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1、第一章 LCD液晶显示器,引言1.1 LCD显示器结构原理 1.2 LCD显示器驱动方式 1.3 段位式LCD接口电路 1.4 点阵式LCD接口电路,引言,液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是一种利用液晶的扭曲/向列效应制成的新型显示器，它具有功耗极低、体积小、抗干扰能力强、价格廉等特点，目前已广泛应用在各种显示领域，尤其在袖珍仪表和低功耗应用系统中。LCD可分为段位式、字符式和点阵式三种。如右图所示。,图数字万用表,1.1 LCD显示器结构原理,LCD(液晶显示器Liquid Crystal Display的英文缩写)是借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显
2、示器件。液晶是一种介于液体与固体之间的热力学的中间稳定相，在一定的温度范围内既有液体的流动性和连续性，又有晶体的各向异性。,LCD器件的结构如图13所示，在上、下两片导电玻璃电极板之间封入液晶材料，液晶分子在上、下玻璃电极上呈水平排列，但排列方向互为正交，而电极间的分子呈连续扭转过渡，从而使光的偏振方向旋转90 o。当外部入射光线通过上偏振片后形成偏振光，该偏振光通过平行排列的液晶材料后被旋转90 o，正好与下偏振片的水平偏振方向一致。因此，它能全面穿过下偏振片到达反射板，从而反射回来，使显示器件呈透明状态。,图1 LED显示结构与原理,当外部入射光线通过上偏振片后形成偏振光，该偏振光通过平行
3、排列的液晶材料后被旋转90 o，正好与下偏振片的水平偏振方向一致。因此，它能全面穿过下偏振片到达反射板，从而反射回来，使显示器件呈透明状态。若上、下电极加上一定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排列，失去旋光性，致使从上偏振片入射的偏振光不被旋转，即与下偏振片的水平偏振方向垂直，因而被下偏振片吸收，无法到达反射板形成反射，所以呈现出黑色。据此，可将电极做成文字、数字或其它图形形状，通过施加电压就可以获得各种形态的黑色显示。,1.2 LCD显示器驱动方式,LCD的驱动方式一般有直接驱动（静态驱动）和多极驱动（时分割驱动）两种方式。采用直接驱动的LCD电路中，显示器件只有一个背极（即下玻璃电极基
4、板），但每个字符段都有独立的引脚；而多极驱动的LCD电路中，显示器具有多个背极，各字符段按点阵结构排列，这是显示字段较多时常采用的驱动方式。,现以较简单的直接驱动方式为例加以说明。图69是单个字段的驱动电路及工作波形。图中LCD为液晶显示字段，用2个平行相对的电极表示，当字段上两个电极的电压相位相同时，两电极的电位差为零，该字段不显示；当字段上两个电极的电压相位相反时，两电极的电位差为单个电极电压幅值的2倍，该字段呈现黑色显示。由于直流电压驱动LCD会使液晶产生电解和电极老化，所以要采用交流电压驱动。一般把LCD的背极（公共端COM）连到一个异或门的输入端X，LCD的另一极连接异或门的输出端Z
5、，工作时X端加上频率固定的方波信号，当控制端Y=“0”时，经异或后，Z端的电压将永远与X端相同，则LCD极板间的电位差为零，字段消隐不显示。当控制端Y=“1”时，Z端与X端电压反相位，则LCD极板间呈现反电压VXY，且为2倍的电压幅值，此时字段显示。可见该字段是否显示完全取决于控制端Y。,图6-10为段位式7段LCD的电极配置及译码驱动电路，7个字段的几何排列顺序与LED的“日”字型相同。A、B、C、D为二进制BCD码的输入端，译码器的7段输出a、b、c、d、e、f、g引脚分别接7个字段驱动电路的控制端Y，公共端COM接一定周期的方波信号。,1.3 段位式LCD接口电路,1、硬件电路,同8段L
