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、易集成、外形尺寸小和電磁輻射污染小等優(yōu)點，因而具有廣闊的市場和良好的機遇，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、數(shù)碼相機、MP3、PDA、 筆記本、攝像機等產(chǎn)品作為其終端的顯示部分。
針對直流電場將導(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)動電場，并要求在這個交流電場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)動器的驅(qū)動輸出必須是交流驅(qū)動。液晶顯示驅(qū)動器的功用是通過對其輸出到液晶顯示器件電極上的電位信號進行相位、峰值、頻率等參數(shù)的調(diào)制來建立交流驅(qū)動電場，以實現(xiàn)液晶顯示器件的顯示效果。又由于LCD要接受MCU發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，必須設(shè)計相應(yīng)的控制模塊。顯示驅(qū)動模塊按照控制模塊送來的控制信號進行顯示或其它操作。 當今的大規(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)動控制芯片就是集控制和驅(qū)動為一體的專用集成芯片。這個芯片的整 個設(shè)計采用“自頂向下” 的設(shè)計思想，將芯片進行層次化功能劃分, 同時, 參考已有的同類驅(qū)動控制芯片的設(shè)計經(jīng)驗，芯片的數(shù)字部分用Verilog編程，再用綜合技術(shù)綜合到門級電路實現(xiàn)，模擬部分采用原理圖輸入方式實現(xiàn)，最后協(xié)調(diào)數(shù)模模塊設(shè)計，完成整個芯片的設(shè)計。
2 STN-LCD驅(qū)動控制專用集成電路的結(jié)構(gòu)
STN- LCD驅(qū)動控制芯片為一多功能、記憶體映射的 LCD 驅(qū)動器，提供32×4（128）個顯示點選擇，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)動控制芯片集成了控制模塊和顯示模塊兩部分電路為一體。控制模塊用于接收MCU送來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號送給顯示模塊。顯示驅(qū)動模塊按照控制模塊送來的控制信 號進行顯示或其它相應(yīng)的操作。
液晶顯示控制驅(qū)動芯片是在液晶像素的行電極和列電極之間建立交變電場。在點陣式液 晶顯示器中，像素的兩電極是以矩陣方式排列的，由驅(qū)動電路循環(huán)地給每行電極施加選擇脈沖電壓，同時通過列電極給該行像素施加選擇或非選擇脈沖電壓，以實現(xiàn)對像素的驅(qū)動，這 種行掃描是逐行順序進行的，循環(huán)周期為一幀。因此，點陣LCD 專用控制芯片的主要作用是 為液晶顯示器提供時序信號和顯示數(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獨立控制并驅(qū)動液晶顯示，以上為液晶驅(qū)動控制的基本要求。 STN-LCD驅(qū)動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RAM；4)為液晶顯示屏提供掃描時序信號和傳輸顯示數(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)動電壓。STN-LCD驅(qū)動控制專用集成電路 的總體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。
3 STN-LCD 驅(qū)動控制專用集成電路設(shè)計
3．1 STN-LCD 驅(qū)動控制芯片工作原理
STN- LCD驅(qū)動控制芯片的界面只需要4條信號線，分別為/CS、DATA、/RD和/WR線。其中， /CS線是片選信號。如果/CS的值設(shè)為高電平，MCU與STN-LCD驅(qū)動控制芯片通信無效并初始化。送出模式指令或轉(zhuǎn)換模式之前，/CS信號需要一個高準脈沖初始化芯片的串行接口，然后對 芯片發(fā)送讀寫命令時將/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DATA線。而/RD線是用來輸入READ時鐘的，在/RD信號處于下降沿 時，從LCDRAM讀出的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)在DATA線上，直到/RD信號出現(xiàn)在下一個下降沿或是/CS的值變成“1“為止。在/RD信號進入下一個下降沿之前，出現(xiàn)DATA線的數(shù)據(jù)可以被讀進STN-LCD 驅(qū)動控制芯片。至于/WR線是用來輸入寫時鐘，在/WR信號處于上升沿時，DATA線上的數(shù)據(jù)會寫入STN-LCD驅(qū)動控制芯片內(nèi)。另外，如果DATA不需要讀回來的話，其實界面只要三條信號 線即可。
