一種新型的LCD驅(qū)動電路IP核的總體設(shè)計

　　引言

　　LCD因具有工作電壓低、功耗小、顯示信息量大、壽命長、易集成、方便攜帶和電磁輻射污染小等優(yōu)點，在顯示技術(shù)中異軍突起，被廣泛應(yīng)用于手機、PDA產(chǎn)品、手持式儀器儀表等便攜式電子產(chǎn)品與設(shè)備中。

　　LCD驅(qū)動電路是液晶顯示系統(tǒng)的重要組成部分，是一種計算機（或MCU）和液晶屏之間的接口電路，其主要功能是通過調(diào)制輸出到液晶顯示器件電極上的電位信號的相位、峰值、頻率等參數(shù)來建立交流驅(qū)動電場。由于LCD的規(guī)格相差較大，常規(guī)的方法是針對每一種LCD開發(fā)專門的驅(qū)動電路，這樣的設(shè)計浪費時間，而且復(fù)用性較差。為此，設(shè)計一種可用于多數(shù)小規(guī)模LCD驅(qū)動電路的IP核，通過復(fù)用該IP核來解決這個問題是非常必要的。目前，國際上只有I-Shou大學(xué)的Yu-Jung Huang等人設(shè)計了可驅(qū)動不同規(guī)模LCD的驅(qū)動電路IP核，通過在系統(tǒng)中植入嵌入式微處理器來實現(xiàn)這一功能。但是，這種嵌入式微處理器使系統(tǒng)更復(fù)雜，而且成本更高。本文設(shè)計的可驅(qū)動不同規(guī)模LCD的驅(qū)動電路IP核是采用FPGA來實現(xiàn)的，能有效克服電路系統(tǒng)復(fù)雜和高成本這兩個缺點。

　　圖1 IP核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖2 IP核級聯(lián)排列圖

　　圖3 行控制功能仿真結(jié)果

　　圖4 列控制功能仿真結(jié)果

　　設(shè)計規(guī)范

　　為了滿足當今大多數(shù)較小規(guī)模的LCD顯示應(yīng)用的實際需要，本文所設(shè)計的LCD驅(qū)動電路IP核芯片具有64個COM（行）和64個SEG（列）輸出，有高速的8位并行MCU接口及串行接口，芯片內(nèi)含有存儲顯示數(shù)據(jù)的RAM，并專門設(shè)計了10個控制端，可以方便靈活地進行控制。它主要有以下幾個主要功能：

　　1、為液晶顯示屏提供掃描時序信號和顯示信號數(shù)據(jù)；

　　2、支持以總線形式直接與MCU相連；

　　3、可驅(qū)動不同規(guī)模的LCD（n×m），n可以連續(xù)取值（n=0~63），m只可取8的倍數(shù)（m=8k，k取自然數(shù)）；

　　4、支持IP核之間的級聯(lián)以驅(qū)動較大規(guī)模的LCD，最大分別支持4個IP核行間級聯(lián)和列間級聯(lián)；

　　5、可以提供較寬的驅(qū)動輸出電壓范圍以適應(yīng)不同的LCD器件；

　　6、提供畫中畫、分屏顯示等功能。

　　IP核的設(shè)計

　　本文按照“自頂向下”的設(shè)計方法，首先對芯片進行層次化功能劃分，同時參照已有的LCD驅(qū)動芯片的設(shè)計經(jīng)驗， 并結(jié)合“自底向上”的設(shè)計方法對部分模塊進行設(shè)計， 最后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計框架對各模塊進行協(xié)調(diào)， 并進行芯片的整體功能驗證， 從而達到了設(shè)計規(guī)范的要求。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計的IP核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該IP核主要由下列幾個模塊組成：行掃描和列信號驅(qū)動模塊、電平轉(zhuǎn)換器、可預(yù)置數(shù)環(huán)形計數(shù)器、數(shù)據(jù)鎖存模塊、控制邏輯模塊、顯示數(shù)據(jù)RAM與地址譯碼模塊、MCU接口模塊。其中有的大模塊還可細分為若干子模塊。

