關(guān)于一種STNLCD驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)研究方案

1、關(guān)于一種STNLCD驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)研究20XX年XX月多年的企業(yè)咨詢豉問經(jīng)驗(yàn).經(jīng)過實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證可以落地機(jī)行的卓越管理方案，值得您下載擁有壹種STNLCD驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)研究2003-5-1414:11:17介紹了壹種超扭曲向列（STN）LCD驅(qū)動(dòng)芯片的總體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)討論分析了其關(guān)鍵模塊一一接口電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路以及電源電路的設(shè)計(jì)，且用Verilog硬件描述語言對(duì)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片的功能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。引言液晶顯示器由于具有體積小、重量輕、低電壓、低功耗等特點(diǎn)，因而具有十分廣闊的市場前景，其中STNLCD于中小尺寸LCD領(lǐng)域占有很大的市場，有其獨(dú)特的優(yōu)勢。大屏幕STNLCD可用于筆記本電腦、彩

2、色文字處理機(jī)等，大小屏幕STNLCD常用于便攜電話、PHS（個(gè)人手持系統(tǒng)）、尋呼機(jī)等。STN和TFT壹樣，要求提高顯示質(zhì)量和響應(yīng)速度，減少陰影產(chǎn)生，改善性能價(jià)格比，同時(shí)，也要求低功耗、高密度安裝、彩色顯示等，且要求降低基材成本和提高靈活性。因此，STNLCD的專用驅(qū)動(dòng)控制芯片要求較多的控制性能，如液晶顯示器件的正常顯示、正反顯、上下掃描、正反方向控制、閃爍以及滾屏等功能。根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的LCD的大小及所需功能的多少，其驅(qū)動(dòng)控制芯片的復(fù)雜程度不同，主要體當(dāng)下其內(nèi)部RAM的大小、譯碼電路的復(fù)雜程度、內(nèi)部的時(shí)序及電源電路等，對(duì)外可體當(dāng)下驅(qū)動(dòng)行和列端口的多少，和MPU的接口功能等。本文討論了壹種功能較完備

3、較復(fù)雜的點(diǎn)陣STNLCD驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)，根據(jù)“自頂向下”的設(shè)計(jì)思想，將芯片進(jìn)行層次化功能劃分，同時(shí)，參考已有的同類驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合“自底向上”的原理圖輸入設(shè)計(jì)方法對(duì)部分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架對(duì)各模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，且進(jìn)行芯片的整體功能驗(yàn)證，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。于芯片的功能驗(yàn)證中，我們采用了Verilog硬件描述語言，對(duì)電路的邏輯功能和時(shí)序關(guān)系進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文研究的重點(diǎn)主要于于點(diǎn)陣LCD控制芯片的總體設(shè)計(jì)，且就點(diǎn)陣LCD專用控制芯片的關(guān)鍵模塊電路：MPU接口電路、命令譯碼電路、RAM電路、時(shí)序控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源電路的設(shè)計(jì)作詳細(xì)的描述，從而完成芯片的前端設(shè)計(jì)，于確定生

4、產(chǎn)的工藝后能夠完成芯片版圖、后仿真，進(jìn)而完成芯片的全部設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行試流片。設(shè)計(jì)要求液晶顯示控制驅(qū)動(dòng)模塊是于液晶像素的倆電極（行電極和列電極）之間建立交變電場。于點(diǎn)陣式液晶顯示器中，像素的倆電極是以矩陣方式排列的，由驅(qū)動(dòng)電路循環(huán)地給每行電極施加選擇脈沖電壓，同時(shí)，通過列電極給該行像素施加選擇或非選擇脈沖電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)像素的驅(qū)動(dòng)。這種行掃描是逐行順序進(jìn)行的，循環(huán)壹周期為壹幀。因此，點(diǎn)陣LCD專用控制芯片的主要作用是為液晶顯示系統(tǒng)之間的接口?？刂菩酒饶軌蚪邮躆PU的直接操作，又能夠脫機(jī)獨(dú)立控制且驅(qū)動(dòng)液晶顯示。之上為液晶控制的基本要求，鑒于當(dāng)今LCD顯示技術(shù)的實(shí)際需要，我們所設(shè)計(jì)的LCD專用控制芯

