TFT-LCD系統時序控制模塊的設計

摘要：說明時序控制模塊和LCD系統中其它子模塊之間的關系，對時序控制模塊所要解決的時序問題進行分析。在分析問題的基礎上提出一種適用于中、小尺寸液晶顯示系統時序控制模塊的實現結構。對時序控制模塊進行功能驗證，給出FPGA邏輯功能驗證結果，證明設計可行。

    LCD技術已成為平板顯示的主流技術，其中，中、小尺寸液晶產品成為開發的主流。中、小型LCD的應用將更加廣泛。
    應用于中、小尺寸液晶顯示的主要技術有：
(1)STN-LCD(Super Twisted Nematic，超扭轉向列式液晶)；
(2)TFT-LCD(Thin Film Transistor，薄膜晶體管液晶顯示器)；
(3)LTPS(Low TemperaturePoly Silicon，低溫多晶硅)等三種。而其中技術最為成熟的是TFT-LCD。
    由于TFT電流較低，無法直接在TFT上設計線路，因此，為了使TFT-LCD工作，需要外建IC控制電路。目前大多數有關TFT-LCD控制IC的
資料中對于時序控制器的介紹都很簡略，對其時序的控制和產生的原理缺乏深入分析。事實上，時序控制器TCON(Timing Controller)所產生的同步控制信號是決定TFT-LCD能否正常顯示的關鍵，因此它是TFT-LCD模塊組成中的核心控制部分之一，即控制中心。
    本文首先粗略介紹液晶顯示系統組成，之后重點分析應用于中、小尺寸TFT-LCD的時序控制器(TCON)的工作原理，并在原理的基礎提出了一種TCON模塊的結構框圖，最后給出TCON模塊的FPGA驗證。

2 TFT-LCD系統的一般結構
    TFT-LCD系統由兩個部分組成：LCD控制模塊和LCD面板模塊。實際應用中液晶面板又分兩種，傳統面板和智慧整合型面板，結構如圖1所示。
 
圖1 TFT-LCD系統結構框圖
    TFT-LCD Monitor系統包括模數轉換器，處理PC顯卡輸出的模擬信號、數字視頻接口、視頻解碼器(處理視頻信號)、TMDS接收器、在屏顯示、控制單元、時序控制器、背光Source驅動器、Gate驅動器等組成。
    TFT-LCD顯示器工作時，前端部分的控制電路模塊主要工作是將PC主機或是影音裝置(如DVD Player)輸出的訊號進行轉換，例如由PC顯示
卡輸出的模擬訊號，經由ADC組件的轉換，成為數字訊號；類似地，影音訊號則經由Video Decoder的轉換，成為相同的數字訊號，這些訊號再經過Scaler IC作放大或縮小的動作，并進行數字影像處理，再由cable線傳輸訊號到液晶模塊，然后通過時序控制器產生所需要的時序控制信號驅動縱向的驅動Ic和橫向的驅動IC，其中縱向的驅動IC負責控制數據的寫入，由橫向的驅動IC控制晶體管的開/關，并配合其它組件，如供電模塊，即可正確顯示圖像。

