張 旭，張紅娟*，靳寶全，王 東*

（1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024；2.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024）

自進(jìn)入信息時代以來，人們在社會活動和日常生活中越來越多的用到了信息顯示技術(shù)。液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）顯示技術(shù)發(fā)明于20世紀(jì)70年代，并迅速得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。它具有易集成、功耗小、額定工作電壓低、便攜性好、壽命長、顯示信息量大和電磁輻射污染小等優(yōu)點(diǎn)，已在當(dāng)今信息時代顯示技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)主流地位。其中薄膜場效應(yīng)晶體管TFT-LCD（Thin Film Transis?tor-LCD）技術(shù)又以其大容量、高清晰度和全彩色的視頻顯示成為LCD顯示的主導(dǎo)技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于倒車影像、便攜式計算機(jī)、彩色液晶電視、數(shù)碼像機(jī)及其各種儀器儀表等電子設(shè)備之中［1-3］。

近年來隨著新型TFT-LCD不斷推出，不同的驅(qū)動電路和系統(tǒng)也在進(jìn)行配套開發(fā)，形成了多種TFTLCD測試系統(tǒng)和液晶顯示產(chǎn)品驅(qū)動方案。但目前的小尺寸TFT-LCD驅(qū)動方案普遍基于獨(dú)立的圖像處理IC和微處理器技術(shù)，電路復(fù)雜、體積龐大、成本較高［4-5］。因此，本文基于單片式視頻解決方案MST703，設(shè)計出了一種適用于小尺寸TFT-LCD的驅(qū)動方案，極大的簡化了電路結(jié)構(gòu)，并降低了成本和電路損耗，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 總體方案

所設(shè)計的基于MST703的小尺寸TFT-LCD驅(qū)動方案由電源電路、模擬量輸入單元、主控電路、外圍電路、I/O輸入輸出電路、TFT-LCD等部分組成。其中外圍電路包括程序存儲器、程序?qū)懭肟?、晶振等，另外還設(shè)計了OSD（On-Screen Display）電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對顯示屏的亮度、對比度、灰度的控制和調(diào)節(jié)，其中電源電路主要由DC/DC轉(zhuǎn)換器PS5101、PT4181及線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3、AMS1117-1.2組成，可提供系統(tǒng)需要的多種工作電壓，其中主控電路是以MST703為核心的視頻處理系統(tǒng)，主要完成模擬視頻信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換、視頻信號的解碼處理以及對輸出信號的時序控制。工作過程是：從廣角攝像頭接入的視頻信號經(jīng)過輸入單元進(jìn)入視頻處理芯片MST703，經(jīng)過處理后產(chǎn)生R、G、B各8位共24路視頻信號以及4位顯示控制信號，最后輸入TFT-LCD顯示出實(shí)時影像。該驅(qū)動方案組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 裝置硬件設(shè)計

2.1 視頻處理IC的選擇

視頻處理芯片采用晨星半導(dǎo)體公司的MST703，是一個用于NTSC/PAL/SECAM制式顯示器的高質(zhì)量的專用集成電路，內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器、視頻解碼器、MCU等功能，可完全滿足視頻接收、處理與邏輯控制。MST703的驅(qū)動電路簡單、便于開發(fā)，通過編寫高效的程序和算法對模擬視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以輸出24 bitR、G、B數(shù)據(jù)并進(jìn)行時序控制，最終實(shí)現(xiàn)視頻的清晰顯示［6］。

2.2 MST703供電電路設(shè)計

MST703的工作需要多級電壓：5 V、3.3 V、1.2 V。本設(shè)計方案采用12 V直流電源給系統(tǒng)供電，因此需要搭建電壓轉(zhuǎn)換電路給芯片供電，應(yīng)用于PCB電路板上的電源轉(zhuǎn)換主要是DC-DC方式。普通的DC-DC轉(zhuǎn)換器具有可輸出電流大、靜態(tài)電流小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時其具有較大的開關(guān)噪聲，且體積龐大、外圍電路復(fù)雜。而線性穩(wěn)壓器反應(yīng)速度快、輸出紋波小，工作產(chǎn)生的噪聲低，但其效率較低、發(fā)熱量大。根據(jù)兩種芯片的特點(diǎn)，本方案設(shè)計了兩級電壓轉(zhuǎn)換，第1級采用DC-DC方式，第2級采用線性穩(wěn)壓器，具體電路如圖2所示。

圖2 兩級電壓轉(zhuǎn)換電路

第1級電壓轉(zhuǎn)換電路基于一體化開關(guān)電源芯片PS5101，將12 V直流電壓轉(zhuǎn)換為5 V。它是一款單片式、降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，轉(zhuǎn)換效率高、電路簡單。C30是輸出端濾波電容。第2級電壓轉(zhuǎn)換采用線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3和AMS1117-1.2，分別將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V和1.2 V。AMS1117普遍應(yīng)用在在PCB板電路設(shè)計中，性能穩(wěn)定、成本低、而且外圍電路簡單。在穩(wěn)壓電路的輸出端，C31、C33、R25和C32、C34、R26分別構(gòu)成了π型RC濾波電路，經(jīng)過多重濾波作用，降低了諧波分量，進(jìn)而降低了線路對視頻信號的電磁干擾。

