一种4灰度级LCD驱动芯片的设计研究

摘要：介绍了一种具有4 种灰度级的STN LCD驱动芯片的总体设计方案，重点讨论分析了其关键模块—接口电路、控制电路和驱动电路的设计，并用Verilog硬件描述语言对所设计的驱动芯片的功能进行了仿真验证。

关键词：STN LCD，LCD驱动器，FPGA仿真，Verilog仿真，脉宽灰度调制(PWM)

1 引言
液晶显示器由于具有体积小、重量轻、低电压、低功耗等特点，使它适于结合大规模集成电路开发出各种便携式显示产品，因而具有十分广阔的市场前景。其中STN LCD(Super Twist Nematic LiquidCrystal Display)在中小尺寸LCD领域占很大的市场，有其独特的优势。大屏幕STN LCD可用于笔记本电脑、彩色文字处理机等，中小屏幕STN LCD常用于便携电话、PHS(个人手持系统) 、PDA(个人数字助理) 、GPS(全球定位系统)等。STN与TFT一样，要求提高显示质量和响应速度，低功耗、高密度安装、彩色显示等，因此，STN LCD的专用驱动控制芯片要求较多的控制性能，根据所驱动的LCD的大小及所需功能的多少，其驱动控制芯片的复杂程度不同，主要体现在其内部RAM的大小、译码电路的复杂程度、内部的时序及电源电路等，对外可体现在驱动行和列端口的多少、与MPU的接口功能等。

本文讨论了一种功能较完备、具有灰度调制功能的点阵STN LCD驱动芯片的设计，根据TOPDOWN方式对芯片系统进行整体功能划分。同时，参考已有的同类驱动芯片的设计经验，再以BOTTOM-UP方式进行原理图输入，最后进行芯片的功能，性能等各项模拟，并提交设计所需的网表和测试文档，从而达到设计的目的。

2 设计要求
液晶显示控制驱动模块是在液晶像素的两电极(行电极和列电极)之间建立交变电场。在点阵式液晶显示器中，像素的两电极是以矩阵方式排列的，由驱动电路循环地给每行电极施加选择脉冲电压。同时，通过列电极给该行像素施加选择或非选择脉冲电压，以实现对像素的驱动。这种行扫描是逐行顺序进行的，循环一周期为一帧。因此，点阵LCD专用控制芯片的主要作用是为液晶显示器提供时序信号和显示数据，是单片机与液晶显示系统之间的接口。本设计主要实现以下功能：

⑴ 与MPU(微处理器)有6线的交互界面；
⑵ 时序发生和逻辑控制功能；
⑶ 显示RAM的控制和管理；
⑷ 提供功能齐全的控制指令集, 便于MPU编程；
⑸ 提供可选择的不同偏压比的驱动电压；
⑹ 提供可选择的三种驱动电流；
⑺ 两种帧频工作模式。

该芯片有64个SEG和16个COM输出，仅6条线(其中4 条数据线)与MPU的接口界面，芯片内含64×16×2(=2048)的显示RAM，可选4或5偏压应用于不同类型显示面板，3种偏置电流，4种灰度显示。芯片采用CMOS工艺设计，内置振荡产电路，具有较低的功耗。

3 LCD驱动控制芯片的实现
基于以上要求，本设计主要由6个模块组成：
接口模块、译码模块、时序产生与控制模块、脉宽调制信号产生模块、SEG驱动模块、COM驱动模块。各模块根据需要和具体的电路设计要求又分为若干底层模块。该驱动控制芯片的主要模块结构如图1所示。

3.1 MPU接口模块
MPU接口模块为设计芯片与MPU的通信接口，是数据传输的通道。该模块首先在指令输入的同时，锁存住命令码，作为区分命令/数据模式的依据。从而将数据线输入的数据分别转换为并行的数据及地址( 数据模式)或8位命令码( 命令模式) 。

3.2 译码模块
该模块对输入指令进行识别，并对相关模块发出控制信号，由后者完成指令实现芯片的可编程。我们所设计的专用芯片具有17条指令。其译码电路，通过一个使能端有效把输入的8位指令码转化为具有一定宽度的低电平信号，触发相应的电路，完成要求的功能。

3.3 时序产生与控制模块
该模块包括几个子模块，分别是：内部振荡产生电路、基本时序产生电路、基本时序控制电路等。该模块即可以由内部的RC振荡器产生32KHz的振荡源，也可外接32.768KHz的晶振。时序控制电路通过时序逻辑和组合逻辑产生多个时序信号，控制行地址译码电路及显示数据的锁存电路，从而实现RAM数据的整行输出；这些时序信号将会应用到SEG和COM驱动模块中去，从而实现行、列扫描。

3.4 脉宽调制信号产生模块
调制数据脉冲的宽度，即可实现每个像素上的灰度调制。我们所设计的芯片通过命令设置，在89Hz帧频工作模式下可产生24级灰度，170Hz帧频工作模式下产生13级灰度，各级灰度由输入的5位PWM数据对应。脉宽信号与相应的时序信号通过分压电路模块最后产生SEG和COM驱动波形，如图2所示。图2给出89Hz帧频模式下的4种脉宽信号的仿真波形，宽度比分别为1/23、3/23、11/23、23/23。


3.5 SEG和COM驱动模块
该模块包括显示RAM模块、地址译码电路、偏压产生电路、SEG(COM)驱动及电压选择电路。每个像素由两位数据映射在显示RAM中，所以每个像素在两种帧频模式下都可有4 级灰度的显示效果( 通过指令设置项选取24级或13级灰度中的任意4 级)。分压电路部分实现偏压显示、提高驱动能力。在COM和SEG的配合下，实现RAM矩阵内容的液晶显示。

4 仿真验证
在上述各模块结构设计的基础上，我们采用Candence公司的Verilog- XL工具对各子模块直至整个芯片的数字部分进行了电路设计验证，仿真波形如图3所示。分别为测试、FRAM170Hz、FRAM89Hz模式下的数字输出结果。

该设计采用Xilinx公司的SpartanⅡ FPGA进行硬件测试。输出的数字信号控制由外接电阻组成的分压电路。所要测试的数据与模式代码通过单片机写入，最后采集到的输出波形如图4所示，可见功能与设计、仿真的结果符合一致。


对于电路的模拟部分，主要是振荡产生和分压电路部分，其功能用南科公司的Level 3模型进行了Spice模拟，能够达到芯片工作的性能要求。

5 结束语
本文论述了一种LCD专用控制驱动芯片的设计思想和方法。我们所设计的LCD专用控制驱动芯片，参照了同类产品的特点，具有一定的实用价值。经Verilog及Spice的仿真和验证，证明控制芯片设计可靠、设计方案可行，在确定了合理的工艺并完成芯片的后端设计之后有较大的实用价值，同时也可更进一步的设计工作打下基础。