Матричные жидкокристаллические дисплеи

Матричные жидкокристаллические дисплеи являются одними из основных средств вывода информации для современных цифровых систем. По сравнению со своими предшественниками - знаковыми жидкокристаллическими индикаторами - матричные ЖКД имеют гораздо более богатые возможности вывода. При этом они сохраняют главное достоинство первых - низкое энергопотребление, благодаря чему могут использоваться в портативной аппаратуре.

Типичные матричные ЖКД, интересные для разработчиков, имеют площади в диапазоне от 0,1 до 1 дм². В диапазоне площадей до 0,1 дм² имеет смысл применять светодиодную индикацию, а в диапазоне больше 1 дм² более рентабельно применение индикаторных панелей на тонкоплёночных транзисторах (Thin-Film Transistor - TFT).

С точки зрения управляющего интерфейса ЖКД делятся на два больших класса - с контроллерами и без контроллеров. Первые обычно применяются в системах, обладающих не очень большими вычислительными ресурсами. Наличие контроллера полностью освобождает программиста от операции регенерации изображения - ему необходимо только переслать информацию в ОЗУ дисплея. Для этого используется простой 8-разрядный параллельный интерфейс.

Дисплеи без контроллеров более просты по структуре, но для управления требуют гораздо больших вычислительных ресурсов - они применяются в составе мощных вычислительных систем. Многие современные 16и- и 32х-разрядные микроконтроллеры имеют встроенные интерфейсы ЖК панелей, что существенно облегчает задачу управления. При отсутствии контроллера все временные диаграммы развёртки необходимо генерировать программно. Последнее обстоятельство в определённом смысле является достоинством ЖКД без контроллера (наряду с более низкой стоимостью) - ведь в этом случае программист имеет прямой доступ к панели и не связан ограничениями, неизбежно накладываемыми конкретной микросхемой контроллера.

Начнём описание матричных ЖКД с моделей без контроллера, чтобы дать представление о том, как же реально, на уровне временных диаграмм, осуществляется процесс развёртки и какова его трудоёмкость.

Структура дисплея приведена на рис.1. Для управления ЖК панелью используются две микросхемы - драйвер строк и драйвер столбцов. Эти микросхемы установлены на печатной плате ЖКД. Количество управляющих выводов микросхем всегда не менее числа точек на дисплее по вертикали и по горизонтали соответственно (в случае, когда ЖКД имеет большие размеры, применяется каскадное соединение драйверов). Микросхемы имеют в своём составе регистры, управляющие напряжением на выводах. Единица в регистре означает включение строки/столбца, нуль - выключение. Точка на экране засвечивается в том случае, если она стоит на пересечении включённых строки и столбца.

Процесс развёртки ЖК панели происходит следующим образом. Сначала происходит заполнение регистра столбцов. Данные передаются по 8ми- или 4х-разрядной шине и тактируются сигналом CLK (очевидно, в случае 8ми-разрядной шины заполнение строки произойдёт за количество тактов, равное количеству точек, делённому на 8). Далее подаётся импульс строчной синхронизации LCLK. При этом происходит прокрутка сдвигового регистра в драйвере строк на один бит. В этот регистр во время передачи первой строки установкой сигнала FRAME вводится 1, а при передачи последующих строк вводятся 0. Таким образом, прокрутка регистра на один бит означает включение следующей (нижней) строки. Временные диаграммы управления ЖК панелью без контроллера приведены на рис.2.

Для оценки вычислительной мощности, необходимой для развёртки ЖКД без контроллера, подсчитаем частоту следования данных. Допустим, что имеется панель с разрешением 320х240 точек и 8-битным интерфейсом, которую предполагается разворачивать с частотой кадров 60 Гц. Тогда частота сигнала CLK будет равна:

f_CLK = 320 / 8 x 240 x 60 = 576 кГц

Существуют дисплеи с двойной развёрткой (Dual Scan), структура которых позволяет достичь качественного изображения при меньшей частоте кадров. ЖК панель разделена на две половины (рис. 3). Запись единицы в регистр строчного драйвера включает сразу две строки - одну в верхней, одну в нижней части. Из 8 бит данных, передаваемых ЖКД, 4 идут на верхнюю, 4 - на нижнюю половину. Таким образом, на экране одновременно засвечиваются две строки, что при той же частоте развёртки даёт меньшее мелькание изображения.