2.3 SPI通信接口設(shè)計

MST703內(nèi)部集成有MCU，通過SPI接口與外接閃存進(jìn)行通信［6］。SPI是一種高速的全雙工通信總線，在芯片的管腳上只占用4根線，當(dāng)前已經(jīng)有很多芯片集成了這種通信協(xié)議，其連接方式如圖3所示，圖中U10為閃存，4個接口SDI（數(shù)據(jù)輸入）、SDO（數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時鐘）、CSN（片選）分別與MST703的4個SPI接口連接，用于完成程序的下載和調(diào)用。

圖3 SPI接口電路

2.4 TFT-LCD供電電路設(shè)計

2.4.1 背光電壓的設(shè)計

TFT-LCD的背光源大都采用白光LED，其數(shù)目由液晶屏的尺寸大小決定。試驗(yàn)采用群創(chuàng)公司AT070TN92款液晶屏，分辨率達(dá)到800×480，背光源由6個串聯(lián)白光LED組成，每個白光LED的額定工作電壓是1.2 V，額定工作電流是20 mA。本設(shè)計將小尺寸TFT-LCD專用驅(qū)動芯片PT4181作為電源芯片，其最大優(yōu)點(diǎn)是具有恒流輸出特性，背光源電路如圖4所示。

圖4 TFT-LCD的背光源電路

電路采用PS5101的5 V輸出電壓作為輸入電壓，經(jīng)過PT4181調(diào)壓后輸出9.0 V電壓和20 mA電流，電路中L1、C2構(gòu)成輸入濾波電路，R3、R4組成的分壓電路用來給4腳（使能端）提供工作電壓，D7是肖特基整流二極管、C9是輸出濾波電容，能夠減少輸出的紋波電壓。利用本電路可提供給6個白光LED平滑的恒定電流源，完全滿足背光要求。

2.4.2 顯示電壓的設(shè)計

TFT-LCD的顯示電壓由VA，DD、VGH和VGL等組成。VA，DD是TFT-LCD內(nèi)部的模擬電路所需的電壓，大概10 V左右。VGH是TFT（Thin Film Transistor）的開啟電壓，VGL是TFT的關(guān)閉電壓。TFT-LCD由許多像素單元構(gòu)成，需要通過改變加在每個像素的TFT上的電壓來驅(qū)動其顯示不同的數(shù)據(jù)。VGH和VGL的取值范圍：

為防止芯片出現(xiàn)過熱，本次設(shè)計另選一片PT4181用于提供TFT-LCD的液晶分子的開、斷電壓及模擬電路電壓，電路圖如圖5所示。

電源電路中，L11和C10構(gòu)成輸入濾波電路，R13和R12組成開關(guān)電源芯片的反饋電路，能夠調(diào)整輸出電壓的大小。本電路同時提供3路電壓輸出，一路經(jīng)過L19和C20組成的LC濾波電路后輸出VA，DD；另外兩路分別經(jīng)過開關(guān)二極管BAV99的調(diào)壓作用后輸出VGH和VGL，其中R25、C29和R23、C28分別構(gòu)成RC濾波電路，D8和D9是穩(wěn)壓二極管，可以達(dá)到限制輸出電壓的大小和降低電磁干擾的目的。所設(shè)計的方案采用VGH=16 V，VGL=-7 V，AVDD=10 V。與用普通DC/DC變換電路相比，此電路中沒有變壓器等大體積元件，所需外圍器件少，調(diào)試方便。

圖5 TFT-LCD的電源電路

3 軟件設(shè)計

3.1 TFT-LCD電源時序設(shè)計

TFT-LCD有多個工作電壓，各種電壓信號在上電和斷電時都有其特定的順序，從而保證TFT-LCD正常穩(wěn)定的工作［7-9］。針對該款TFT-LCD進(jìn)行了電源時序設(shè)計，如圖6所示?？梢钥吹?，其上電順序依次為VD，DD→VGL→VA，DD→VGH→Data→B/L。其中t1＞10 ms，t2＞5 ms，t3＞20 ms，t4＞10 ms，t5＞5 ms。VD，DD是數(shù)字電壓；VA，DD是模擬電壓；B/L是背光電壓；VGH和VGL分別為門極開通和關(guān)斷電壓。Data包括24 bit視頻數(shù)據(jù)信號和4位控制信號。當(dāng)TFT-LCD停止工作時，各個信號關(guān)斷順序與上電時相反，依次為B/L→

圖6 TFT-LCD的上電和斷電順序

3.2 視頻信號時序設(shè)計

TFT-LCD的驅(qū)動過程是給TFT的Scan line（柵極總線）提供掃描電路的尋址信號，給Data line（數(shù)據(jù)總線）提供數(shù)據(jù)電路的顯示數(shù)據(jù)信號，先用Scan line選通一行像素，再從Data line上輸入視頻數(shù)據(jù)信號。TFT-LCD驅(qū)動采用的是“逐行掃描”，按照選擇的順序依次選通所有的柵極總線，即可實(shí)現(xiàn)完整畫面的顯示。因此，為了正常完成掃描過程，關(guān)鍵是編程控制MST703內(nèi)部的TCON模塊產(chǎn)生正確的時序信號來匹配VData信號、行同步信號HS、場同步信號VS、時鐘DCLK等的時序［8-10］。所設(shè)計的信號時序關(guān)系如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)和控制信號輸入接口時序

