选择最合适的LCD控制方法
摘要： 使用电流泵和梯形电阻的模拟LCD控制标准已经在半导体行业存在20多年了，新一代数字控制方法将会证明其是一个可行的替代方案，因为它们实现的尺寸小，功耗低。
Abstract：
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摘要
LCD（很多种）已经使用30多年了，其驱动方式已为大家所熟悉，并在过去的20年里一直保持不变。然而，LCD材料的进步以及对密度调制新的认识，使得可以有新的数字方法，其可以升级到芯片过程，可以有更具成本效益的设计。这篇文章将会介绍传统的实现方式，将介绍两种只需要数字信号来驱动LCD的方法。第一种方法依赖于不同频率信号的相关与不相关性，而第二种方法是通过LCD玻璃的低通滤波属性允许它由密度调制信号驱动。我们会介绍这两种技术的优点，如识别率、供电电压的开关电压极限，将会介绍多种电平，多种类型。我们还会示范三种常用的类型。
传统上，LCD控制在微控制器中已经完成，主要通过两种不同方式，但只要是模拟方式实现。这些实现方式包括一个梯形电阻或电流泵，业界更常用的是梯形电阻。使用梯形电阻，一系列的电阻彼此堆叠，形成一个很大的分压器，在这里可以获得多个电平，然后在恰当的时间集合到适当的GPIO，从而产生所需的LCD控制波形，这取决于LCD的MUX值。梯形电阻阻值的选定由芯片实现，在功耗与图象显示品质上都很有效。
LCD是一种理想的电容负载。通过选择一个很大的电阻，由于电容负载不断的充放电，所以会产生失真波形。这可能导致生成不恰当的LCD控制波形，这会影响LCD的显示，因为某些segment可能显得可定义的比其他的多。通过减少电阻值，波形失真可以减少，但代价是增加了功耗。关键是要找到节能和LCD控制波形完整性之间的平衡点。此外，实施LCD驱动模拟子系统需要的成本会变得非常昂贵（由于片内子系统尺寸）。以PSoC 3控制器为例， LCD架构会占用大约~350k平方微米。
当模拟LCD系统主导市场时，与新技术和LCD背后的制造过程相匹配的密度调制理解的增长，使得需要有一个有效驱动LCD的新方法。例如，纯数字LCD控制技术可应用于产生LCD控制信号，当察看LCD时，不能和模拟方法区分开来。与此同时，数字方式还可提供额外的好处。有两个不同但类似的实现方式，包括数字相关和密度调制。
原理
传统上，LCD电流泵或电阻分压器可以产生多个偏置电压，如而产生如图1所示的梯形波形。
图1 ： 传统的模拟控制波形
确切的电压阶数取决于期望的偏置电平。偏置是适用于LCD的电压台阶数目。精确的数目依赖于Mux比率，即LCD中common数目的倒数。例如，一个4common的LCD mux比率是1/4。然后使用这些多重电压来保持适当的电平，以保持某段的开或关。每common所需的偏置数量可以通过方程1计算出来。
方程1
这种方法的优势是可以产生高识别率，但它会造成潜在的功耗成本和芯片实现成本的提高。使用数字相关技术，不是使用多个模拟电平，而是使用标准数字逻辑电平， LCD控制波形在合适的时候在Vdd和地之间切换。这种方法有两个主要优势。首先，使用这种技术，可以用非常有限的硬件实现（如定时器或PWM)，使用DMA或微控制器控制固件和ISR。目前市场上可用的微控制器和FPGA具备实现这种控制技术所需的资源。这种方法的第二个主要优势是，这种实现也可以很容易地在低功率模式下使控制系统驱动LCD。当器件由定时器ISR触发唤醒开始下一桢时，控制器件只需要调整GPIO到逻辑高电平或低电平，然后返回低功率模式。GPIO将会保持进入低功耗模式时的引脚状态，因此在低电源模式不需要大量的内部部件处于active。由于数字相关的LCD控制所需的管理步骤很简单，active模式需要的时间就很少，所以可以最大限度地节省功耗。下图给出了使于数字相关控制波形的一个例子，见图2。
图2 数字相关控制波形
控制波形是这样产生的，选中底板(common)时是segment波形相关信号，不选是不相关信号。在子桢周期结束的时候，实现停滞状态。与传统的模拟方法不同，可以用DAC产生各种偏置水平，需要调整LCD RMS的电压来产生适当的开关电平。由于经过segment的电压与的segment and common(Seg-Com)的电压不同，通过驱动这两条线到相同的电平， 5 V或0 V，就会产生一段时间的0 V，从而影响到经过segment的RMS电压。LCD的每一segment都有一个Von和Voff阈值电平。这些阈值电平可以通过下列方程计算，这里“ d”代表停滞状态数目，“ n ”代表common数。
方程2
方程3
识别率是很重要的参数，其定义为VRMS(On) 和VRMS(Off)之间的比率。其差距较大，将会显示越多的定义了的开关segment。如果这两个参数太接近，它就很难区分开和关的segment。计算数字相关识别率的方程如下。
方程4
从这个方程可以看出，随着LCD common数量的增加，识别率会降低。在任何控制方法中识别率都是这样的。识别率并不像理想的模拟控制方法那么有效率，不过对于当今的4common LCD来说已经足够了。
使用密度调制，由系统内PWM组成，可以产生类似传统模拟方法的波形。理想情况下，LCD模型是一个电容。然而，由于LCD玻璃的固有特性， LCD模型更像一个滤波器。LCD的这些固有特性在这种情况下是有利的。通过改变PWM参数，LCD的滤波器特性可用于生产直流电压。通过这种方法，产生的波形和图1所示的传统模拟方法非常相似。
该方法的最大优势是成本。由于是数字硬件来产生波形，数字元件比模拟硬件占用的die要小。开始PSoC3给出的值是近似~ 350 k 平方微米。通过切换到纯粹的数字系统，估计这个数字会降低到大约5.5 k平方微米。实现数字系统比相应模拟器件来说还会明显减少芯片设计风险。请注意，这一切随之而来的代价是更高的功率消耗，这是由于PWM需要更高速度的时钟。然而，在LCD管脚添加额外的外部电阻可以平衡这种实现的功耗。
方程5
方程6
这种方法的识别率比数字相关更高，可以产生更多的可定义的显示，如方程7所示。
方程7
实现
下面的工程范例是使用PSoC 3/5在PSoC Creator环境中实现和配置的。这个项目配置为可以实现数字相关和密度调制两种方法，1/2 和1/3偏置。在工程文件中通过简单地改变一些参数，工程文件就可以实现任何LCD控制技术。有两个主要的LCD控制部分。第一个驱动控制排序，如图3所示。第二部分是引脚驱动逻辑，见图4，其获得各种控制和驱动信号，并用适当的逻辑结合来生产所需的驱动波形。
图 3 数字LCD控制控制和驱动排序
序列器是用来指示正在生成控制波形子帧，同时决定波形信号是否需要倒置。这个模块扮演了一个连续循环的状态机角色。一旦整个LCD波形产生，它会翻转并重新开始。图3中所示为4 common 显示配置。然而，通过增加SubFrame[0..1]的尺寸，这个序列器可以扩展到多达16common。
PWM的停滞状态主要是用于控制差异，可以通过调整之前提到的RMS电压实现。通过改变PWM停滞时间参数，将common 和segment驱动为低的时间增加，从而降低LCD控制的RMS电压。
PWM偏置产生了两个PWM信号：一个高电平信号和一个低电平信号。当提到LCD为1/2， 1/3，或1/4偏置时，指的是结合系统的高、低电平产生所需的最终电平。
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