中、小尺寸TFT-LCD系统时序控制模块的设计

kenson

摘要：说明时序控制模块和LCD系统中其它子模块之间的关系，对时序控制模块所要解决的时序问题进行分析。在分析问题的基础上提出一种适用于中、小尺寸液晶显示系统时序控制模块的实现结构。对时序控制模块进行功能验证，给出FPGA逻辑功能验证结果，证明设计可行。
    LCD技术已成为平板显示的主流技术，其中，中、小尺寸液晶产品成为开发的主流。中、小型LCD的应用将更加广泛。
" E- E6 k! f' g    应用于中、小尺寸液晶显示的主要技术有：
/ u3 v- M8 `) o2 g& R* t: U(1)STN-LCD(Super Twisted Nematic，超扭转向列式液晶)；
' m" u, |  `- D8 w2 t6 {& G(2)TFT-LCD(Thin Film Transistor，薄膜晶体管液晶显示器)；
(3)LTPS(Low TemperaturePoly Silicon，低温多晶硅)等三种。而其中技术最为成熟的是TFT-LCD。
    由于TFT电流较低，无法直接在TFT上设计线路，因此，为了使TFT-LCD工作，需要外建IC控制电路。目前大多数有关TFT-LCD控制IC的
& B& C- g9 M7 a7 |1 z0 T3 R5 ^资料中对于时序控制器的介绍都很简略，对其时序的控制和产生的原理缺乏深入分析。事实上，时序控制器TCON(Timing Controller)所产生的同步控制信号是决定TFT-LCD能否正常显示的关键，因此它是TFT-LCD模块组成中的核心控制部分之一，即控制中心。
    本文首先粗略介绍液晶显示系统组成，之后重点分析应用于中、小尺寸TFT-LCD的时序控制器(TCON)的工作原理，并在原理的基础提出了一种TCON模块的结构框图，最后给出TCON模块的FPGA验证。
2 TFT-LCD系统的一般结构
    TFT-LCD系统由两个部分组成：LCD控制模块和LCD面板模块。实际应用中液晶面板又分两种，传统面板和智慧整合型面板，结构如图1所示。
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图1 TFT-LCD系统结构框图
5 W! W* m2 h) E; X* a+ ]( }% Y    TFT-LCD Monitor系统包括模数转换器，处理PC显卡输出的模拟信号、数字视频接口、视频解码器(处理视频信号)、TMDS接收器、在屏显示、控制单元、时序控制器、背光Source驱动器、Gate驱动器等组成。
: j( D# t# x0 n5 W* R, D5 l    TFT-LCD显示器工作时，前端部分的控制电路模块主要工作是将PC主机或是影音装置(如DVD Player)输出的讯号进行转换，例如由PC显示
卡输出的模拟讯号，经由ADC组件的转换，成为数字讯号；类似地，影音讯号则经由Video Decoder的转换，成为相同的数字讯号，这些讯号再经过Scaler IC作放大或缩小的动作，并进行数字影像处理，再由cable线传输讯号到液晶模块，然后通过时序控制器产生所需要的时序控制信号驱动纵向的驱动Ic和横向的驱动IC，其中纵向的驱动IC负责控制数据的写入，由横向的驱动IC控制晶体管的开/关，并配合其它组件，如供电模块，即可正确显示图像。
! y. R! h+ c, L! E3 TCON模块的设计分析
/ y, A- n: U- v3 m& q/ u     对于大尺寸的液晶显示面板，TCON模块的设计相对复杂。因为在高分辨率显示系统中，时钟频率很高，所以在基于时钟信号产生时序控制信号以前，需要先对同步时钟进行扩频处理，以减小EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)，使其通过EMC测试。由于同步时钟经过了扩频处理，则视频数据也要通过相应的处理才能正常显示，否则就会遗失数据。
    中、小尺寸LCD的TCON控制相对简单，基本的工作过程是首先由输入的信号确定TFT-LCD屏幕的分辨率、工作模式、显示模式等信息，然后根据这些信息来确定合适的参数值，最后产生所需要的控制信号，无需对视频数据做处理就可以使TFT-LCD正常工作。
+ z. u2 n$ b! z  \  Z6 F* c  D" n3 p( D    本文只对适用于中、小尺寸LCD的时序控制模块进行讨论。
3.1 模式选择
