4级灰度STN+LCD驱动控制芯片的设计

第３３卷（２００５）第２期计算机与数字工程１０５４级灰度ＳＴＮＬＣＤ驱动控制芯片的设计。

孙缵邹雪城胡晓宇黄久松余国义（华中科技大学电子科学与技术系集成电路设计中心武汉４３００７４）摘要提出了一种４级灰度的刚ＮＵ、Ｄ驱动控制芯片的总体设计方案，重点讨论了关键模块——接口电路、ｓＩ乙气Ｍ模块、显示控制电路以及电源电路的设计。

在实现多种显示功能的前提下，采用省电模式、门控时钟和重定时方法进行了低功耗优化设计。

基于ＳＭＩＣ０．３５ｕｍＣＭＯＳ高压模型对驱动控制芯片的功能进行了仿真验证。

关键词：Ｕ、Ｄ驱动控制ＭＰＵ接口ＰｗＭ佃Ｃ灰度调制Ｖ一妇仿真中图分类号：ＴＮ７１０Ｄ鹪ｉ印ｏｆＡＤｒｉＶｅｒ＆Ｃ伽ｔｒｏｌＩｅｒｆｂｒ４ＧｒａｙｓｃａｌｅＳＴＮＬＩＣＤＳ珊Ｚ啪Ｚ０ｕｘｕｅｃｌｌｅｎｇＨｕ弛１０ｙｕＨ眦哩Ｊ№ｏＩＩｇＹｕＧｕ哪（ＩＣＤｅｓｉｇｎＣｅＩｌｔｅｒ，ＤｅｐｔｏｆＥｌｅｃ．Ｓｄ．＆Ｔｅｃｈ∞ｌｔ＇ＨＩＲＳｒ，Ｗｕｈａｎ４３００７４）ＡＩ强ｔｒ越ｔ：Ａｄ商ｇＩｌｐ喇ｅｃｔｏｆ｛汀ＮＵ：Ｄｄｒｉｖｅｒａｎｄ∞ｎｔ商ｌｅｒ诵ｔｈ４一ｇｍｙｓｃａｌｅｉｓｐｒｅｓ叽ｔｅｄｉｎｔＫｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｋｅｙｍｏｄｕｌ鹤ｉ眦ｌｕｄｉｌｌｇｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒ叫ｉｔ，Ｓ王认Ｍｍｏｄｕｌｅ，ｄｉＳｐｌａｙ∞ｎｔｒ０１ｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｐ凹＾啊ＳｕｐｐｌｙｄｒｃｕｉｔｄｉＳｃｌＪｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｉｎｔｈｅ∞ｎｄｉｔｉｏｌｌＳｏｆｉｍｐｌ锄朗ｔｉｎｇｍａｎｙｄｉｓｐｌａｙｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｗｅａｄｏｐｔｐ矾ｖｅｒＨ划ｅ，ｇａｔｉｎｇｃＩｏｃｋａｎｄｒｅｔｉｍｉｎｇｍｅｔｈＯｄｔｏｒｅｄｕｏｅｐ硎啷∞ｎｓ唧ｐ—ｔｉｏｎ．ＳＭＩＣ０．３５唧ＣＭＯＳＨｉｇｈＶｂｌｔａｇｅｍｏｄｅｌｉｓｕｓｅｄｔｏｖ面ｆｙｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔＫｓｄＩｉｖ盯锄ｄｏｏｎ臼ｄｌｅｒ．１【ｅｙ啪砌ｓ：Ｕ＝Ｄ幽ｖｅａｎｄｏ∞ｔ一，ＭＰＵＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ｐｕｌＳｅ诵ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ／ｆｒａｍｅｒａｔｅ００ｎ廿Ｄｌ，Ｖ舒ｌｏｇＳｉｍｕｌ“ｏｎＣＩａ辎ｍｍＩｂ盯：ＴＮ７１０１引言随着人们对图像显示质量的要求越来越高，各种显示技术也在不断的发展。

液晶显示器（Ｌ（、Ｄ）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险、平面直角显示以及影像不闪烁等优势，因而得到了广泛的应用。

其中ｓｒＮ（ｓｕｐｅｒＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）Ｌ（、Ｄ在中小尺寸液晶显示领域具有广阔的市场前景，常用于移动电话、个人手持系统、寻呼机等。

一般的单色趼ＮＬ（Ｄ驱动芯片都是单级灰度的，即只能显示单一的黑白效果，不能显示多种“颜色”，在人们对显示效果越来越苛刻的形势下已不能满足实际需要。

本文设计了一种新型的应用于１２９×１２８像素的ＳＴＮＬ（、Ｄ驱动控制芯片。

它不仅能实现多种显示功能，如正反显示、局部显示、图像翻转以及滚屏等…；而且可以调制４级灰度，使得每级最多可·收到本文时间：２００４年６月１８日分为１６个层次，因此可产生多达６４种灰度效果。

设计中采用省电模式、门控时钟以及重定时方法［２］［３】，极大的减小了功耗。

根据系统设计的要求，对芯片进行层次化功能划分，同时参考已有的同类驱动芯片的设计经验［４｜，对各个模块进行协调设计，然后进行芯片的整体功能验证，从而完成芯片的前端设计。

