LCD 字段式驅動器的新方法

從手表、家庭恒溫器到便攜式醫(yī)療設備（如血糖儀和血壓監(jiān)護儀），LCD 字段式驅動器無所不在，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 驅動功能，這種解決方案已經應用了相當長的時間。既然該技術已經出現很久了，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新出現的令人激動的功能，并談談這些新功能得以實現的背后故事。
 
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
傳統方法
Bias circuitry which requires external components and few pins
A   需要外部組件和少數引腳的偏置電路。
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) 限制總像素驅動功能。


New approach
新方法
Internal bias circuit saves pins and components, supports more bias levels for higher commons
A 內部偏置電路節(jié)省了引腳和組件數量，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，傳統的 LCD 驅動方法需要外部 R 或 C 電路來產生偏置電壓。幾乎所有 MCU 和 SoC 都能驅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絡才能生成 LCD 偏置。

很少有廠商嘗試將電阻器梯形電路 (resistor ladder) 轉移到器件內部。這種電阻器梯形電路要經過優(yōu)化才能讓給定的顯示器獲得最佳功耗和對比度。內部梯形電路能折中滿足標準顯示器的要求，但可能難以滿足所有系統的要求。最新創(chuàng)新技術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動強度問題。這種緩沖器可自動關閉，從而在像素電壓達到目標值后節(jié)約功耗，并讓低驅動強度輸出保持該狀態(tài)。該特性能節(jié)省外部組件，減少對器件上數量有限的寶貴引腳的占用，同時還能提供微調偏置電路的全部優(yōu)勢，從而實現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 字段式驅動的另一個普遍現象。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，設計 LCD 系統通常都是不容易的。而關鍵就在于識別引腳，在不影響 MCU 關鍵功能的前提下驅動必需的像素，同時還要保證 PCB 布局和固件的簡單性。[!--empirenews.page--]

MCU 和 SoC 使用 m 到 n 多路復用器 (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，就能驅動更多 LCD 像素或用更少的引腳驅動相同數量的 LCD 像素。以帶有52個引腳的 MCU 或 SoC進行 LCD驅動為例，如果支持 4 個公共端，那么系統最多可驅動 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 個引腳就能驅動 576 個像素（36 段 x 16 公共端）。如果要驅動的像素數量較少，則可減少引腳數量，這就是說，設計人員可使用引腳數量較少的 MCU，以求降低系統成本?？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動需要較高驅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

如果您曾經開發(fā)過驅動 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 寄存器映射中相應的控制位，然后再編寫控制每個寄存器映射的函數。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，進而實現與主應用的集成。這樣，圖形用戶界面就能將數天的圖形化配置工作縮短到一個小時之內完成，從而節(jié)約寶貴的工程設計資源。


Figure 2: Simplified mapping of pixels in PSoC Creator software
圖2：PSoC Creator 軟件中像素的簡化映射


盡管許多設計人員還會繼續(xù)沿用此前已經使用過無數次的 LCD 驅動開發(fā)方法，但新的技術發(fā)展為LCD 字段式驅動系統帶來了全新的設計方法。這種創(chuàng)新技術使設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；（3）將公共端信號輸出到多個引腳，以提升驅動強度，并能用單個器件驅動更大的顯示器；（4）驅動更多公共端（多達 16 個），以增加驅動的像素數量，或以較少的引腳驅動相同的像素數量；（5）大幅縮短 LCD 字段式驅動固件開發(fā)所需時間。