　　各模塊設(shè)計

　　MCU接口模塊

　　MCU接口模塊是IP核與外部控制器（MCU）通信的接口，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。MCU通過該接口對LCD驅(qū)動芯片寫入命令、讀出狀態(tài)或顯示數(shù)據(jù)。同時該接口也接受命令譯碼器的控制，從而使讀寫與內(nèi)部操作相結(jié)合。該芯片由較為復(fù)雜的內(nèi)部組合邏輯和時序邏輯電路實現(xiàn)，可以兼容目前兩種主流的MCU控制信號，支持串/并行兩種數(shù)據(jù)操作方式。

　　該模塊內(nèi)部除了包含現(xiàn)有常用LCD驅(qū)動電路的MCU接口模塊中常用的幾個子模塊，如數(shù)據(jù)總線（8位）子模塊、忙狀態(tài)檢測子模塊、讀寫控制子模塊、MCU釋放子模塊外，新加入了一個行級聯(lián)和列級聯(lián)控制子模塊。數(shù)據(jù)總線主要用于內(nèi)外部數(shù)據(jù)交換；忙狀態(tài)檢測子模塊用于判斷MCU狀態(tài)，產(chǎn)生系統(tǒng)忙標志信號來協(xié)調(diào)信號的讀寫操作和接收內(nèi)/外部復(fù)位信號；讀寫控制子模塊用于產(chǎn)生正確的讀寫控制時序；MCU釋放子模塊的功能則為通過邏輯組合，在芯片執(zhí)行“讀-修改-寫”過程時，釋放MCU，以便MCU可以同時執(zhí)行其它操作；而新加入的級聯(lián)控制子模塊的主要功能是實現(xiàn)IP核之間的行級聯(lián)和列級聯(lián)，最多可支持16個IP級聯(lián)（行列各4級），CS0~CS1是行級聯(lián)控制端，CS2~CS3是列級聯(lián)控制端。舉例說明，假設(shè)有一種LCD（128×256），可用8個IP核來驅(qū)動，設(shè)置時分別令CS為0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111，就可以構(gòu)成2×4的驅(qū)動IP核陣列，其排列示意圖如圖2所示。

　　顯示數(shù)據(jù)RAM與地址譯碼模塊

　　該模塊主要用于存放將要顯示的數(shù)據(jù)，在MCU接口和信號驅(qū)動電路之間起緩沖器的作用，以保證顯示數(shù)據(jù)的穩(wěn)定輸出。

　　該模塊包括存儲顯示數(shù)據(jù)的RAM陣列和地址譯碼器兩個子模塊。首先，由列地址電路提供列地址，通過列地址譯碼器選中一列8位的RAM存儲單元，MCU通過接口對其進行讀/寫；然后，由行地址譯碼器對RAM以行為單位進行掃描，結(jié)合顯示數(shù)據(jù)鎖存電路可以實現(xiàn)整行數(shù)據(jù)的輸出，通過電極驅(qū)動電路輸出到液晶顯示器以供顯示。

　　數(shù)據(jù)鎖存模塊

　　該模塊包含兩個子模塊：列數(shù)控制鎖存子模塊和驅(qū)動鎖存子模塊。列數(shù)控制鎖存子模塊由k個并聯(lián)的8位數(shù)據(jù)鎖存器構(gòu)成，主要作用是鎖存數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，在控制邏輯模塊的控制信號和時鐘信號作用下把從RAM上輸出到8位數(shù)據(jù)總線上的顯示數(shù)據(jù)信號分別鎖存在相應(yīng)的8位數(shù)據(jù)鎖存器中，64位數(shù)據(jù)需要8次，每次8位輸入。驅(qū)動鎖存器子模塊是一個由64個1位鎖存器并聯(lián)而成的64位驅(qū)動鎖存器，它的作用是在控制邏輯模塊的控制信號和時鐘信號作用下把上面8個8位數(shù)據(jù)鎖存器里傳輸來的m位數(shù)據(jù)一次全部鎖存起來，然后輸入到后面的列信號電極驅(qū)動模塊。