在确定了ＣＭＯＳ工艺后可以完成芯片的版图设计和后仿真，最后进行试流片。

２设计要求及系统结构液晶显示驱动控制电路是在液晶像素的两电极（行电极和列电极）之间建立交变电场。

由驱动电路循环地给每行电极施加选择脉冲电压，同时通过列电极上的数据给该行像素施加选择或非选择脉冲电压，以实现对像素的驱动∞Ｊ。

因此，驱动控制芯片的主要作用是为液晶显示器提供扫描信号和显示数据，是单片机与液晶显示系统之间的接４级灰度ｓ１、ＮＵ＝Ｄ驱动控制芯片的设计第３３卷口。

鉴于当今移动通信设备的实际需要，我们所设计的Ｉ皿驱动控制芯片应满足以下要求：（１）支持６８００／８０８０并行和３一ｐｉｎ／４一ｐｉｎ串行等４种御Ｕ接口；（２）内置１２９×１２８×２ｂｉｔｓ的ＳＩ认Ｍ；（３）提供完备的控制指令集，实现４级灰度调制和多种显示功能；（４）内置低压振荡器和电源电路；（５）工作电压为１．８Ｖ～３．３Ｖ，液晶驱动电压为４Ｖ～１５Ｖ；（６）低功耗（３００ｕＡＭａｘ．）设计。

基于以上要求，对芯片进行层次化功能划分，得到系统框图如图１所示。

它分为模拟和数字两部分，模拟部分主要由振荡器和电源电路组成；数字部分主要由ＭＰＵ接口模块、指令译码脂令寄存器模块、删模块、振荡器与显示时序控制模块、灰度的产生与控制模块和驱动模块组成。

下面就其关键模块的设计进行分析讨论。

’§缎ｌｌｌｇ§ｇｌ！ｌｌ王ｉ叠－名；ｌｌ基暑县墨宴孽图１Ｕ如驱动控制芯片的系统框图３关键模块的设计分析３．１ⅧＵ接口模块该模块是驱动控制芯片与ＭＰＵ通信的接口，数据交换的通道。

ＭＰＵ通过它对芯片进行控制，向芯片中写入指令和显示数据或读出状态信息和显示数据。

接口模块可以为后面的电路提供数据通道、内部时钟信号、译码使能信号、读写控制信号、以及数据口的控制信号等。

它主要包括以下几部分电路：串并转换电路、内部时钟产生电路、读／写识别电路块、指令／数据识别电路，ＢＵＳＹ位产生电路和控制逻辑。

设计兼容６踟０／８０踟并行接口和３一ｐｉｎ／４一ｐｉｎ串行接口，通过设置ＰＳ０、Ｐｓｌ的值来实现这四种接口模式的选择。

下面简要分析６８００并行接口和３一ｐｉｎ串行接口的工作方式。

６８００并行接口的时序如图２所示，其中ＣＳＢ为片选信号，ＲＳ为指令傲据识别信号，ＲＷ为读／写识别信号，Ｅ为读写时钟。

当ＲＳ＝０，ＲＷ＝０时，写指令；当Ｒｓ＝１，Ｒｗ＝０时，写数据；当ＲＳ＝０，ＲＷ＝１时，读状态；当ＲＳ＝１，ＲＷ＝１时，读数据。

“、“＿＼／＿———、厂——一ｎ、／＿——一——广］厂］厂｜广］厂］ｒ］厂］厂］ｎｎ］Ｃ二Ｘ二）［二汇＝）［）－＜］—［）＿ｏ图２６８００并行接口的时序串行模式下ＭＰＩ，对芯片只进行写操作，图３是３一ｐｉｎ串行接口的时序关系。

它的工作流程为：ＭＰｕ首先打入地址信息页地址Ｐａｇｅ、列地址ＭＳＢ～Ｉ娅，通知双乙蝴准备接收显示数据；然后打入Ｄ１）Ｃ（ＤａｔａＤｉｒｅｃｔｉｏｎ‰ｌｍａｎｄ）和ＤＤＬ（Ｄｉｓ．ｐｌａｙＤａｔａ脚ｈ）指令，控制数据的传输方向和即将写入的数据的长度；最后将显示数据写人ｓＲＡＭ中。

在设计电路时，首先用一个８ｂｉｔ字节计数器对串行时钟进行８分频，即每当传输了８ｂｉｔ数据就产生一个时钟窄脉冲，提供相当于并行模式下的内部时钟。

这个时钟再提供给串并转换电路作时钟信号，实现串转并的过程。

当ＤＩ）Ｃ指令到来以后，ＤＤＬ计数器便输出高电平，开启研乙Ｗ的写操作，并且对写入的显示数据计数。

当ＤＤＬ计数完毕后表明显示数据已经打完，这时就输出低电平，关闭对趼乙蝴的写操作，串行总线上的数据将作指令处理。

实际上ＤＤＬ计数器的输出就相当于ＲＳ信号。

６弋／＿ｍ止：ｎ门ｎ：ⅢＬＪｎｌ｝ｖｎ、（１ｊＢｙＩ：（小ＤＩ】Ｌ年啦ｔ。

ｍⅨ立巨汇丑习匹［二三］图３３一ｐｉｎ串行接口的时序３．２ＳＩ洲模块该模块用于存放像素信息，起缓冲区的作用，主要包括趼认Ｍ阵列、页地址电路、列地址电路、行地址电路及显示数据锁存电路等子模块。