    由于不同分辨率的LCD、不同工作模式所需要的输出控制信号有所不同，因此TCON工作时，首先要做出判断，选择正确的工作模式，以便于产生相应合适的控制信号。这些选择包括LCD分辨率选择、外部/锁相环电路(PLL)时钟模式选择、分离/复合工作模式选择、NTSC/PAL制式选择及高分辨率下的显示模式选择 。
+ Q/ j7 S' Y  Y$ k% v' u     LCD分辨率选择：在实际的显示系统中，TFT-LCD有不同的尺寸与分辨率，一般中、小尺寸的TFT-LCD的分辨率有480*234(2.5"、3.5")、
. H5 o" q" ?1 Q6 p! N: m960*234(3.6"、5"、6.4")、1200*234(6.5")、1440*234(6.2"、7")、1920*234(9")等。对于不同分辨率的LCD，所需要的某些控制信号会有不同。
* M" M/ H# r9 o    外部/PLL时钟模式选择：工作时钟源的提供有两种方式：锁相环电路(PLL)模式和外部时钟模式。在PLL工作模式中，VCO电路产生振荡，通过锁相环电路调相后给TCON提供稳定的工作时钟；在外部工作模式中，工作时钟由外部提供。
    分离/复合模式选择：输入同步信号可分为复合同步信号和分离同步信号，这两种同步信号的同步脉冲标志位不相同。
    NTSC/PAL制式选择：NTSC和PAL制式的每帧行数和同步脉冲的标志位完全不同，因此在处理输入信号及产生控制信号以前应做出判断选择。高分辨率下的显示模式选择：高分辨率下有Full Mode、Normal Center Mode、Normal Wide Mode、Normal Left Mode、Normal Right Mode、Zooml Mode、Zoom2 Mode及Zoom3 Mode 8种不同的显示模式，不同显示模式下，其显示区域、输出控制信号脉宽会有所不同。

1 m, P1 [6 {' h  U3.2 Gate Driver及Source Driver阵列控制
    TFT-LCD面板等效电路如图2所示，其中每一个TFT和电容代表一个显示的点，而一个基本的显示单元pixel，则需要三个这样显示的点，分别来代表RGB三原色。以一个480*234分辨率的TFT-LCD来说，共需要480*234*3个这样的点组合而成。整个面板的大致结构如图2。
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' m5 f# k$ b( H图2 液晶面板等效电路
    TFT-LCD工作时，首先按一定顺序将每一行Gate Driver打开，然后整排的Source Driver同时将一整行的显示电极充电到各自所需的电压，显示不同的灰阶。当这一行充好电时，Gate Driver便将电压关闭，然后下一行的Gate Driver便将电压打开，再由相同的一排Source Driver对下一行显示电极进行充放电。如此依序下去，当充好了最后一行显示电极，便又回过来从头从第一行再开始充电。
1 q# G7 V$ M* H! ~1 _7 s7 M8 O# Y    为了使上述过程正常进行，TCON模块就要产生正确的时序信号，控制Gate Driver及Source Driver在合适的时间打开与关闭，使TFT-LCD正
常工作。控制信号如图3所示。
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6 c5 R2 F* E% s! w1 F图3 Driver控制信号
# M# d5 z* `: l' s    如图3(a)所示，在TCON输出信号控制下，每一行的Gate Driver会依次打开，与此同时，如图3(b)所示，Source Driver的使能信号会对RGB数据进行采样，以确定需要达到的电压，最后对显示电极充电显示出图像。需要注意的是，Gate Driver使能信号脉冲持续的时间要足够长，能让SourceDriver使显示电极达到合适的电压。并且在实际的应用中，并非所有的数据信号都有效，而是有确定的行、场开始位置与显示区域，因此还要对GateDriver与Source Driver的开始进行控制，以确保只显示有效数据。
) ?: z$ q, s6 a$ g. Z1 F
! A2 U) N+ M' r: O# y3 ]! I1 A: z3.3 其它组件控制
