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合泰Holtek 8bit MCU 内置 LCD 应用须知

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发表于 2018-4-12 15:37:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
合泰开发板
简介
Holtek LCD 型 MCU 提供了多种类型的 LCD 驱动方式,分别有 R Type、C Type、SCOM 以 及 SCOM + SSEG 共 4 种 LCD 驱动架构,各种类型有各自的特点。本文首先介绍 LCD 的驱 动原理,再逐步介绍各种类型驱动方式的使用方法及优缺点。使用户对Holtek LCD 型 MCU 有深刻的了解,并能熟练使用。
功能说明
LCD Display 的基本原理说明
LCD (Liquid Crystal Display) 是利用液晶分子的物理结构和光学特性进行显示的一种技术。 液晶分子的特性:
l 液晶分子是介于固体和液体之间的一种棒状结构的大分子物质
l 在自然形态,具有光学各向异性的特点,在电(磁)场作用下,呈各向同性特点 下面以直视型简单多路 TN/STN LCDPanel(液晶显示面板)的基本结构介绍LCD 的基本显示

原理,示意图如下:

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整个 LCD Panel 由上下玻璃基板和偏振片组成,在上下玻璃之间,按照螺旋结构将液晶分 子有规律的进行涂层。液晶面板的电极是通过一种 ITO 的金属化合物蚀刻在上下玻璃基板上。如图所示,液晶分子的排列为螺旋结构,对光线具有旋光性,上下偏振片的偏振角度 相互垂直。在上下基板间的电压为 0 时,自然光通过偏振片后,只有与偏振片方向相同的 光线得以进入液晶分子的螺旋结构的涂层中,由于螺旋结构的旋光性,将入射光线的方向 旋转 90 度后照射到另一端的偏振片上,由于上下偏振片的偏振角度相互垂直,这样入射光 线通过另一端的偏振片完全的射出,光线完全进入观察者的眼中,看到的效果就为白色。 而在上下基板间的电压为一交流电压时,液晶分子的螺旋结构在电(磁)场的作用下,变成了 同向排列结构,对光线的方向没有作任何旋转,而上下偏振片的偏振角度相互垂直,这样 入射光线就无法通过另一端的偏振片射出,光线无法进入观察者的眼中,看到的效果就为 黑色。这样通过在上下玻璃基板电极间施加不同的交流电压,即可实现液晶显示的两种基 本状态亮(On)和暗(Off)。
在实际的液晶模拟驱动电压中,有几个参数非常关键:
l 交流电压,液晶分子是需要交流信号来驱动的,长时间的直流电压加在液晶分子两端, 会影响液晶分子的电气化学特性,引起显示模糊,寿命的减少,其破坏性为不可恢复。

l 扫描频率,直接驱动液晶分子的交流电压的频率一般在 60~100Hz 之间,具体是依据 LCDPanel的面积和设计而定,频率过高,会导致驱动功耗的增加,频率过低,会导致显示闪 烁,同时如果扫描频率同光源的频率之间有倍数关系,则显示也会有闪烁现象出现。
3.jpg
液晶分子是一种电压积分型材料,它的扭曲程度(透光性)仅仅和极板间电压的有效值有关,

和充电波形无关。电压的有效值用 COM/SEG 之间的电压差值的均方根 VRMS 表示:
4.jpg
LCD 显示黑白(透光和不透光)的电压有效值的分界电压称为开启电压 Vth,当电压有效值 超过 Vth,螺旋结构的旋光角度加大,透光率急剧变化,透明度急剧上升。反之,则透明度急剧下降。光线的透射率与交流电压的有效值的关系如下图:
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LCD 类单片机内嵌的 LCD driver(液晶驱动器),正是通过系统的控制,按照用户定义的显示 图案,产生点亮 LCD(Liquid CrystalDisplay,液晶)所需的仿真驱动波形,接到 LCD Panel(液 晶显示屏)上点亮对应的像素而达到显示的效果。
占空比(Duty)
该项参数一般也称为 Duty 数或 COM 数。由于 STN/TN的 LCD 一般是采用时分动态扫描的 驱动模式,在此模式下,每个 COM 的有效选通时间与整个扫描周期的比值即占空比(Duty) 是固定的,等于 1/COM 数。
偏置(Bias)
LCD的 SEG/COM 的驱动波形为模拟信号,而各档模拟电压相对于 LCD输出的最高电压的比例称为偏置,而一般来讲,Bias 是以最低一档与输出最高电压的比值来表示,如下图所 示(1/4 Duty,1/3 Bias):