Перейдём к рассмотрению дисплеев с контроллерами. Типичная структура такого дисплея приведена на рис. 4. Большинство контроллеров ЖК дисплеев имеют в своём составе регистр команд и регистр данных. Обмен с контроллером сводится к записи/чтению этих регистров. Управляющие сигналы у различных контроллеров могут незначительно отличаться. На рис. 5 приведены временные диаграммы для одного из распространённых случаев:
 

• E - стробирующий сигнал;
• R/W - чтение/запись;
• I/D - инструкция/данные.
   

Контроллеры подразделяются на алфавитно-цифровые и графические. Начнём описание с первых. В подавляющем большинстве текстовых дисплеев используются контроллеры, совместимые по выводам и системе команд с HD44780 фирмы Hitachi. Он имеет следующие характеристики:

• экранное ОЗУ объёмом 80 байт, организованное в виде 2х строк по 40 байт в каждой;
• Контроллер может поставляться с различными прошивками ПЗУ знакогенераторов, в том числе с кириллицей;
• имеется возможность создать до 8 символов пользователя;
• возможен обмен как по 8ми-, так и по 4х-разрядной шине.

В таблице 1 приведён список команд контроллера HD44780:

Как следует из технических характеристик HD44780, максимальный размер алфавитно-цифрового дисплея, обслуживаемого одним контроллером, составляет 40х2 символов. Существуют 4х-строчные дисплеи, в которых 3я и 4я строки логически являются продолжением соответственно 1ой и 2ой. Встречаются также дисплеи с двумя и более контроллерами, например 40х4 знаков.

Номенклатура контроллеров графических ЖКД гораздо обширнее. Имея сходный набор управляющих сигналов, они существенно различаются по возможностям - набору команд, максимальному размеру обслуживаемой панели, наличию аппаратного знакогенератора и т.д. Перечислим в таблице 2 основные характеристики контроллеров, с которыми довелось работать автору.

Более подробно о микросхемах контроллеров ЖКД можно узнать на интернет-сайтах их производителей.

В завершении нашего обзора уделим внимание конструктивным особенностям ЖК модулей. Кроме размеров и разрешения панели отличаются по типу жидких кристаллов, типу стекла и подложки, типу и цвету подсветки.

По типу жидких кристаллов дисплеи бывают 3х основных типов:

• TN (Twisted Nematic) - появились исторически раньше других. Создают изображение чёрного цвета. Недостаток - малый угол обзора и низкая контрастность.
• STN (Super TN) - синего цвета, характеристики по углу обзора и контрастности существенно лучше.
• FSTN (Film STN) - тонкоплёночная технология, снижающая габариты. Характеристики лучше, чем у STN. FSTN бывают цветными.

Тип стекла ЖКД влияет в основном на температурный диапазон его применения и преимущественное направление обзора. Чаще всего стёкла специфицируются на два температурных диапазона: стандартный (0..+50°С) и расширенный (-20..+70°С). Под преимущественным направлением обзора понимается направление взгляда на экран, в котором контрастность будет наибольшей. Оно выражается, как правило, в направлении часовой стрелки: 3, 6, 12 часов, что соответственно означает обзор перпендикулярно, снизу и сверху.

Подложки ЖКД бывают отражающие, полупрозрачные и прозрачные. Выбор подложки определяется применяемым способом освещения экрана.

Встроенная подсветка ЖКД бывает трёх типов: светодиодная, электролюминесцентная и на основе лампы с холодным катодом. Их сравнительные характеристики приведены в таблице.

Разработчик
фирмы "КТЦ-МК"
Емелин Александр
design@cec-mc.ru