    为了使整个TFT-LCD系统正常工作，除了要控制Driver以外，还需要控制一些其它组件，与Driver相配合，才可以正常显示。如解码器、TFT-LCD的Common电压、RGB数据输出顺序反转、PLL时钟模式时对锁相环电路的控制等。解码器：对于解码器，TCON要控制其工作时
机，使其解码输出工作时序与Gate Driver的工作时序相匹配。
6 s2 ?; f4 I+ D) t  S! ~    TFT-LCD的Common电压：在TFT－LCD设计中，为了降低Source Driver的最大工作电压及电路设计的复杂度与成本，并且由于液晶分子不能长时间固定在同一电压下的特性，所以TFT－LCD工作时，Common电压需要在TCON输出信号的控制下不停地做极性转换。
    RGB数据输出顺序反转：配合Common电压反转，控制液晶面板根据电平值，显示正确的色彩如图4所示。
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" o1 _, J/ \7 X2 ?( O! @7 ?" ]4 I图4 Common电压与RGB时序
    锁相环电路：在PLL时钟模式下，外部的VCO振荡电路在某些不稳定因素影响下，其输出时钟频率会产生漂移，直接影响TCON模块的正常工作，间接影响了整个TFT－LCD系统。为了防止这种情况发生，TCON模块会产生一个时钟的相位比较信号，通过锁相环电路，使VCO输出的工作时钟频率稳定在一个允许范围之内。

3.4 时序控制模块的结构
3 p/ t4 e; H3 z* n! q  t) w    根据上述分析，给出时序控制模块的一种结构框图，如图5所示：
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, y  f* o- |5 W9 q. t, m# S- m图5 时序控制模块结构框图
/ v  ~. a! Y9 }0 e! A. P    模式选择模块用来确定LCD分辨率及工作模式，选择合适时钟信号，产生所需的时间参数(如输出控制信号脉宽等)，以及水平、垂直开始位置及显示区域信息，用于控制Driver正确显示有效数据。Source Driver控制模块根据模式选择所产生的时间参数和垂直开始位置及显示区域，对每场的开始行位置及每场显示行数进行限制，再配合行、场同步信号时序，输出控制信号使Source Driver正常工作。对于不同分辨率的显示屏，Source Driver的采样周期不同，分辨率越高，每个像素采样时间就会越短，以便在固定的场、行周期内显示完整画面。类似地，Gate Driver控制模块则是根据模式选择所产生的时间参数和水平开始位置及显示区域，对每行的开始点及每行显示区域进行限制，再配合
行、场同步信号时序，输出控制信号使Gate Driver正常工作。
    其它组件控制模块在Driver工作时，由行、场同步信号及时间参数，控制其它一些组件与Driver工作时序相匹配，使LCD面板正常显示。
4 FPGA逻辑功能验证
    参照图5中的结构图，用Verilog语言对时序控制模块进行行为级描述，并结合TFT－LCD其它组件，进行FPGA逻辑功能验证。
& D0 A7 `, f; ?! i4 J7 U7 @    本文选用XILINX 公司Spartan－II系列XC2S200芯片作为目标芯片，该芯片集成有20万个等效逻辑门，含有5,292个逻辑单元，最高工作频率可以达到200MHz以上。以Modelsim5.5为仿真平台，运用Verilog HDL语言描述了整个结构，并进行了编译、仿真及下载验证。仿真环境：输
! M: ~5 @2 S0 g  D/ w: n/ k# v4 v入时钟源为PLL模式，TFT-LCD分辨率为480×234，NTSC制式，复合同步模式。
    只有在相应工作模式所要求的显示区域内Driver的控制信号才有有效输出，与其它控制信号时序相匹配。TFT-LCD显示正常。
5 结束语
" |- p  I( i* g    TFT-LCD显示系统工作时各模块的协同配合至关重要。TCON模块结构的设计直接影响了其输出显示时序信号的正确性与工作效率，作为
TFT-LCD显示系统的中心控制模块，它负责控制LCD系统中最重点的显示部分，是使其达到良好的显示效果的关键。本文以Modelsim5.5为仿真平台，运用VerilogHDL语言描述了整个结构，并进行了编译、仿真，选用XILINX公司Spartan-II系列XC2S200芯片作为目标芯片进行验证，给出仿真与验证结果。实践证明，LCD显示效果良好，本文提出的TCON模块设计是可行的。