6、ED数码管一样，段位式LCD与CPU的显示接口电路也有多种。我们仍讨论上文的直接驱动方式，现以6位LCD静态显示电路为例。如图6-11所示，使用单片机的一个8位并行I/O口作为译码驱动以及6片BCD7段译码驱动器4056、2片4位液晶显示驱动器4054、1片4-16译码器4514和1片单稳多谐振荡器4047，就组成了一个完整的LCD显示接口电路。,2显示程序,设单片机内 RAM20H25H六个单元为显示缓冲区，每个单元字节的低4位依次存放要显示的4位BCD码，相应的显示驱动子程序如下：DISP：MOV R0，#20H；显示缓冲单元首址送R0 MOV R3，#00H；位选码（左边第1位）送R3
7、MOV R4，#06H；位数（6位）送R4 LOOP：MOV A，R3；位选码送A SWAP A；位选码转为高4位 MOV R2，A；保存位选码（在高4位）MOV A，R0；取显示BCD码 ORL A，R2；位选码（高4位）与BCD码（低4位）组合 ORL A，#80H；ACC7置1 MOV P1，A；输出组合码 ANL P1，#7FH；清零P1.7位,ORL P1，#80H；P1.7再置1INC R3；指向下一位显示数INC R0；指向下一位显示缓冲单元DJNZ R4，LOOP；6位未显示完返回RET 如果需要显示小数点，则要给4054送显示小数点的相应数据。例如第三位要显示小数点，还需加入
8、下列程序：MOV A，#64H；高位0110将选中S6，低位0100将驱动第三位小数点ORL A，#80H；ACC7置1MOV P1，A；输出组合码ANL PI，#7FH；清零P1.7位ORL PI，#80H；P1.7再置1,1.4 点阵式LCD接口电路,引言1、液晶模块接线原理2、液晶模块指令说明3软件初始化 4、应用举例,引言,点阵式LCD不但可以显示字符，而且可以显示各种图形及汉字。把点阵式LCD与配套或选定的驱动器、控制器集成在一起，就组成点阵式图形液晶显示模块，控制器的种类很多，比如日本东芝的T6963,日立的HD61880,精工的SED1330/SED1335等。现以12864点阵
9、式LCD液晶显示模块为例加以说明。液晶显示模块12864主要由行/列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成。内部含有国标一级、二级简体中文字库和128个168点的ASCII字符集。可以同时显示84个（1616点阵）汉字和图形显示。它与CPU的接口连线可采用并行或串行两种方式。,1、液晶模块接线原理,液晶模块与单片机并行连接原理图,上图为液晶模块与单片机的并行连接原理图，下表为其引脚功能描述。,2液晶模块指令说明,3软件初始化,5应用举例,液晶字符显示的RAM地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如下表所示，应注意其排列类似于隔行扫描。使用时还应注意以下3点：（1）要在某一个位置
10、显示中文字符时，应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码。（2）显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同。不过在显示连续字符时，只须设定一次显示地址，由模块自动对地址加1指向下一个字符位置，否则，显示的字符中将会有一个空ASCII字符位置。（3）当字符编码为2字节时，应先写入高位字节，再写入低位字节。,例如在第3行第1、2列显示“液晶”两个中文字符时，写入RAM的地址应为88H,89H。具体过程如下：首先，应根据ST7920-BIG5中文字形码(不同的液晶模块采用的字库编码可能不同，如有的使用ST7920-GB简体中文字型)，查找“液”字的编码为“B247”,“晶”字的编
11、码为“B4B9”.在进行了软件初始化后，其软件编程步骤如下：步骤1:令RS，R/W为低电平；(表示后面送入的内容是指令)步骤2:送88H到D7-D0；(设定显示的位置，第三行第一列)步骤3:令RS为高电平，R/W为低电平；（表示后面送入的内容是数据）步骤4:送B2H到D7-D0;（先送高位字节）步骤5:送47H到D7-D0;（后送低位字节，显示“液”字）步骤6:令RS，R/W为低电平；(表示后面送入的内容是指令)步骤7:送89H到D7-D0；(设定显示的位置，第三行第二列)步骤8:令RS为高电平，R/W为低电平；（表示后面送入的内容是数据）步骤9:送B4H到D7-D0;（先送高位字节）步骤10