圖7（a）所示為行同步信號HS與數(shù)據(jù)時鐘DCLK、數(shù)據(jù)信號Data和使能信號DE間的時序關(guān)系。整個行掃描周期為1 056個時鐘周期，其中有效區(qū)域是800個時鐘周期，有效區(qū)域前后的Thb和Thfp都是關(guān)閉區(qū)。當(dāng)使能端有效時，開始掃描R、G、B信號，有效視頻信號同樣是800個時鐘周期，其余時間的數(shù)據(jù)信號為空白信號。圖7（b）是行、場同步信號之間的關(guān)系。一個垂直掃描周期TV是525行，其中有效區(qū)域?yàn)?80行，有效區(qū)域前后的Tvb和Tvfp都是關(guān)閉區(qū)。按照上述時序，每完成一組行掃描和垂直掃描，就可完成800×480像素的畫面的顯示。

4 試驗(yàn)顯示結(jié)果

使用上述方法進(jìn)行軟、硬件設(shè)計，通過制板、編程、調(diào)試，成功實(shí)現(xiàn)視頻顯示。圖8所示為在CMOS廣角攝像頭視頻信號條件下的顯示結(jié)果，圖中有12 V直流電源、廣角攝像頭、驅(qū)動控制電路板和24位數(shù)字TFT-LCD，其中驅(qū)動控制電路板和TFT-LCD通過FPC接口相連接。

該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：（1）控制電路采用單片式視頻處理芯片，明顯簡化了設(shè)計電路，并提供屏幕菜單，由圖8中OSD按鍵進(jìn)行控制。（2）供電電路采用DC/DC變換器和線性穩(wěn)壓芯片結(jié)合的方式，可以實(shí)現(xiàn)可靠供電并降低系統(tǒng)損耗。（3）圖8中顯示部分采用分辨率為800×480的數(shù)字顯示屏，可以應(yīng)用于各類高檔產(chǎn)品。

圖8 TFT-LD顯示結(jié)果

5 結(jié)束語

結(jié)合TFT-LCD驅(qū)動系統(tǒng)的控制原理，提出一種基于單片式視頻解決方案的小尺寸TFT-LCD驅(qū)動方案，給出硬件電路和軟件的設(shè)計方法。主要采用集成化的視頻芯片MST703作為主芯片實(shí)現(xiàn)模擬視頻信號的接收、轉(zhuǎn)換、處理、輸出，并通過兩級調(diào)壓電路實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)功耗、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，在輸入CMOS廣角攝像頭視頻信號條件下，利用該方案可以實(shí)現(xiàn)一個分辨率為800像素×400像素的7 inch液晶屏的快速、準(zhǔn)確顯示。與傳統(tǒng)方法相比，該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、成本低等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于倒車影像及各種儀器儀表等電子設(shè)備中。

［1］夏炎，吳金，常昌遠(yuǎn)，等.TFT-LCD顯示驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展［J］.電子器件，2001，24（4）：346-350.

［2］黃澤鍔.小尺寸液晶屏驅(qū)動技術(shù)研究［J］.科學(xué)之友，2013（8）：6-7.

［3］張志偉，荊海，黃金英，等.小尺寸TFT-LCD驅(qū)動電路的設(shè)計［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報，2005，28（1）：10-13.

［4］任光，葉斌，楊大春，等.數(shù)字TFT-LCD驅(qū)動電路實(shí)驗(yàn)研究［J］.液晶與顯示，2006，21（1）：87-90.

［5］汪艷彬，馮炳軍，袁國順.一個通用LCD驅(qū)動電路設(shè)計［J］.電子器件，2008，31（6）：1730-1734.

［6］MStar Semiconductor.Small Size LCD TV Processor with Video Decoder Preliminary Data Sheet Version 0.1［R］.深圳：MStar Semiconductor，2010

［7］張芝賢，王明賀，張正吉，等.LCD顯示模塊并行接口驅(qū)動程序設(shè)計［J］.國外電子測量技術(shù)，2009，28（10）：64-68.

［8］黃麗萍.車載可視倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的研制［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［9］Innolux.Innolux Display Corporation Lcd Module Specification［R］.Innolux，2004.

［10］TIANMA.中尺寸TFT模塊接口電路設(shè)計規(guī)范［S］.深圳：TIAN?MA，2010.

張 旭（1990-），男，漢族，河南省駐馬店市，太原理工大學(xué)，在讀研究生，研究方向?yàn)殡姎庵悄芸刂?，zhx15198858616@163.com；

張紅娟（1974-），女，太原理工大學(xué)，副教授、博士，研究方向?yàn)殡姎庵悄芸刂?，zhanghongjuan@tyut.edu.cn。