彩色 TFT 显示器使用的微控制器技术

　　显示技术以光速向前发展。多年来，即使是复杂的设备也使用数字和字母数字显示技术、按钮和 LED。

　　随着大规模生产、制造改进和竞争，薄膜晶体管 （TFT） 显示器的价格大幅下降，同时性能大幅提升。它们是事实上的标准，不仅是预期的，而且要求任何现代用户界面都是全彩色的、明亮的背光、触摸敏感的，并且具有高视频速度和良好的视角。

　　虽然简单的低成本 8 位微控制器可以轻松处理多路复用的 7 和 14 段 LED 和字母数字 LCD 显示器，但驱动 TFT 所需的内存、处理器速度和外围资源却超出了大多数普通微控制器的处理能力。因此，需要专用的控制器芯片、嵌入式模块或更快、更密集、更精简的处理器架构。

　　本文着眼于制作良好 MCU 到 TFT 接口的因素。这包括为 TFT 应用选择微控制器时要寻找的存储器深度和架构、分页、数据传输、信号电平、接口和片上外设。它检查了 TFT 技术和当今的产品供应，您的设计将需要驱动这些产品。它还研究了一些为彩色 TFT 显示器提供本机支持的微控制器，了解它们的技术、特性、权衡和限制。本文中提到的所有显示器、微控制器、驱动器、逆变器和开发工具均可从 Digi-Key Corporation 获得。

　　技术

　　TFT 显示器是一种液晶显示器，其中控制像素晶体的晶体管被​​蚀刻到沉积在玻璃上的非晶硅层中（见图 1）。正如在 IC 工艺中一样，在几何上形成了非常小的晶体管。晶体管的小尺寸意味着它不会显着衰减通过的光。

　　图 1：偏振光通过一个液晶盒，该液晶盒看起来像一个受外加电场控制的电容器。

　　TFT 的优势在于它们对于视频来说足够快，提供大而平滑的调色板，并且可以通过电子二维控制矩阵进行像素寻址（参见图 2）。大多数低成本显示器使用通过等离子体增强化学气相沉积沉积在玻璃上的非晶硅晶体层。

　　图 2：在电子方面，整个显示器使用稳定的 V COM参考，伽马校正的驱动电压通过每个晶体管。

　　许多版本的 TFT 技术将我们引向了现代显示器。诸如视角差、对比度差和背光差等早期投诉已得到解决。更好的光源、漫射器和偏振器使许多显示器非常生动，有些甚至声称是日光可读的。平面内切换等现代技术通过使晶体在与显示平面平行的方向而不是垂直方向上移动来改善视角。现代显示器的更好的速度和对比度使它们以相当低的成本获得高性能。

　　由于 TFT 不是发光器件，因此它们需要背光。最常用的背光技术是冷阴极荧光灯 （CCFL）。之所以设计、选择和使用这些设备，是因为它们非常高效且使用寿命非常长。通常，CCFL 灯泡的半衰期为 50，000 小时。‘ 这意味着在 50，000 小时后，它仍然有效，但强度只有新时的一半。

　　现代显示器，尤其是较小的显示器，已经过渡到基于白色 LED 的背光。这些更容易制造，不需要 CCFL 灯泡所需的高压逆变器，并且与 CCFL 技术相比，成本接近更低。CCFL 和 LED 技术都将使用叠层内部的漫射层来均匀分布光线。基于 LED 的背光灯实际上可能是侧灯，并使用光管结构来分配光线。

　　但请注意，直到最近，LED 制造商才声称 LED 照明的预期寿命更长。时间将证明 LED 照明的真正寿命。但是，它肯定会继续改进。

　　半透反射技术正在稳步改进，并且可用于某些 TFT 显示器。这是使用背光和环境外部光来使显示器可见的地方。阳光可能会使其可见，但一般而言，透反射显示器的透射率较低。这意味着背光必须更亮（并且需要更多功率）才能与一直需要背光的纯透射式显示器相媲美。

　　对于 TFT 和大多数彩色显示技术，单个像素包含一个红色、一个绿色和一个蓝色像素 （pel）。每种颜色的相对强度将决定最终的混合颜色。

　　通过像素的光透射率与施加到液晶像素的电压之间的关系不是线性的。这意味着标准线性 DAC 输出与标准显示器的标准 RGB 校准不匹配。在某些应用中，例如游戏和手机，这可能并不重要，因为低分辨率、褪色视频的观众几乎不会注意到颜色的轻微变化。但对于医疗、仪器仪表和其他要求更高的应用类型，伽马校正可能是规划设计时需要考虑的重要因素。