第３３卷（２００５）第２期计算机与数字工程ＳＩ屯州模块作为驱动芯片的中心，一方面以字节（脚～ＤＢ７）为单位被ⅧＵ读写，另一方面以行为单位向Ｌ（、Ｄ输出显示数据。

ＭＰＵ对ＳＲＡＭ的读写需要列地址、页地址和Ｉ／ＯＢｕｆｆｅｒ的配合。

页地址电路实现选通某一页的８行。

列地址电路的功能是为ＳＩ己气Ｍ提供列地址，并且每当写完一个字节的数据后就能实现列地址的自增一或自减一以写入新的数据。

设计时通过指令来控制列地址的自增／自减功能的开启，当设置了读模式（Ｓｅｔｍｏｄｉｆｙ—ｒｅａｄ）的时候，锁定列地址；当释放读模式指令（ＲｅＳｅｔｍｏｄｉｆｙ—ｒｅａｄ）到来时，解除锁定，继续实现列地址的翻转。

Ｓ＆蝴整行数据的输出需要行地址电路和显示数据锁存电路的配合。

行地址电路根据指令设置实现ＳＲＡＭ中的初始显示行，并且对ｓＩ乙蝴以行为单位进行顺序扫描，实现１２８个像素（对应２５６位数据）的同时输出；显示锁存电路保证显示数据的稳定输出，并实现正／反显功能。

下面简要分析ｓ１０气Ｍ的读写方式。

从图４中可以看出，所设计的读倡控制电路有别于一般的输入偷出控制电路，它的写入和读出通道是分开的，不存在输入偷出口复用的问题。

当艘Ｕ对甾认Ｍ的某一页进行读写操作时，列选择线使ＮＭＯＳ开关管开通，并且ＲＳ＝１、ＲＷ—ＷＲ＝０的设置使得该页的写控制端为１，从而写通道打开，ＭＨＴ送来的数据便可写入存储单元；而Ｒｓ＝１、ＲＷ—ＷＲ＝１的设置使得该页的读控制端为１，存储单元里的数据能够读出到ＭＰＵ。

另一方面行选择线开启Ｓｒ认Ｍ与Ｐａｎｅｌ通信的通道，使得某一行的１２８列数据输出到Ｐａｌｌｅｌ上。

据硎模式的设置对振荡器产生的基本时钟ｆＩ。

Ｓｌ避行分频得到，帧频率信号最浓根据Ｐａｎｅｌ上显示Ｍ行的设置对扫描信号进行分频得到。

同时为了实现液晶器件的交流驱动［５ｆ，设计了线反转控制电路；它根据Ｎ行反转的设置对扫描信号进行分频得到交流驱动信号ｆＭ。

由于设计时所用的帧频率ｆＦＲ基本固定（典型值为８５Ｈｚ），因此振荡器的输出频率ｋ与部分显示的占空比１俐成反比，所以采用ＲＣ振荡器，通过调节电容Ｃ的值来改变振荡器的输出频率。

以上４种频率信号之间的关系为：｛＆＝２ＰⅥＭ×Ｍ×ｆＦＲ，ｆｃＬ＝Ｍ׉，ｆＣＬ＝２Ｎ×ｆＭ；式中Ｍ＝１６～１２８，硎＝９，１２，１５。

ＣＯＭ输出控制电路接收初始显示行指令数据ＣＯＭ０，并且以扫描信号为时钟进行自增一或自减一计数，其输出经过译码器同步产生行移位信号，实现了顺序扫描和反序扫描功能。

从而实现了局部显示、图像倒置和滚屏等效果。

３．４灰度的产生与控制模块该模块实现删（ＰｕｌＳｅＷｉｄｅＭ０ｄｕｌａｔｉｏｎ）调制以及Ｈ池（Ｆｒ撇ｅＲａｔｅＣｏｎｔｒ０１）控制，达到液晶屏上不同层次的黑白效果。

由于液晶响应速度的限制，单独使用刚或ＦＲＣ都不能产生较高级别的对比度，因此采用两者相结合的方式来实现４级灰度调制（ｗＨＩＴＥ、ＬＩＧＨＴ、吼吼＜、＆煅），产生多达６４对比度的显示效果。

４级灰度的每一级可分为三种删模式所对应的不同层次的连续的灰阶，所以定义了４组灰阶寄存器。

在不同的显示系统应用时根据液晶面板的参数来具体设置它们的状态，从而得到每级各自的灰阶级别。

在删模式中设定９硎、１２删、１５硎三种模式可选，在ＦＲＣ模式中设定３ＦＲＣ和４ＦＲＣ两种模式可选。