STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制專(zhuān)用集成電路的設(shè)計(jì)和Modelsim部分仿真實(shí)現(xiàn)

1 引言

液晶顯示器（LCD） 具有工作電壓低、功耗小、顯示信息量大、壽命長(zhǎng)、易集成、外形尺 寸小和電磁輻射污染小等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊的市場(chǎng)和良好的機(jī)遇，尤其是STN-LCD （超扭 曲向列液晶顯示器件） 以其低成本、高可靠性。STN-LCD廣泛用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3、PDA、 筆記本、攝像機(jī)等產(chǎn)品作為其終端的顯示部分。

針對(duì)直流電場(chǎng)將導(dǎo)致LCD的化學(xué)反應(yīng)和電極老化，從而迅速降低液晶材料的壽命，因此 必須建立交流驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，并要求在這個(gè)交流電場(chǎng)中的直流分量越小越好，通常要求直流分量 小于50mV。由此要求液晶顯示驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)輸出必須是交流驅(qū)動(dòng)。液晶顯示驅(qū)動(dòng)器的功用是 通過(guò)對(duì)其輸出到液晶顯示器件電極上的電位信號(hào)進(jìn)行相位、峰值、頻率等參數(shù)的調(diào)制來(lái)建立 交流驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)液晶顯示器件的顯示效果。又由于LCD要接受MCU發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，必 須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制模塊。顯示驅(qū)動(dòng)模塊按照控制模塊送來(lái)的控制信號(hào)進(jìn)行顯示或其它操作。 當(dāng)今的大規(guī)模集成電路，已經(jīng)能夠?qū)⒖刂颇K和顯示模塊所有的器件集成在一塊芯片上，本 文所介紹的STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制芯片就是集控制和驅(qū)動(dòng)為一體的專(zhuān)用集成芯片。這個(gè)芯片的整 個(gè)設(shè)計(jì)采用“自頂向下” 的設(shè)計(jì)思想，將芯片進(jìn)行層次化功能劃分， 同時(shí)， 參考已有的同 類(lèi)驅(qū)動(dòng)控制芯片的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，芯片的數(shù)字部分用Verilog編程，再用綜合技術(shù)綜合到門(mén)級(jí)電 路實(shí)現(xiàn)，模擬部分采用原理圖輸入方式實(shí)現(xiàn)，最后協(xié)調(diào)數(shù)模模塊設(shè)計(jì)，完成整個(gè)芯片的設(shè)計(jì)。

2 STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制專(zhuān)用集成電路的結(jié)構(gòu)

STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制芯片為一多功能、記憶體映射的 LCD 驅(qū)動(dòng)器，提供32×4（128）個(gè)顯 示點(diǎn)選擇，并且可以用軟體方式加以設(shè)定系統(tǒng)功能，非常適用于各種 LCD 產(chǎn)品上。在STN-LCD 驅(qū)動(dòng)控制芯片和MCU之間只需要 4 至 5 條線的界面即可。除此之外，STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制芯片 還提供了省電指令（Power Down Command），可減少電源的耗損。STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制芯片集成 了控制模塊和顯示模塊兩部分電路為一體?？刂颇K用于接收MCU送來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn) 行分析處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)送給顯示模塊。顯示驅(qū)動(dòng)模塊按照控制模塊送來(lái)的控制信 號(hào)進(jìn)行顯示或其它相應(yīng)的操作。

