu)圖，用Verilog語言對時序控制模塊進行行為級描述，并結(jié)合TFT－LCD其它組件，進行FPGA邏輯功能驗證。
    本文選用XILINX 公司Spartan－II系列XC2S200芯片作為目標芯片，該芯片集成有20萬個等效邏輯門，含有5,292個邏輯單元，最高工作頻率可以達到200MHz以上。以Modelsim5.5為仿真平臺，運用Verilog HDL語言描述了整個結(jié)構(gòu)，并進行了編譯、仿真及下載驗證。仿真環(huán)境：輸
入時鐘源為PLL模式，TFT-LCD分辨率為480×234，NTSC制式，復合同步模式。
    只有在相應(yīng)工作模式所要求的顯示區(qū)域內(nèi)Driver的控制信號才有有效輸出，與其它控制信號時序相匹配。TFT-LCD顯示正常。

5 結(jié)束語
    TFT-LCD顯示系統(tǒng)工作時各模塊的協(xié)同配合至關(guān)重要。TCON模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接影響了其輸出顯示時序信號的正確性與工作效率，作為
TFT-LCD顯示系統(tǒng)的中心控制模塊，它負責控制LCD系統(tǒng)中最重點的顯示部分，是使其達到良好的顯示效果的關(guān)鍵。本文以Modelsim5.5為仿真平臺，運用VerilogHDL語言描述了整個結(jié)構(gòu)，并進行了編譯、仿真，選用XILINX公司Spartan-II系列XC2S200芯片作為目標芯片進行驗證，給出仿真與驗證結(jié)果。實踐證明，LCD顯示效果良好，本文提出的TCON模塊設(shè)計是可行的,可以參考。