　　控制邏輯模塊

　　該模塊的主要作用是控制信號數(shù)據(jù)傳輸和選擇列信號線的數(shù)目。可以通過列數(shù)控制輸入端M來控制列數(shù)控制鎖存器子模塊、驅(qū)動鎖存器子模塊和時鐘發(fā)生器來實現(xiàn)適用于不同規(guī)模LCD的功能。根據(jù)需要，通過向列數(shù)控制輸入端M輸入不同的數(shù)值，來控制有多少位列數(shù)控制鎖存器處于工作狀態(tài)，其他的鎖存器單元則置為空閑態(tài)。在工作周期內(nèi)把顯示數(shù)據(jù)RAM中的數(shù)據(jù)通過8位數(shù)據(jù)總線鎖存到對應(yīng)的列數(shù)控制鎖存器中，然后在一個時鐘信號控制下一次鎖存到驅(qū)動鎖存器中，以作為電極驅(qū)動模塊的輸入信號。這樣，IP核可以實現(xiàn)控制選擇驅(qū)動列數(shù)的功能。當M為“000”時，列數(shù)控制鎖存器的低8位（第一個鎖存器）工作，其它的全置閑，對應(yīng)的列電極是SEG0~SEG7;當M為“001”時，列數(shù)控制鎖存器的低16位（第一和第二個鎖存器）工作，其它的全置閑，對應(yīng)的列電極是SEG0~SEG15;依次類推，直到列數(shù)控制鎖存器64位寄存器全部工作，對應(yīng)的列電極是SEG0~SEG63.

　　電極驅(qū)動模塊

　　該模塊主要含有四個子模塊：行掃描電極驅(qū)動子模塊、列信號電極驅(qū)動子模塊、電平轉(zhuǎn)換器和可預(yù)置數(shù)環(huán)形計數(shù)器。

　　電平轉(zhuǎn)換器的作用是根據(jù)實際應(yīng)用的需要，通過外加的控制信號將邏輯信號的電壓轉(zhuǎn)換為實際的LCD驅(qū)動電壓，并輸出到驅(qū)動模塊；行掃描電極驅(qū)動子模塊的作用是給行電極提供一定周期的掃描信號脈沖；列信號電極驅(qū)動子模塊的作用是把來自鎖存器的數(shù)據(jù)施加到相應(yīng)的列電極，與行電極的掃描信號來建立交流驅(qū)動電場，從而驅(qū)動LCD器件的顯示。可預(yù)置數(shù)環(huán)形計數(shù)器可以通過行數(shù)控制端N（S0~S5）來控制行掃描電極數(shù)，以適應(yīng)不同規(guī)模的LCD屏，根據(jù)實際的需要通過向行數(shù)控制端N輸入不同的數(shù)值，來控制具體工作的行數(shù)，其它的電極全部置閑。在行驅(qū)動時鐘信號控制下，逐行掃描，循環(huán)往復(fù)，直到行數(shù)控制端N輸入新的數(shù)值，再在新數(shù)目的行電極進行循環(huán)逐行掃描。例如，當外加信號N為“011011”時，掃描電極的數(shù)目為27，行掃描驅(qū)動子模塊在行電極COM0~COM26上產(chǎn)生逐行掃描信號，其它行電極COM27~COM63全部都置為低電平，循環(huán)往復(fù)，若施加了新的外加信號N為“100011”，掃描電極驅(qū)動子模塊就在行電極COM0~COM34上產(chǎn)生循環(huán)的逐行掃描信號。

　　IP核系統(tǒng)實現(xiàn)

