LCD 字段式驅(qū)動器的新方法

從手表、家庭恒溫器到便攜式醫(yī)療設(shè)備(如血糖儀和血壓監(jiān)護儀)，LCD 字段式驅(qū)動器無所不在，甚至在某些型號的汽車中都有其身影。幾乎所有 MCU 廠商都提供 LCD 驅(qū)動功能，這種解決方案已經(jīng)應(yīng)用了相當(dāng)長的時間。既然該技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)很久了，人們或許很難想象它還會有什么創(chuàng)新了，不過，本文將重點介紹這一成熟技術(shù)新出現(xiàn)的令人激動的功能，并談?wù)勥@些新功能得以實現(xiàn)的背后故事。

Figure 1: Typical LCD segment controller seen in MCU /SoC versus new approach.

圖 1：MCU/SoC 中典型的 LCD 字段式控制器與新方法的對比。

Traditional approach

傳統(tǒng)方法

Bias circuitry which requires external components and few pins

A 需要外部組件和少數(shù)引腳的偏置電路。

1: LCD pins are multiplexed with multiple functions

B 1：LCD 引腳為多功能多路復(fù)用。

B.2: Usually 4 commons limits total pixel drive capability

B.2：通常 4 個 公共端(common) 限制總像素驅(qū)動功能。

New approach

新方法

Internal bias circuit saves pins and components, supports more bias levels for higher commons

A 內(nèi)部偏置電路節(jié)省了引腳和組件數(shù)量，支持提高公共端的更多偏置級。

1: Any pin can be segment or common pin, easy layout / pinout assignment

B 1：任何引腳都能是字段或公共端引腳，方便的布局/引腳分配。

Innovation A: Programmable Resistor Ladder

創(chuàng)新之一：可編程電阻器梯形電路

如圖1所示，傳統(tǒng)的 LCD 驅(qū)動方法需要外部 R 或 C 電路來產(chǎn)生偏置電壓。幾乎所有 MCU 和 SoC 都能驅(qū)動通常需要三分之一偏置的 4 個公共端。這就需要約 4 個引腳，而且用戶要在引腳上連接外部電阻或電容網(wǎng)絡(luò)才能生成 LCD 偏置。

很少有廠商嘗試將電阻器梯形電路 (resistor ladder) 轉(zhuǎn)移到器件內(nèi)部。這種電阻器梯形電路要經(jīng)過優(yōu)化才能讓給定的顯示器獲得最佳功耗和對比度。內(nèi)部梯形電路能折中滿足標(biāo)準(zhǔn)顯示器的要求，但可能難以滿足所有系統(tǒng)的要求。最新創(chuàng)新技術(shù)使用高位值電阻器或可編程電阻器梯形電路來優(yōu)化功耗，并用動態(tài)可控的緩沖器來解決驅(qū)動強度問題。這種緩沖器可自動關(guān)閉，從而在像素電壓達到目標(biāo)值后節(jié)約功耗，并讓低驅(qū)動強度輸出保持該狀態(tài)。該特性能節(jié)省外部組件，減少對器件上數(shù)量有限的寶貴引腳的占用，同時還能提供微調(diào)偏置電路的全部優(yōu)勢，從而實現(xiàn)最佳的功耗和對比度。

Innovation B: Placing Mux at Each Pin

創(chuàng)新之二：在每個引腳放置多路復(fù)用器

器件總是具有固定的引腳分配是在 MCU 和 SoC 上進行 LCD 字段式驅(qū)動的另一個普遍現(xiàn)象。這就是說，某些引腳定義為公共端 (COM)，而某些引腳則定義為不同的段 (SEG) 輸出。此外，器件在這些引腳上會有某些其他 MCU 功能，如 UART 和 SPI 信號等。因此，設(shè)計 LCD 系統(tǒng)通常都是不容易的。而關(guān)鍵就在于識別引腳，在不影響 MCU 關(guān)鍵功能的前提下驅(qū)動必需的像素，同時還要保證 PCB 布局和固件的簡單性。