3 TCON模塊的設計分析
     對于大尺寸的液晶顯示面板，TCON模塊的設計相對復雜。因為在高分辨率顯示系統中，時鐘頻率很高，所以在基于時鐘信號產生時序控制信號以前，需要先對同步時鐘進行擴頻處理，以減小EMI(Electromagnetic Interference，電磁干擾)，使其通過EMC測試。由于同步時鐘經過了擴頻處理，則視頻數據也要通過相應的處理才能正常顯示，否則就會遺失數據。
    中、小尺寸LCD的TCON控制相對簡單，基本的工作過程是首先由輸入的信號確定TFT-LCD屏幕的分辨率、工作模式、顯示模式等信息，然后根據這些信息來確定合適的參數值，最后產生所需要的控制信號，無需對視頻數據做處理就可以使TFT-LCD正常工作。
    本文只對適用于中、小尺寸LCD的時序控制模塊進行討論。
3.1 模式選擇
    由于不同分辨率的LCD、不同工作模式所需要的輸出控制信號有所不同，因此TCON工作時，首先要做出判斷，選擇正確的工作模式，以便于產生相應合適的控制信號。這些選擇包括LCD分辨率選擇、外部/鎖相環電路(PLL)時鐘模式選擇、分離/復合工作模式選擇、NTSC/PAL制式選擇及高分辨率下的顯示模式選擇 。
     LCD分辨率選擇：在實際的顯示系統中，TFT-LCD有不同的尺寸與分辨率，一般中、小尺寸的TFT-LCD的分辨率有480*234(2.5"、3.5")、
960*234(3.6"、5"、6.4")、1200*234(6.5")、1440*234(6.2"、7")、1920*234(9")等。對于不同分辨率的LCD，所需要的某些控制信號會有不同。
    外部/PLL時鐘模式選擇：工作時鐘源的提供有兩種方式：鎖相環電路(PLL)模式和外部時鐘模式。在PLL工作模式中，VCO電路產生振蕩，通過鎖相環電路調相后給TCON提供穩定的工作時鐘；在外部工作模式中，工作時鐘由外部提供。
    分離/復合模式選擇：輸入同步信號可分為復合同步信號和分離同步信號，這兩種同步信號的同步脈沖標志位不相同。
    NTSC/PAL制式選擇：NTSC和PAL制式的每幀行數和同步脈沖的標志位完全不同，因此在處理輸入信號及產生控制信號以前應做出判斷選擇。高分辨率下的顯示模式選擇：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種不同的顯示模式，不同顯示模式下，其顯示區域、輸出控制信號脈寬會有所不同。

3.2 Gate Driver及Source Driver陣列控制
    TFT-LCD面板等效電路如圖2所示，其中每一個TFT和電容代表一個顯示的點，而一個基本的顯示單元pixel，則需要三個這樣顯示的點，分別來代表RGB三原色。以一個480*234分辨率的TFT-LCD來說，共需要480*234*3個這樣的點組合而成。整個面板的大致結構如圖2。
 
圖2 液晶面板等效電路
    TFT-LCD工作時，首先按一定順序將每一行Gate Driver打開，然后整排的Source Driver同時將一整行的顯示電極充電到各自所需的電壓，顯示不同的灰階。當這一行充好電時，Gate Driver便將電壓關閉，然后下一行的Gate Driver便將電壓打開，再由相同的一排Source Driver對下一行顯示電極進行充放電。如此依序下去，當充好了最后一行顯示電極，便又回過來從頭從第一行再開始充電。
    為了使上述過程正常進行，TCON模塊就要產生正確的時序信號，控制Gate Driver及Source Driver在合適的時間打開與關閉，使TFT-LCD正
常工作。控制信號如圖3所示。
 
圖3 Driver控制信號
    如圖3(a)所示，在TCON輸出信號控制下，每一行的Gate Driver會依次打開，與此同時，如圖3(b)所示，Source Driver的使能信號會對RGB數據進行采樣，以確定需要達到的電壓，最后對顯示電極充電顯示出圖像。需要注意的是，Gate Driver使能信號脈沖持續的時間要足夠長，能讓SourceDriver使顯示電極達到合適的電壓。并且在實際的應用中，并非所有的數據信號都有效，而是有確定的行、場開始位置與顯示區域，因此還要對GateDriver與Source Driver的開始進行控制，以確保只顯示有效數據。