　　可以将伽马校正芯片或查找表插入数据流中以进行此校正。你应该有一个液晶显示器的一致性。请注意，许多 LCD 制造商并不制造自己的母玻璃。因此，它们会因供应商而异。除非您使用真正自己制造玻璃的供应商，否则这可能会成为以后的问题。

　　颜色深度或调色板取决于用于每种颜色的位分辨率。这通常包括从红色、绿色和蓝色各 6 位组成的 18 位接口，到每种颜色使用 8 位的 24 位接口。

　　一些显示器将使用抖动和交替像素颜色来更好地混合中间颜色。由于基于荧光粉的显示器的余辉效应不会延续到 LCD，因此还使用了更高的帧速率。确定您将使用的显示器的质量和平滑度。并非每种帧速率控制技术都能产生无闪烁和无抖动的性能，尤其是在某些分辨率下。如果您注意到这一点，您的客户和最终用户也会注意到您的设计。

　　谢谢你的记忆

　　映射显示图像所需的内存是关键。虽然有些微控制器将包含足够的内存来保存一页显示数据（仅此而已），但您可以看到即使是适中的 ¼ VGA 显示器也需要大量内存。这超出了典型微控制器所能容纳的范围（见表 1）。因此，将需要到外部 RAM（SRAM、DRAM 或 SDRAM）的外部总线接口，尤其是在使用分页的情况下。

　　表 1：由于每个像素的三个颜色元素，映射到显示器所需的内存与分辨率平方的三倍成正比。

　　分页将允许更好的显示质量，因为可以在后台构建下一页面时显示一个页面，然后使其生效。当图形在滚动、移动精灵（图形对象）、颜色阴影混合（用于在移动时重叠图形）等效果中快速变化时，这消除了重影和图像闪烁。

　　为 TFT 接口选择微控制器时的一个关键特性是 DMA 支持。多通道、灵活的 DMA 将使世界变得与众不同，尤其是在页面、字符生成器和渲染表、动画和视频之间移动数据时。沿着这些思路，预编程和自主 DMA 功能将允许您在核心微控制器进入睡眠状态时刷新显示。这是一项关键的节能功能，可以在使用电池供电时带来天壤之别。

　　界面

　　非常大批量的应用可能证明只为玻璃使用 OEM 并从玻璃开始实施您自己的控制电子设备。在设计非常小型的设备时尤其如此，在这种设备中，使用自己的 PCB 布局所增加的灵活性对于成功至关重要。对于那些从玻璃开始设计的人来说，主要接口将是薄膜晶体管的驱动器。所有像素都参考的稳定公共电压参考是关键。这称为 V COM并且有几种用于生成 V COM信号的分立和集成解决方案可用。

　　一种有效的解决方案是使用 National Semiconductor LMH6640MF/NOPB这是一款轨到轨（最高 16 伏）、电压反馈、高输出（最高 100 毫安）放大器，针对 TFT 晶体管驱动进行了优化。170 V/µS 的快速压摆率产生 28 MHz 的全功率带宽（在 5 V 时），其小型 SOT-23 封装可以安装在狭小的空间中（参见图 3）。

　　图 3：稳定的 V COM电平是美观显示器的必要条件。请注意通常为 VCC/2 的接地参考。

　　面板越大，操作晶体管所需的电流就越多。对于更大的面板，另一个竞争者是Maxim MAX9550EZK+T，它可以驱动高达 800 毫安的峰值，电压高达 20 伏。它在不到 2 µSec 的时间内稳定在 0.1% 以内，并具有软启动电路以限制启动期间的浪涌电流。注意，V COM电平通常设置在上电压电平和地之间，而不是设置为地。这允许在不需要负电源的情况下将全量程交替极性驱动到像素。

　　此外，V COM功能及其所有细微之处经常被集成到更广泛的 TFT 驱动芯片中，例如德州仪器的 LM8207MT/NOPB 。它结合了 18 通道伽马校正驱动器和 V COM参考缓冲器（参见图 4）。请注意，内置 V COM缓冲区将允许从单个参考创建缓冲区树以用于更大的显示器。