6.jpg

该图对应的是 1/4 duty,1/3 bias的液晶驱动波形,COM 数为 4,每个 COM 的有效选通时间与整个扫描周期的比值(Duty)=1/4,驱动波形的模拟电压共分 3 档,V3 位输出最高电压, V2、V1 为输出中间电压,并且 V1/V3=1/3,所以上述波形图对应的Duty=1/4,Bias=1/3。
一般而言,Bias 和 Duty 之间是有一定关系的,Duty 数越多,每根 COM 对应的扫描时间变短,而要达到同样的显示亮度和显示对比度,Von 的电压就要提高,选准位和非选准位的 差异需要加大,即 Bias  需要加大,Duty 和 Bias  间有一经验公式,即
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R Type &C type LCD
R  Type  是通过电阻分压方式提供偏压,C  type  是通过内部充电泵来提供偏压,下面以

BS67Fxx 系列单片机为例来说明。
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功耗特性
R Type 优点是可工作于负载电流较大的 LCD 屏中,缺点是自身功耗也比较大;C Type 优 点是自身功耗比较小,缺点是对外部负载提供的电流也比较小。以下是 BS67Fxx 系列单片 机 LCD的直流电气特性供参考:

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从上表可以看出,在 3V 时,R-型 LCD驱动器的最小电流为:12.5μA;C-型 LCD驱动器的最小电流为:2μA
LCD储存器
数据储存器中有一部分区域是专门为 LCD 的显示数据而保留,即显示储存区。单片机内部 显示驱动电路会自动读取任何写入此处的数据,并据此产生LCD 驱动信号。因此任何写入 LCD 储存器的数据,会立即映射到连接单片机的LCD 显示器上。由于 LCD 储存器地址与 通用数据储存器地址重迭,因此 LCD 数据储存在独立的数据储存区 Sector 4 中。数据储存器 Sector 的选择是通过数据储存器中的一个特殊功能寄存器来完成的,即储存器指针高字 节寄存器 MP1H 或MP2H。当要存取 LCD 储存器时,首先要将 MP1H 或MP2H 的值设为 “04H”来选择对 Sector 4 操作。此后,用户可以通过储存器指针低字节寄存器 MP1L 或 MP2L 使用间接寻址方式来对储存区进行操作。选择了 Sector 4 之后,使用 MP1L 或MP2L 可以对以“00H”作为起始地址的储存区操作,就可以直接对显示储存区进行读或者写的操 作了。直接寻址 LCD 显示储存区可由相关扩展指令实现。
所附显示储存器映射图显示了其中一款单片机内部显示储存器与 COM、SEG 端的显示映射。

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LCD寄存器
LCD 控制寄存器 LCDC0 和 LCDC1 位于数据储存区,用于设定 LCD 驱动器的各种特性。 LCD 寄存器的各个位可用来设定如 LCD 波形类型、偏压类型、电源选择、偏压电阻选择和 LCD 的使能和除能。
寄存器 LCDC0 中的 LCDEN位只有当单片机工作于正常模式、低速模式或空闲模式时才可 以控制 LCD的使能与除能。如果单片机处于休眠模式,则显示将一直处于除能状态。寄存 器 LCDC0 中的 RSEL2~RSEL0 位用于选择内部电阻来提供 LCD 适当的R 型偏压电流。在 应用中,选择匹配的 LCD 面板也可以降低偏压电流。此外,LCDC0 寄存器中的 TYPE 位 是用于选择 A 型或B 型的 LCD 控制信号,RCT 位是用来选择 R 型或 C 型偏压类型。LCDP1 和 LCDP0 位用于选择 C 型偏压应用中LCD 电源来自外部引脚还是内部电源。


LCDC1  寄存器中的PLCD3~PLCD0 位用来选择R型偏压电路中的VA电压值,QCT2~QCT0
file:///C:/Users/ZCC/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image001.gif位用来选择快速充电时间周期。


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LCD 电压源与偏压

LCD 驱动器需要几种电压值以产生时间振幅可变的信号。单片机有 R 型和 C 型偏压,可通 过软件控制位 RCT 选择。选择 C 型的偏压将使能内部充电泵。
R 型偏压 对于R型偏压,必须要在PLCD引脚上提供外部LCD电压源,以产生内部偏压电压。这个外
部电压源可以是单片机的电源电压VDD ,也可以是小于或等于VDD 的其它电压源。对于R型
1/3 偏压的结构,要用到VSS 、VA、VB 和VC 四种电压值。VA由PLCD3~PLCD0 位选择等于 不同的VPLCD 电压比例,范围值是 8/16VPLCD ~VPLCD ,VB 等于VA×2/3,VC 等于VA×1/3。不同的内部偏压电阻阻值可由LCDC0 寄存器中RSEL2~RSEL0 位来选择。在PLCD引脚上的
电压值决定偏流值。VMAX引脚的连接方式取决于加在PLCD引脚上的电压,如果VDD 大于 或等于PLCD引脚上的电压,则VMAX引脚连接到VDD。需注意的是,PLCD R型偏压值不应大于VDD引脚的电压值。如果使用R型偏压,则不需要连接外部电容或电阻