　　首先，根據(jù)上面對整個系統(tǒng)功能定義和劃分及對各個模塊的設(shè)計，對各功能模塊分別用VHDL語言進行建模；其次，在Xilinx公司的FPGA器件上，用其EDA工具ISE進行仿真和綜合調(diào)試，并優(yōu)化設(shè)計；然后，用VHDL定義頂層模塊將各模塊連接起來，并進行相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)試和驗證；最后，得到一個LCD的驅(qū)動電路，具有64個COM（行）和64個SEG（列） 輸出，有高速的8位并行MCU接口及串行接口，芯片內(nèi)含有存儲顯示數(shù)據(jù)的RAM，并且可以通過級聯(lián)控制端CS來進行級聯(lián)擴展以滿足較大的LCD，通過列數(shù)控制端M和行數(shù)控制端N來適應(yīng)不同規(guī)模的LCD.

　　仿真和驗證

　　本文利用Xilinx公司的仿真軟件ISE作為仿真工具，分兩步對所設(shè)計的IP核進行了驗證。

　　首先，本文先對IP核的各個模塊（包括內(nèi)部的子模塊）進行了初步的功能驗證。然后，參照芯片的工作過程，對整個芯片進行了整體仿真。圖3和圖4是利用ISE對整個IP核的行和列控制功能進行仿真而得到的仿真結(jié)果。圖中CLK和CLK1分別是MCU接口模塊的數(shù)據(jù)傳輸控制時鐘和行電極掃描脈沖；M和N分別為列電極與行電極數(shù)目選擇控制端； CS的低兩位和高兩位分別為行級聯(lián)與列級聯(lián)控制端。

　　圖3和圖4的仿真結(jié)果說明：

　　1. 當RESET為高電平時，IP核處于初態(tài)或清零態(tài)；當WRITE為高電平時，IP核處于工作態(tài)，可以接收顯示數(shù)據(jù)。

　　2. 在時鐘CLK的上升沿，MCU通過接口向IP核的RAM并行寫入8位顯示數(shù)據(jù)；在時鐘CLK1的上升沿，行掃描驅(qū)動電極依次輸出掃描脈沖，列信號電極會把RAM里的數(shù)據(jù)從SEG上輸出。

　　3. 行數(shù)控制端可以改變行掃描的電極數(shù)目。當行數(shù)選擇控制端N為“3E”時，在COM0~COM61輸出掃描信號。如圖3所示，在第1個行時鐘信號時，電極COM61上輸出掃描信號，在行驅(qū)動時鐘控制下，逐行遞減對行電極進行掃描；第7個行時鐘信號時，N變?yōu)?ldquo;22”，掃描信號變成在行電極COM33上輸出，逐行遞減對COM0~COM33進行逐行掃描。

　　4. 列數(shù)控制端可以改變列信號的電極數(shù)目。當列數(shù)選擇控制端M為“110”時，SEG電極為48位輸出；當M為“010”時，SEG的輸出變?yōu)?6位；當M為“101”，SEG的輸出變?yōu)?0位；當M為“100”，SEG的輸出變?yōu)?2位。

　　本文對該IP核的列數(shù)控制、行數(shù)控制、核間級聯(lián)等功能分別進行了功能驗證，并都通過了驗證。此處限于篇幅只介紹了列數(shù)與行數(shù)控制功能。

　　結(jié)語

　　本文討論了一種LCD顯示驅(qū)動芯片IP核的設(shè)計，根據(jù)自頂向下的設(shè)計思想，將芯片進行了層次化功能劃分，并對芯片的整體功能進行了驗證。在芯片的功能驗證中，本文采用了VHDL硬件描述語言對電路的邏輯功能和時序關(guān)系進行了仿真驗證。該LCD顯示驅(qū)動器由于采用了參數(shù)化設(shè)計，具有很好的移植性，可方便地應(yīng)用于便攜式儀器及PDA等有關(guān)產(chǎn)品的各種不同規(guī)模的平板顯示系統(tǒng)應(yīng)用中。