MCU 和 SoC 使用 m 到 n 多路復(fù)用器 (Mux)，這里的 m 是指所支持的全部像素，而 n 是指段引腳(圖 1：傳統(tǒng)方法)。新方法則在每個引腳上放置 mux(圖 1：新方法)。這樣，Mux 的 p到 1 會小得多，其中 p 是指支持的偏置等級。這就使任何引腳都能成為公共端或段，從而為設(shè)計人員提供實施不同功能的最大靈活性。此外，這種邏輯還可作為焊盤邏輯的一部分，不需要額外占用硅片區(qū)域，即盡可能減少成本方面的影響。

使用可編程的電阻器梯形電路(創(chuàng)新之一)可讓添加更多偏置級的工作得以簡化，而且無需使用更多引腳，也不會影響功耗。在每個引腳上放置 mux(創(chuàng)新之二)可以簡化輸出更多偏置級。上述兩種創(chuàng)新方法相結(jié)合，可以更方便地支持較高的偏置級，這樣，我們就能使用更多公共端或背板。有了更多公共端或背板，就能驅(qū)動更多 LCD 像素或用更少的引腳驅(qū)動相同數(shù)量的 LCD 像素。以帶有52個引腳的 MCU 或 SoC進行 LCD驅(qū)動為例，如果支持 4 個公共端，那么系統(tǒng)最多可驅(qū)動 192 個像素(48 段 x 4 公共端)。不過，如果 MCU 或SoC 支持 16 個公共端，那么相同的 52 個引腳就能驅(qū)動 576 個像素(36 段 x 16 公共端)。如果要驅(qū)動的像素數(shù)量較少，則可減少引腳數(shù)量，這就是說，設(shè)計人員可使用引腳數(shù)量較少的 MCU，以求降低系統(tǒng)成本?？芍匦露ㄎ坏?LCD 引腳還能隨之帶來另一個優(yōu)勢，即能向多個引腳輸出相同的公共端信號，這樣可非常簡單地驅(qū)動需要較高驅(qū)動強度的大型顯示器。

Innovation C: Graphical User Interfaces

創(chuàng)新之三：圖形用戶界面

如果您曾經(jīng)開發(fā)過驅(qū)動 LCD 字段式顯示器的固件，那么您一定會了解這項工作的繁瑣程度。您需要手動將每個像素映射到段和公共端交叉處，識別 MCU 寄存器映射中相應(yīng)的控制位，然后再編寫控制每個寄存器映射的函數(shù)。如果需要對成百上千的像素進行上述處理的話，顯然會非常費時，而且容易出錯。完成這項工作往往至少需要幾天的時間。而隨著軟件的發(fā)展，上述這種需要大量人力的工作已經(jīng)被時代所淘汰了。通過簡單易用的圖形用戶界面，我們所做的工作可以得到大幅簡化。例如，塞普拉斯全新 PSoC Creator 軟件的圖形界面只需在 PSoC 3 器件中拖放各種 LCD 對象就能創(chuàng)建任意類型的顯示器。一旦顯示器創(chuàng)建完成，每個像素就能被拖放到縱橫交叉處進行分配。分配完成后，軟件就能生成必需的固件 API，進而實現(xiàn)與主應(yīng)用的集成。這樣，圖形用戶界面就能將數(shù)天的圖形化配置工作縮短到一個小時之內(nèi)完成，從而節(jié)約寶貴的工程設(shè)計資源。

Figure 2: Simplified mapping of pixels in PSoC Creator software[!--empirenews.page--]

圖2：PSoC Creator 軟件中像素的簡化映射

盡管許多設(shè)計人員還會繼續(xù)沿用此前已經(jīng)使用過無數(shù)次的 LCD 驅(qū)動開發(fā)方法，但新的技術(shù)發(fā)展為LCD 字段式驅(qū)動系統(tǒng)帶來了全新的設(shè)計方法。這種創(chuàng)新技術(shù)使設(shè)計人員能獲得以下優(yōu)勢：(1)節(jié)省生成偏置電壓所需的引腳和外部無源組件;(2)任何引腳都能作為段或公共端，從而簡化 PCB 布局，并能最大限度地使用板載外設(shè);(3)將公共端信號輸出到多個引腳，以提升驅(qū)動強度，并能用單個器件驅(qū)動更大的顯示器;(4)驅(qū)動更多公共端(多達 16 個)，以增加驅(qū)動的像素數(shù)量，或以較少的引腳驅(qū)動相同的像素數(shù)量;(5)大幅縮短 LCD 字段式驅(qū)動固件開發(fā)所需時間。