3.3 其它組件控制
    為了使整個TFT-LCD系統正常工作，除了要控制Driver以外，還需要控制一些其它組件，與Driver相配合，才可以正常顯示。如解碼器、TFT-LCD的Common電壓、RGB數據輸出順序反轉、PLL時鐘模式時對鎖相環電路的控制等。解碼器：對于解碼器，TCON要控制其工作時
機，使其解碼輸出工作時序與Gate Driver的工作時序相匹配。
    TFT-LCD的Common電壓：在TFT－LCD設計中，為了降低Source Driver的最大工作電壓及電路設計的復雜度與成本，并且由于液晶分子不能長時間固定在同一電壓下的特性，所以TFT－LCD工作時，Common電壓需要在TCON輸出信號的控制下不停地做極性轉換。
    RGB數據輸出順序反轉：配合Common電壓反轉，控制液晶面板根據電平值，顯示正確的色彩如圖4所示。
 
圖4 Common電壓與RGB時序
    鎖相環電路：在PLL時鐘模式下，外部的VCO振蕩電路在某些不穩定因素影響下，其輸出時鐘頻率會產生漂移，直接影響TCON模塊的正常工作，間接影響了整個TFT－LCD系統。為了防止這種情況發生，TCON模塊會產生一個時鐘的相位比較信號，通過鎖相環電路，使VCO輸出的工作時鐘頻率穩定在一個允許范圍之內。

3.4 時序控制模塊的結構
    根據上述分析，給出時序控制模塊的一種結構框圖，如圖5所示：
 
圖5 時序控制模塊結構框圖
    模式選擇模塊用來確定LCD分辨率及工作模式，選擇合適時鐘信號，產生所需的時間參數(如輸出控制信號脈寬等)，以及水平、垂直開始位置及顯示區域信息，用于控制Driver正確顯示有效數據。Source Driver控制模塊根據模式選擇所產生的時間參數和垂直開始位置及顯示區域，對每場的開始行位置及每場顯示行數進行限制，再配合行、場同步信號時序，輸出控制信號使Source Driver正常工作。對于不同分辨率的顯示屏，Source Driver的采樣周期不同，分辨率越高，每個像素采樣時間就會越短，以便在固定的場、行周期內顯示完整畫面。類似地，Gate Driver控制模塊則是根據模式選擇所產生的時間參數和水平開始位置及顯示區域，對每行的開始點及每行顯示區域進行限制，再配合
行、場同步信號時序，輸出控制信號使Gate Driver正常工作。
    其它組件控制模塊在Driver工作時，由行、場同步信號及時間參數，控制其它一些組件與Driver工作時序相匹配，使LCD面板正常顯示。

4 FPGA邏輯功能驗證
    參照圖5中的結構圖，用Verilog語言對時序控制模塊進行行為級描述，并結合TFT－LCD其它組件，進行FPGA邏輯功能驗證。
    本文選用XILINX 公司Spartan－II系列XC2S200芯片作為目標芯片，該芯片集成有20萬個等效邏輯門，含有5,292個邏輯單元，最高工作頻率可以達到200MHz以上。以Modelsim5.5為仿真平臺，運用Verilog HDL語言描述了整個結構，并進行了編譯、仿真及下載驗證。仿真環境：輸
入時鐘源為PLL模式，TFT-LCD分辨率為480×234，NTSC制式，復合同步模式。
    只有在相應工作模式所要求的顯示區域內Driver的控制信號才有有效輸出，與其它控制信號時序相匹配。TFT-LCD顯示正常。

5 結束語
    TFT-LCD顯示系統工作時各模塊的協同配合至關重要。TCON模塊結構的設計直接影響了其輸出顯示時序信號的正確性與工作效率，作為
TFT-LCD顯示系統的中心控制模塊，它負責控制LCD系統中最重點的顯示部分，是使其達到良好的顯示效果的關鍵。本文以Modelsim5.5為仿真平臺，運用VerilogHDL語言描述了整個結構，并進行了編譯、仿真，選用XILINX公司Spartan-II系列XC2S200芯片作為目標芯片進行驗證，給出仿真與驗證結果。實踐證明，LCD顯示效果良好，本文提出的TCON模塊設計是可行的,可以參考。