　　

　　图 4：您可以使用结合了 V COM缓冲器、参考、列驱动器和伽马校正器的节省空间的集成部件。

　　我显示，所以我是

　　驱动 TFT 显示器而不需要更高端处理器的一种方法是使用分立的 TFT 控制器芯片，该芯片可以连接到功率较小的处理器。一个例子是Intersil TW8811-LD2-GR TFT 控制器芯片（见图 5）。

　　图 5：Intersil 高度集成的 TFT 控制器芯片结合了模拟和数字视频输入和输出以及 TFT 控制。

　　针对特定的细分市场，在这种情况下是汽车应用，TW8811 将控制甚至视频标准（模拟、RGB、S-Video、NTSC、PAL 和 Secam）集成到一个单芯片控制器中。它支持并将不同的视频源连接在一起，允许将同一显示器用于导航系统、发动机显示器、环境控制、车载娱乐系统、备用摄像头等。

　　片上 SDRAM 接口提供深度和成本效益分辨率高达 WXGA 的显示器所需的性能，以及 –40 至 +85 度的温度范围使其可用于各种恶劣环境应用。

　　在引擎盖下

　　如果单个微控制器可以控制手头的任务以及嵌入式显示器，这通常是最具成本效益的解决方案。大多数人会使用已经包含 V COM、伽马校正和 TFT 晶体管驱动器的 TFT 模块。因此，模块的接口是 TTL、CMOS 或低压差分信号 （LVDS）。

　　值得庆幸的是，为了帮助在合理的时间内完成 TFT 设计任务，芯片制造商提供了针对显示器设计的解决方案。通常，这些是更高端的 32 位 RISC 型处理器架构，具有流线型的外围设备和资源，可以处理面向显示和非面向显示的功能，例如通信、传感器接口等。例如，NXP Semiconductor LPC2478FBD208，551是一款基于 ARM7™ 的 72 MHz 高端微控制器，具有高达 1024 x 768、24 位像素分辨率的 LCD 控制。除了非常灵活的 DMA 功能外，它还集成了 USB、四个 UART、I²S、RTC、SD/MMC 存储卡、以太网、I²C、CAN 等。它是一款“瑞士军刀”处理器，针对集成的单处理器类型设计。

　　像这样的设备需要开发环境和评估单元，而恩智浦就在那里。DK-57VTS-LPC2478是一个程序员的开发系统，它还包括一个带有触摸界面的 5.7 英寸 TFT。请注意用于页面缓冲和图形操作的 2M x 32 SDRAM。NXP 还提供针对基于传感器的应用的DK-57TS-LPC2478 。

　　无论如何，恩智浦半导体并不孤单。Renesas Electronics America还为处理器提供了对 TFT 的内置支持。以DF2378RVFQ34V 为例，这是一款基于 H8 的处理器，具有内置于 DMA 中的高级块传输功能。与 NXP 部件一样，它包含大量外围设备、闪存、存储器接口和 I/O。

　　并非每个处理器都需要有专用的 TFT 接口才能使其成为可行的候选者。例如，TI TMS470R1B1MPGEA是基于 RISC 的 60 MHz ARM7 处理器，可以轻松连接到通过数字接口驱动的大量 TFT 模块。虽然一些模块需要不断刷新，但其他模块可以加载显示数据并在内部生成所有时序和显示数据移动，从而减轻主机 CPU 的负担。如果是这种情况，CPU 必须足够快以跟上任何动画或视频。

　　TI 还提供非常高端的数字媒体片上系统 （DMSoC） 解决方案，例如基于 DSP 的TMS320DM6446AZWTA。这不是您的普通处理器。这款 361 引脚 LFBGA 器件以 513 MHz 运行并具有 160 KB RAM，是该公司高端 DaVinci™ 系列的一部分，并受到多个开发平台的支持，其中之一是TMDSVDP6437数字视频 EVM。

　　必须看电视

　　许多显示器都可以作为测试工具。其中许多可以直接用这里提到的处理器驱动。也可以使用许多其他处理器，例如 Atmel （ AT91SAM9261B-CU ） 和STMicroelectronics （ STM32F107VBT6 ） 的产品。

　　无论您阅读多少数据表，归结为：显示器是一种视觉设备。最终做出决定的是当您在其上显示屏幕时的外观。