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C 型偏压
对于 C 型偏压,单片机的 LCD 电压源可通过 LCDP1~LCDP0 位选择来自外部引脚或内部电源。当LCDP[1:0]=00 时由外部引脚 PLCD、V1 或 V2 提供,当 LCDP[1:0]=01、10 或11 时 由内部电源提供,都用以产生内部偏置电压。当电压源来自 PLCD 引脚,C 型偏压使用内 部充电泵电路可以产生高于 PLCD 引脚上的电压。这项特性在单片机提供电压小于 LCD所 需电压时非常有用。为了产生所需的电压值,必须要在引脚C1 与C2 之间连接充电泵电容。

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LCD电源连接方案,但需要注意的是,要确保充电泵产生


的内部电压值不能超过VDD 最大值 5.5V

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SCOM 功能的 LCD
以HT66Fxx 系列单片机为例,LCD 驱动的 COM 脚 SCOM0~SCOM3 与PC0~PC3 或PC0~PC1, PC6~PC7 口共享。LCD 控制信号(COM & SEG)由软件程序设计实现。
LCD 操作
单片机通过设定PC0~PC3 或PC0~PC1,PC6~PC7 作为COM引脚,其它输出口作为SEG引脚, 以驱动外部的液晶面板。LCD驱动功能是由SCOMC寄存器来控制,另外,该寄存器可设定 LCD的开启和关闭以及输出偏压值等功能,使得COM端口输出VDD /2 的电压,从而实现 1/2 Bias LCD的显示。
SCOMC 寄存器中的 SCOMEN 位是 LCD驱动的主控制位,它与 COMnEN位搭配共同选择哪些 PC端口用于 LCD驱动。需注意的是,端口控制寄存器不需要设定为输出以使能 LCD驱动操作。


17.jpg 18.jpg
LCD 偏压控制
LCD 驱动器可以提供多种驱动电流选择以适应不同LCD 面板的需求。通过设定 SCOMC 寄 存器中 ISEL0 位和ISEL1 位可以配置不同的偏压电阻。
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SCOM SSEG 功能的 LCD
以 HT66F0175/HT66F0185 为例,该系列单片机具有驱动外部 LCD 面板的能力。LCD 驱动 的 COM 脚 SCOM0~SCOM5 和 SEG 脚SSEG0~SSEG19 或 SSEG0~SSEG23 与I/O 口共享。
LCD 信号 COM 和SEG 由应用程序实现。
LCD 操作 该系列单片机通过设定相关I/O引脚为COM引脚和SEG引脚,以驱动外部LCD面板。LCD驱
动功能是由几个LCD控制寄存器一起控制的,另外,这些寄存器还可设定LCD的开启和关
闭以及SCOM和SSEG引脚的R-type偏压电流,使得LCD驱动器COM和SEG引脚输出VSS 、
(1/3)VDD 、(2/3)VDD 和VDD 的电压,从而实现 1/3 Bias LCD的显示。
SLCDC0 寄存器中的 LCDEN 位是 LCD 驱动的主控制位,它与 COMnEN 和 SEGnEN 位搭配共同选择哪些输入/输出引脚用于 LCD 驱动。需注意的是,输入/输出端口控制寄存器不需要设定为输出以使能 LCD驱动操作。

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LCD  控制寄存器

file:///C:/Users/ZCC/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image003.gifLCD 驱动器 COM 和SEG 端口可以提供多种驱动电流选择以适应不同 LCD 面板的需求。通过设定 SLCDC0 寄存器中 ISEL0 位和 ISEL1 位可以配置不同的偏压电阻。所有 COM 和SEG 引脚和 I/O 引脚共享,可分别通过 SLCDCn 寄存器的相应引脚功能选择位选择 COM 和 SEG 引脚。

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结论
本文逐个介绍了 Holtek MCU 驱动 LCD的几种方式,其中 C-Type 型利用内部充电泵电压提供 Bias 电压,功耗低。R-Type 利用电阻分压提供 Bias 电压,功耗较大;还有 SCOM 方式以及多功能的 SCOM+SSEG 方式。










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发表于 2019-9-30 14:50:10 | 显示全部楼层
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感谢分享,这些东西很有用
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