12、:送B9H到D7-D0;（后送低位字节，显示“晶”字）,分组显示画面中的每一个工位点，对应一幅点显示画面，如图6-16所示。以棒图、曲线、文字三种方式显示该PID控制回路的各种参数，如被控量PV、给定值SP、偏差量DV和控制量OUT、比例带P、积分时间I、微分时间D等；并用PV、SP和OUT三条趋势曲线表示回路的运行状态。在点画面上，操作员可对该PID控制回路的各种参数进行调整，所以点画面也称单回路显示画面或调整画面,3点画面,原来的仪表控制系统的仪表盘上方都有一块用实物模型和发光体来模拟生产流程的大型模拟屏，以给操作人员直观形象的视觉。与此类似，计算机控制系统则用流程图画面来进行模拟显示。流
13、程图画面是用各种图素、文字和数据等组合而成，在一个画面上显示出所有装置回路的图示状况和工艺流程；除静止画面外，还有色彩、闪光、图形和文字连续变化的动态画面标记出各个参数的实时状态，给人以总揽全局且身临其境的感觉。,4流程图画面,下图为一个中央空调水冷控制系统的工艺流程模拟图。画面上十分形象地展示出水塔、水泵、冷凝器、蒸发器、压缩机、风机盘管、阀门及管路系统，而且当某个动力设备如冷却水塔与冷却水泵启动时，画面上的水塔电机与冷却水泵即刻旋转起来，而且冷却水喷淋而下、管路水流动循环起来。如此，达到一个十分逼真形象的控制效果。,一般的仪表控制系统是采用记录仪来记录过程参数曲线的，并用记录纸保存历史数据
14、曲线。而计算机控制系统则用趋势显示画面来描述过程参数曲线，并将数据存入磁盘保存。趋势显示包括实时趋势记录和历史趋势记录两种，将实时趋势曲线存入磁盘后，当需要时再调出来就成为历史趋势记录，如下图所示。图中给出了直角坐标下的2条参数曲线：横坐标表示时间，单位是年月日时分秒；纵坐标表示参数值，单位是百分数；工艺过程的温度参数用红颜色代表，液位参数用绿颜色代表。一般，数据采样周期和趋势记录时间可由设计者根据需要适当调定。,5趋势曲线画面,报警画面上显示发生报警的时间、事件、类型、优先级、变量名等,如下图所示。该幅画面上一般可显示若干个报警点，最新发生的报警点显示在首行，以下按时间顺序显示。根据报警的等
15、级可以分别用闪光、蜂鸣器和电铃来提醒操作人员。,6报警显示画面,为了安全方便地操作，设计者按操作顺序预先将各项操作指令存入计算机，实际操作时，再以操作指导画面形式显示出来，用以指导操作。如果出现误操作，计算机会拒绝接收并显示出错标志，从而保证了安全操作。,7操作指导画面,显示装置是计算机与操作人员进行信息交换的一种常用输出设备，主要用来描述生产过程的工艺状况与运行结果，以便于现场工作人员的监视与操作。目前应用在工业过程中的常用显示器有LED、LCD和图形显示终端。本章重点讨论了LED共阴极、共阳极两种结构的工作原理、静态显示与动态显示两种方式及其与CPU的几种实用接口电路；对 LCD的结构原理
16、、驱动方式及其与单片机的接口电路也作了原理性论述；最后介绍了一般控制系统所需要下的几种图形显示画面。,本章小结,液晶显示器接口技术,今天我们就来谈谈液晶显示器的接口，不要小看这一个接口，它可是决定你显示器显示效果好坏、显示器易用性、扩展性很重要的一环，不可轻视，下面我们就来仔细说说常见的、主流的、即将成为主流的各种“接口”吧。目前应用最多的显示接口就是 VGA 模拟信号接口，正在普及的是 DVI 接口，而比较流行的则是 HDMI 接口，未来或将取代前三者的则是 DisplayPort 接口。,VGA接口（Video Graphics Array）,显卡所处理的信息最终都要输出到显示器上，显卡的
17、输出接口就是电脑与显示器之间的桥梁，它负责向显示器输出相应的图像信号。CRT 显示器因为设计制造上的原因，只能接受模拟信号输入，这就需要显卡能输入模拟信号。VGA 接口就是显卡上输出模拟信号的接口，VGA（Video Graphics Array）接口，也叫 D-Sub 接口。虽然液晶显示器可以直接接收数字信号，但很多低端产品为了与 VGA 接口显卡相匹配，因而采用 VGA 接口。VGA 接口是一种 D 型接口，上面共有 15 针空，分成三排，每排五个。VGA 接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数的显卡都带有此种接口。,目前大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟 VGA 接口连接，