液晶顯示控制驅(qū)動(dòng)芯片是在液晶像素的行電極和列電極之間建立交變電場(chǎng)。在點(diǎn)陣式液 晶顯示器中，像素的兩電極是以矩陣方式排列的，由驅(qū)動(dòng)電路循環(huán)地給每行電極施加選擇脈 沖電壓，同時(shí)通過(guò)列電極給該行像素施加選擇或非選擇脈沖電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)像素的驅(qū)動(dòng)，這 種行掃描是逐行順序進(jìn)行的，循環(huán)周期為一幀。因此，點(diǎn)陣LCD 專(zhuān)用控制芯片的主要作用是 為液晶顯示器提供時(shí)序信號(hào)和顯示數(shù)據(jù)，是MCU與液晶顯示系統(tǒng)之間的接口。芯片既可以受 MCU的直接控制又可以脫機(jī)獨(dú)立控制并驅(qū)動(dòng)液晶顯示，以上為液晶驅(qū)動(dòng)控制的基本要求。 STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制芯片具有以下主要功能：1）與MCU的接口作用；2）控制顯示功能的電路；3） 訪問(wèn)RAM；4）為液晶顯示屏提供掃描時(shí)序信號(hào)和傳輸顯示數(shù)據(jù)；5）提供功能較齊全的控制指 令集便于MCU編程；6）提供可選擇的不同偏壓比的驅(qū)動(dòng)電壓。STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制專(zhuān)用集成電路 的總體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

3 STN-LCD 驅(qū)動(dòng)控制專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)

3．1 STN-LCD 驅(qū)動(dòng)控制芯片工作原理

STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制芯片的界面只需要4條信號(hào)線，分別為/CS、DATA、/RD和/WR線。其中， /CS線是片選信號(hào)。如果/CS的值設(shè)為高電平，MCU與STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制芯片通信無(wú)效并初始化。 送出模式指令或轉(zhuǎn)換模式之前，/CS信號(hào)需要一個(gè)高準(zhǔn)脈沖初始化芯片的串行接口，然后對(duì) 芯片發(fā)送讀寫(xiě)命令時(shí)將/CS 設(shè)置為低電平。DATA線代表串列數(shù)據(jù)輸入/輸出線，所有想要讀 取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)都必須經(jīng)過(guò)DATA線。而/RD線是用來(lái)輸入READ時(shí)鐘的，在/RD信號(hào)處于下降沿 時(shí)，從LCDRAM讀出的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)在DATA線上，直到/RD信號(hào)出現(xiàn)在下一個(gè)下降沿或是/CS的值 變成“1“為止。在/RD信號(hào)進(jìn)入下一個(gè)下降沿之前，出現(xiàn)DATA線的數(shù)據(jù)可以被讀進(jìn)STN-LCD 驅(qū)動(dòng)控制芯片。至于/WR線是用來(lái)輸入寫(xiě)時(shí)鐘，在/WR信號(hào)處于上升沿時(shí)，DATA線上的數(shù)據(jù)會(huì) 寫(xiě)入STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制芯片內(nèi)。另外，如果DATA不需要讀回來(lái)的話，其實(shí)界面只要三條信號(hào) 線即可。

3．2 STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制芯片部分時(shí)序圖和Modelsim部分仿真實(shí)現(xiàn)

STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制可用軟體配置，有兩種模式的指令可以配置STN-LCD驅(qū)動(dòng)控制的工作模 式和傳送LCD 所顯示的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)不同的ID碼。模式設(shè)置采用命令模式指令的ID 為100，命令 模式指令包括系統(tǒng)配置指令、系統(tǒng)頻率選擇、指令LCD 驅(qū)動(dòng)方式、測(cè)試模式等等。另一種模 式是數(shù)據(jù)操作指令由讀、寫(xiě)、讀－修改－寫(xiě)各項(xiàng)操作構(gòu)成，該模式的ID分別為110和101。其 中命令模式指令應(yīng)在數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)操作指令發(fā)送之前發(fā)出。若連續(xù)發(fā)送命令模式指令，它的標(biāo) 識(shí)碼100可省略。當(dāng)系統(tǒng)工作在非連續(xù)接受命令指令或非連續(xù)的地址數(shù)據(jù)方式時(shí)，片選信號(hào) /CS應(yīng)設(shè)置為高電平，先前設(shè)置的工作模式都復(fù)位。一旦片選信號(hào)/CS回到低電平，應(yīng)再發(fā)送 一次新的指令標(biāo)識(shí)碼。