3．2 STN-LCD驅(qū)動控制芯片部分時序圖和Modelsim部分仿真實現(xiàn)
STN- LCD驅(qū)動控制可用軟體配置，有兩種模式的指令可以配置STN-LCD驅(qū)動控制的工作模式和傳送LCD 所顯示的數(shù)據(jù)對應(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
方式、測試模式等等。另一種模 式是數(shù)據(jù)操作指令由讀、寫、讀－修改－寫各項操作構(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，它的標識碼100可省略。當系統(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，片選信號 /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/CS回到低電平，應(yīng)再發(fā)送 一次新的指令標識碼。
針對前端控制時序模塊，在芯片的功能驗證中, 我們采用了Verilog 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。由于篇幅的限制，所以給出Modelsim部分仿真 實現(xiàn)。
1）命令模式（ID：100）
2）寫操作（ID:101）
3．3 命令譯碼模塊（PLA）
該模塊是LCD驅(qū)動芯片的控制中心，用以區(qū)分數(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，先進行解釋并向相關(guān)模塊發(fā)出控制信號，由后者完成指令執(zhí)行，實現(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，由此低脈沖信號觸發(fā)相應(yīng)的電路，改變其狀態(tài)，實現(xiàn)各項功能。以命令SYS DIS（LCD偏置發(fā)生器停止工作）為例，對應(yīng)八位數(shù)字命令為00000000，將這八個變量經(jīng)過取非后加上原變量共有16個變量送入PLA，有且只有PLA-SYS DIS這條線所在的列會產(chǎn)生一個通路，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), 來自M CU 的指令代碼通過專用芯片的接口模塊電路產(chǎn)生9位輸入信號，設(shè)計中的指令為8位，最后一位為無關(guān)位即第9位是為了指令擴展用。但在沒有擴展之前，對于PLA指令譯碼電路來說，在8位數(shù)據(jù)暫存起來后，必須取消第9位移 入PLA。否則會發(fā)生錯誤的譯碼。其中的一列(SYS DIS)譯碼電路如下圖4所示。
3．4 seg和com驅(qū)動電路設(shè)計
該模塊的輸入通過與命令譯碼模塊輸出的信號，時鐘信號連接，控制1/2、1/3偏置選項和幾種偏壓值。也是專用芯片與液晶顯示器的接口，其作用是提高驅(qū)動能力、實現(xiàn)偏壓顯示、 實現(xiàn)偏壓極性的交流轉(zhuǎn)換。它包括com 驅(qū)動器、seg 驅(qū)動器及com的移位寄存器。seg驅(qū)動器 向液晶顯示器提供顯示數(shù)據(jù)；com驅(qū)動器向液晶顯示器提供行掃描信號。在com 和seg 的配合下，實現(xiàn)RAM 矩陣內(nèi)容的液晶顯示。com驅(qū)動電路原理與seg驅(qū)動電路原理類似，它只需電路滿足在不同占空比（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)動電路仿真結(jié)果。
4 小結(jié)
本文作者創(chuàng)新點:本文介紹了一種STN-LCD 專用控制驅(qū)動芯片的正向設(shè)計思想和設(shè)計方 法，將芯片的電路優(yōu)化，性能更穩(wěn)定。所設(shè)計的STN-LCD 專用控制驅(qū)動芯片, 參考了已有的同類驅(qū)動芯片的設(shè)計經(jīng)驗。經(jīng)Verilog 與Spectre 仿真設(shè)計驗證，證明控制芯片設(shè)計可靠、設(shè)計方案可行，以上電路是采用.35硅柵工藝仿真，為后續(xù)進行后端設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。