嵌入式Linux裸机开发(十五)——LCD

一、LCD简介

LCD(Liquid Crystal Display)是液晶显示器简称。LCD的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT(薄膜晶体管)，上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。

1、LCD类型

按照背光源的不同，LCD可以分为CCFL和LED两种。

A、CCFL

指用CCFL(冷阴极荧光灯管)作为背光光源的液晶显示器(LCD)。CCFL 的优势是色彩表现好，不足在于功耗较高。

B、LED

指用LED(发光二极管)作为背光光源的液晶显示器(LCD)，通常意义上说WLED(白光LED)。

LED的优势是体积小、功耗低，因此用 LED作为背光源，可以在兼顾轻薄的同时达到较高的亮度。其不足主要是色彩表现比 CCFL差，所以专业绘图LCD大都仍采用传统的CCFL作为背光光源。

2、技术参数

A、对比度

LCD制造时选用的控制IC、滤光片和定向膜等配件，与面板的对比度有关，对一般用户而言，对比度能够达到350：1就足够了，但在专业领域这样的对比度并不能满足用户的需求。相对CRT显示器轻易达到500：1甚至更高的对比度而言，只有高档液晶显示器才能达到如此程度。市场上三星、华硕、LG等一线品牌如今的LCD显示器均可以达到1000：1对比度这一级别。

B、亮度

LCD是一种介于固态与液态之间的物质，本身是不能发光的，需要借助额外的光源才行。因此，灯管数目关系着液晶显示器亮度。最早的液晶显示器只有上下两个灯管，普及型的最低也是四灯，高端的是六灯。四灯管设计分为三种摆放形式：一种是四个边各有一个灯管，但缺点是中间会出现黑影，解决的方法就是由上到下四个灯管平排列的方式，最后一种是“U”型的摆放形式，其实是两灯变相产生的两根灯管。六灯管设计实际使用的是三根灯管，厂商将三根灯管都弯成“U”型，然 后平行放置，以达到六根灯管的效果。

C、信号

响应时间指的是液晶显示器对于输入信号的反应速度，也就是液晶由暗转亮或由亮转暗的反应时间(亮度从10%-->90% 或者90%-->10%的时间)，通常是以毫秒(ms)为单位。人眼存在“视觉残留”的现象，高速运动的画面在人脑中会形成短暂的印象。动画片、电影等一直到现在最新的游戏正是应用了视觉残留的原理，让一系列渐变的图像在人眼前快速连续显示，便形成动态的影像。人能够接受的画面显示速度一般为每秒24张，这也是电影每秒24帧播放速度的由来，如果显示速度低于这一标准，人就会明显感到画面的停顿和不适。按照这一指标计算，每张画面显示的时间需要小于40ms。这样，对于液晶显示器来说，响应时间40ms就成了一道 坎，高于40ms的显示器便会出现明显的画面闪烁现象，让人感觉眼花。要是想让图像画面达到不闪的程度，则就最好要达到每秒60帧的速度。

D、可视角度

LCD的显示原理中，当背光源通 过偏极片、液晶和取向层之后，输出的光线便具有了方向性，大多数光都是从屏幕中垂直射出来的，所以从某一个较大的角度观看液晶显示器时，便不能看到原本的颜色，甚至只能看到全白或全黑。目前为止有三种比较流行的技术解决，分别是：TN+FILM、 IPS(IN-PLANE -SWITCHING)和MVA(MULTI-DOMAIN VERTICAL alignMENT)。

可视角度分为平行和垂直可视角度，水平角度是以液晶的垂直中轴线为中心，向左和向右移动，可以清楚看到影像 的角度范围。垂直角度是以显示屏的平行中轴线为中心，向上和向下移动，可以清楚看到影像的角度范围。可视角度以“度”为单位，比较常用的标注形式是直接标出总水平、垂直范围，如：150/120度，目前最低的可视角度为120/100度(水平/垂直)，低于这个值则不能接受，最好能达到150/120度以上。

3、特性

LCD特性如下：

低压微功耗

外观小巧精致，厚度只有6.5~8mm

被动显示型(无眩光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳)

显示信息量大(因为像素可以做得很小)

易于彩色化(在色谱上可以非常准确的复现)

无电磁辐射(对人体安全，利于信息保密)

长寿命(寿命极长，但是液晶背光寿命有限，可以更换)

二、LCD接口技术

LCD的接口依据LCD的驱动方式和控制方式有：MCU模式，RGB模式，SPI模式，VSYNC模式，MDDI模式，DSI模式。应用较多的有MCU模式和RGB模式。MCU接口和RGB接口主要的区别是：