18、计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变为 R、G、三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。对于模拟显示设备，如模拟 CRT 显示器，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像。而对于 LCD、DLP 等数字显示设备，显示设备中需配置相应的/（模拟/数字）转换器，将模拟信号转变为数字信号。在经过/和/2 次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。VGA 接口应用于 CRT 显示器无可厚非，但用于连接液晶之类的显示设备，则转换过程的图像损失会使显示效果略微下降。,DVI接口（Digital Visual Interface）,DVI
19、全称为 Digital Visual Interface，它是 1999 年由 Silicon Image、Intel（英特尔）、Compaq（康柏）、IBM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu（富士通）等公司共同组成 DDWG（Digital Display Working Group，数字显示工作组）推出的接口标准。它是以 Silicon Image 公司的 PanalLink 接口技术为基础，基于 TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化传输差分信号）电子协议作为基本电气连接。TMDS 是一种微分信号机制，可以将象素数据编
20、码，并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器按照 TMDS 协议编码后通过 TMDS 通道发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。一个 DVI 显示系统包括一个传送器和一个接收器。传送器是信号的来源，可以内建在显卡芯片中，也可以以附加芯片的形式出现在显卡 PCB 上；,而接收器则是显示器上的一块电路，它可以接受数字信号，将其解码并传递到数字显示电路中，通过这两者，显卡发出的信号成为显示器上的图象。,目前的 DVI 接口分为两种，一个是 DVI-D 接口，只能接收数字信号，接口上只有 3 排 8 列共 24 个针脚，其中右上角的一个针脚为空。不兼容模拟信号。,另外一种则是DVI-I接口，可
21、同时兼容模拟和数字信号。兼容模拟幸好并不意味着模拟信号的接口D-Sub接口可以连接在DVI-I接口上，而是必须通过一个转换接头才能使用，一般采用这种接口的显卡都会带有相关的转换接头。考虑到兼容性问题，目前显示器一般使用DVI-D接口，因为显示器一般也带有VGA接口，因此不需要带有模拟信号的DVI-I接口。当然也有少数例外，有些显示器只有DVI-I接口而没有VGA接口。显示设备采用DVI接口具有数度快、画面清晰两大优点。DVI传输的是数字信号，数字图像信息不需经过任何转换，就会直接被传送到显示设备上，因此减少了数字模拟数字繁琐的转换过程，大大节省了时间，因此它的速度更快，有效消除拖影现象，而且使
22、用DVI进行数据传输，信号没有衰减，色彩更纯净，更逼真。,HDMI接口和DisplayPort 接口,HDMI接口 HDMI的英文全称是“High Definition Multimedia”，中文的意思是高清晰度多媒体接口。HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽，可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号。同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换，可以保证最高质量的影音信号传送。应用HDMI的好处是：只需要一条HDMI线，便可以同时传送影音信号，而不像现在需要多条线材来连接；同时，由于无线进行数/模或者模/数转换，能取得更高的音频和视频传输质量。对消费者而言，HDMI技术不仅能