針對(duì)前端控制時(shí)序模塊，在芯片的功能驗(yàn)證中， 我們采用了Verilog 硬件描述語(yǔ)言， 對(duì) 電路的邏輯功能和時(shí)序關(guān)系進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。由于篇幅的限制，所以給出Modelsim部分仿真 實(shí)現(xiàn)。

1）命令模式（ID：100）

2）寫(xiě)操作（ID:101）

3．3 命令譯碼模塊（PLA）

該模塊是LCD驅(qū)動(dòng)芯片的控制中心，用以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)與命令，并解釋輸入指令的功能。該 模塊在接收到MCU輸入的命令后，先進(jìn)行解釋并向相關(guān)模塊發(fā)出控制信號(hào)，由后者完成指令 執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)指令的可編程。譯碼器的作用為將外部輸人的指令轉(zhuǎn)換為一定寬度的低脈沖信號(hào)， 由此低脈沖信號(hào)觸發(fā)相應(yīng)的電路，改變其狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。以命令SYS DIS（LCD偏置發(fā) 生器停止工作）為例，對(duì)應(yīng)八位數(shù)字命令為00000000，將這八個(gè)變量經(jīng)過(guò)取非后加上原變量 共有16個(gè)變量送入PLA，有且只有PLA-SYS DIS這條線所在的列會(huì)產(chǎn)生一個(gè)通路，于是PLA-SYS DIS輸出低電平，其他的列仍然維持高電平，這樣就保證了每次只譯碼一條命令，就可以配 置好芯片。譯碼器采用NMOS 與非陣列結(jié)構(gòu)， 來(lái)自M CU 的指令代碼通過(guò)專(zhuān)用芯片的接口模塊 電路產(chǎn)生9位輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)中的指令為8位，最后一位為無(wú)關(guān)位即第9位是為了指令擴(kuò)展用。 但在沒(méi)有擴(kuò)展之前，對(duì)于PLA指令譯碼電路來(lái)說(shuō)，在8位數(shù)據(jù)暫存起來(lái)后，必須取消第9位移 入PLA。否則會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤的譯碼。其中的一列（SYS DIS）譯碼電路如下圖4所示。

3．4 seg和com驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

該模塊的輸入通過(guò)與命令譯碼模塊輸出的信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)連接，控制1/2、1/3偏置選項(xiàng) 和幾種偏壓值。也是專(zhuān)用芯片與液晶顯示器的接口，其作用是提高驅(qū)動(dòng)能力、實(shí)現(xiàn)偏壓顯示、 實(shí)現(xiàn)偏壓極性的交流轉(zhuǎn)換。它包括com 驅(qū)動(dòng)器、seg 驅(qū)動(dòng)器及com的移位寄存器。seg驅(qū)動(dòng)器 向液晶顯示器提供顯示數(shù)據(jù)；com驅(qū)動(dòng)器向液晶顯示器提供行掃描信號(hào)。在com 和seg 的配 合下，實(shí)現(xiàn)RAM 矩陣內(nèi)容的液晶顯示。com驅(qū)動(dòng)電路原理與seg驅(qū)動(dòng)電路原理類(lèi)似，它只需電 路滿(mǎn)足在不同占空比（掃描行數(shù)為n，占空比1/n）下輸出相應(yīng)的周期性行掃描波形。圖5為 seg驅(qū)動(dòng)電路仿真結(jié)果。

4 小結(jié)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文介紹了一種STN-LCD 專(zhuān)用控制驅(qū)動(dòng)芯片的正向設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方 法，將芯片的電路優(yōu)化，性能更穩(wěn)定。所設(shè)計(jì)的STN-LCD 專(zhuān)用控制驅(qū)動(dòng)芯片， 參考了已有的 同類(lèi)驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)Verilog 與Spectre 仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證，證明控制芯片設(shè)計(jì)可靠、 設(shè)計(jì)方案可行，以上電路是采用.35硅柵工藝仿真，為后續(xù)進(jìn)行后端設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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