A、MCU接口方式：显示数据写入DDRAM，常用于静止图片显示。

B、RGB接口方式：显示数据不写入DDRAM，直接写屏，速度快，常用于显示视频或动画用。

RGB模式是大屏采用较多的模式，数据位传输有6位，16位和18位，24位之分。连线一般有：VSYNC，HSYNC，DOTCLK，CS，RESET，有的也需要RS，剩下就是数据线。RGB-LCD的显存是由系统内存充当的，因此其大小只受限于系统内存的大小。RGB屏只需显存组织好数据。启动显示后，LCD-DMA会自动把显存中的数据通过RGB接 口送到LCM。而MCU屏则需要发送画点的命令来修改MCU内部的RAM(即不能直接写MCU屏的RAM)。所以RGB显示速度明显比MCU快，而且播放视频方面，MCU-LCD也比较慢。

TFT-lCD常用的接口有TTL(RGB)、LVDS、EDP、MIPI。

1、TTL(RGB)

TTL(Transistor Transistor Logic)即晶体管-晶体管逻辑，TTL电平信号由TTL器件产生。TTL接口属于并行方式传输数据的接口，采用这种接口时，不必在液晶显示器的驱动板端和液晶面板端使用专用的接口电路，而是由驱动板主控芯片输出的TTL数据信号经电缆线直接传送到液晶面板的输人接口。TTL 接口信号电压高、连线多、传输电缆长，因而电路的抗干扰能力比较差，而且容易产生电磁干扰(EMI)。在实际应用中，TTL接口电路多用来驱动小尺寸 (15in以下)或低分辨率的液晶面板。TTL最高像素时钟只有28MHz。

TTL是信号时TFT-LCD唯一能识别的信号，早期的数字处理芯片都是TTL的，也就是RGB直接输出到TFT-LCD。

RGB接口：

VD[23：0]:24根数据线，用爱传输图像数据

HSYNC:水平同步信号，

VSYNC：垂直同步信号，

VCLK：像素时钟，

VDEN：

LEND：行结束标志

2、LVDS

LVDS，即Low Voltage Differential Signaling， 是一种低压差分信号技术接口。克服以TTL电平方式传输宽带高码率数据时功耗大、EMI电磁干扰大等缺点而研制的一种数字视频信号传输方式。LVDS输出接口利用非常低的电压摆幅(约350mV)在两条PCB走线或一对平衡电缆上通过差分进行数据的传输，即低压差分信号传输。采用LVDS输出接口，可以使得信号在差分PCB线或平衡电缆上以几百Mbit／s的速率传输，由于采用低压和低电流驱动方式，因此，实现了低噪声和低功耗。

三、LCD显示图像过程

LCD-TFT的图像显示过程如下图：

1、像素

像素是图像元素简称，是指基本原色素及其灰度的基本编码。像素只是分辨率的尺寸单位，而不是画质。像素是构成数码影像的基本单元，通常以像素每英寸PPI(pixels per inch)为单位来表示影像分辨率的大小。通过控制每一个像素显示一定的颜色可以显示一幅完整的图像。

2、图像扫描加载

LCD图像通过从左到右，从上到下的顺序加载每一个像素，进而加载整幅图像。

3、LCD驱动器、控制器

LCD控制器是SoC的内部外设，用于产生数字信号，按照一定的通信时序与LCD驱动器通信，控制LCD驱动器工作。

LCD驱动器集成在LCD面板，通过模拟电信号驱动LCD面板的液晶分子旋转发光。

四、LCD参数

1、RGB接口时序

HSPW:水平同步信号脉冲宽度

HBPD：水平同步信号前肩

HFPD:水平同步信号后肩

VSPW：垂直同步信号脉冲宽度

VBPD：垂直同步信号前肩

VFPD：垂直同步信号后肩

行数据格式：HSPW+HBPD+有效信息数据+HFPD(一个VDEN周期)

帧数据格式：VSPW+VBPD+帧有效信息+VFPD

具体的参数值查阅LCD技术文档。

2、LCD显示参数

像素pixel：图像元素

像素间距pitch：相邻连个像素中心之间的距离

分辨率resolution：LCD屏幕横向和纵向的像素个数，分辨率与屏幕尺寸无关。

清晰度：影像上各细部影纹及其边界的清晰程度

像素深度bpp(bits per pixel)：一个像素由多少位保存

五、LCD编程实践

1、电路原理图查阅

查阅LCD文档LCD时序部分，获取LCD的时序参数

#define HSPW(10)

#define HBPD(40 - 1)

#define HFPD(210)

#define VSPW(7)

#define VBPD(23)

#define VFPD(22)

#define ROW(480)

#define COL(800)

#define HOZVAL(COL-1)

#define LINEVAL(ROW-1)

查阅核心板电路原理图LCD相关部分，相应GPIO引脚为GPF0-GPF3

查阅底板电路原理图LCD部分，背光打开引脚为XpwmTOUT1，对应GPIO为GPD0。

2、工程项目

工程项目以SDRAM初始化项目为模本，主要是在LCD屏幕画像素、横线、竖线、斜线、圆。

源码见附件。