23、提供清晰的画质，而且由于音频/视频采用同一电缆，大大简化了家庭影院系统的安装。,DVI的线缆长度不能够超过8米否则将会影响到画面质量，而HDMI基本上没有线缆的长度限制要求。只要一条HDMI缆线，就可以取代相当于最多13条模拟传输线，能实际有效的解决家庭娱乐系统背后连线杂乱纠结的问题。HDMI可搭配宽带数字内容以保护(High-bandwidth Digital Content Protection；HDCP)，用来防止具有著作权的影音内容遭到未经授权的复制。,HDMI 1.3的接口就十分强悍了：带宽从1.2版本的165MHZ增加到340MHZ，传输速率增加了1倍。实现了深色，将以往各色（RG
24、B/Y.Cb.Cr）8bit的量子界限，提高到了10bit，12bit，16bit。增加了对xvYCC色域的支持，进一步提高了色彩的表现力。增加了自动掩饰影音系统间延迟功能，可确保不同系统,之间的内容实现更好的“唇型同步”(lip synching)效果。考虑到摄像机和其他一些小型的AV器材，HDMI1.3增加了最新的小型HDMI接口。目前看来，HDMI 1.3才拥有革命性改变视频、音频质量的特性，但遗憾的是，要享受HDMI 1.3，必须输出、输入设备都支持HDMI 1.3。目前市场上还没有支持HDMI 1.3的液晶显示器，而众人知晓的支持HDMI 1.3的输出设备只有索尼次世代游戏主机PS3
25、，这些等等都决定了现在用液晶显示器享受HDMI 1.3是一件奢华、并且不太现实的事情。,DisplayPort 接口,和HDMI一样，DisplayPort也允许音频与视频信号共用一条线缆传输，支持多种高质量数字音频。但比HDMI更先进的是，DisplayPort在一条线缆上还可实现更多的功能。在四条主传输通道之外，DisplayPort还提供了一条功能强大的辅助通道。该辅助通道的传输带宽为1Mbps，最高延迟仅为500s，可以直接作为语音、视频等低带宽数据的传输通道，另外也可用于无延迟的游戏控制。可见，DisplayPort可以实现对周边设备最大程度的整合、控制。除实现设备与设备之间的连接外
26、，DisplayPort还可用作设备内部的接口，甚至是芯片与芯片之间的数据接口。HDMI是在DVI的基础上发展而来的，它们都使用了TMDS(最小化传输差分信号)信号传输技术，图像传输前数字信号必须经过TMDS电路转换为TMDS信号。而采用DisplayPort，数字信号可直接输出，不需要TMDS转换电路。不仅如此，DisplayPort同样可简化LCD内部设计。因为DVI、HDMI不能直接驱动时序控制器，所以VGA或TMDS信号输入LCD后，必须转换成LVDS信号。相比之下，DisplayPort则实现了与面板的集成，可直接驱动面板进行显示，精简了LVDS转换电路。,尽管DisplayPort
27、 1.0标准只支持一条音频流传输，但DisplayPort具备高度的可扩展特性，要让它同时传输多条视频或音频流并不是一件困难的事,情。画中画、分屏显示功能对于DisplayPort而言就是“小菜一碟”，一条DisplayPort连接线最高可支持6条1080i或3条1080p视频流。不过DisplayPort的缺点也很明显，作为真正革命性的接口，如果将来要普及应用的话，意味着包括显卡在内的主要视频输出设备的接口也要更新换代，对于普通用户而言，他们只能将更换输出设备成本，才能连接支持DisplayPort的显示设备，成本颇高。从技术层面来说，DisplayPort占据了很大优势，但技术优势能否转变为市场优势?经过几年的发展，HDMI拥有先入为主的优势，到2005年底，全球已有250家HDMI注册公司，设计制造出符合HDMI规范的产品超过400件。而DisplayPort刚问世不久，市场开拓尚需要很长一段时间。,