5、片應(yīng)具有以下主要功能：以總線形式提供MPU接口；以完整的邏輯控制電路和時(shí)序發(fā)生器控制各種顯示功能；管理和控制RAM,便于MPU訪問；為液晶顯示屏提供掃描時(shí)序信號(hào)和傳輸顯示數(shù)據(jù)；提供功能齊全的控制指令集，便于MPU編程；提供可選擇的不同偏壓比的驅(qū)動(dòng)電壓。該驅(qū)動(dòng)芯片有133個(gè)COM和SEG輸出，有高速的8比特且行8080/6800MPU接口及串行接口，芯片內(nèi)含65X132的RAM,能夠于主從方式下工作。芯片采用CMOS工藝設(shè)計(jì)，內(nèi)置電源產(chǎn)生電路，具有較低的功耗。點(diǎn)陣LCD驅(qū)動(dòng)控制芯片的設(shè)計(jì)分析基于之上要求，我們的設(shè)計(jì)流程為：從整個(gè)芯片的功能要求出發(fā)，對(duì)芯片功能進(jìn)行層次化功能模塊劃分，直至較為簡單的

6、底層模塊；然后完成各模塊的功能描述、設(shè)計(jì)要求；最后從最底層模塊開始，采用原理圖輸入或Verilog的功能描述等方法對(duì)各模塊進(jìn)行具體的電路設(shè)計(jì)或描述，且進(jìn)壹步由底層次模塊構(gòu)成上壹層次模塊，直至構(gòu)成最高層，即實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片的功能。對(duì)于每壹層次的模塊，應(yīng)采用Verilog語言或基于所設(shè)計(jì)的電路原理圖，且根據(jù)該模塊的具體要求進(jìn)行測試文件描述，從而對(duì)該模塊進(jìn)行功能仿真，直至完成整個(gè)芯片的功能仿真測試。我們設(shè)計(jì)的LCD驅(qū)動(dòng)控制芯片主要由六個(gè)模塊組成：接口模塊(MPUInteface)、譯碼電路模塊(CommandDecoder)、RAM模塊、時(shí)序控制模塊(TimingControlCircuit)、驅(qū)動(dòng)模塊

7、(Drivers)、電源電路模塊(PowerSupplyCircuit),各模塊根據(jù)需要和具體的電路設(shè)計(jì)要求又分為若干底層模塊。MPU接口模塊該模塊共包括6個(gè)子模塊：讀寫識(shí)別功能塊、操作識(shí)別功能塊、命令/數(shù)據(jù)識(shí)別功能塊、控制功能塊、串/且轉(zhuǎn)換功能塊、BUSHOLD功能塊。接口模塊是專用芯片控制芯片和MPU通信的接口，數(shù)據(jù)交換的通道。MPU通過它對(duì)芯片進(jìn)行控制，向芯片中寫入命令和顯示數(shù)據(jù)，或從芯片中讀出狀態(tài)和顯示數(shù)據(jù)。由于不同MPU控制信號(hào)的定義不同，讀/寫操作又分且行、串行倆種方式，因此，為提高芯片兼容性，接口的要設(shè)計(jì)就考慮多種情況。專用芯片通過增加內(nèi)部組合邏輯的復(fù)雜性，能夠兼容6800ser

8、ies和8080series倆種主流MPU的控制信號(hào)，支持串行、且行操作。下面就6800series且行模式來分析INTERFACE模塊的工作過程。讀寫識(shí)別功能塊于引腳P/NS、C86的控制下對(duì)6800MPU輸出的E、RD/WR信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，產(chǎn)生讀/寫標(biāo)志信號(hào)，區(qū)分讀/寫操作。操作識(shí)別功能塊于片選信號(hào)有效的情況下，通過檢測讀/寫標(biāo)志信號(hào)，對(duì)MPU有無對(duì)控制芯片的操作進(jìn)行識(shí)別。若有操作，則產(chǎn)生壹個(gè)操作標(biāo)志信號(hào)。命令/數(shù)據(jù)識(shí)別功能塊于指令輸入的同時(shí)，利用操作標(biāo)志信號(hào)鎖存A0信息，作為Commanddecoder區(qū)分命令/數(shù)據(jù)的依據(jù)?？刂乒δ軌K利用操作標(biāo)志信號(hào)，于指令輸入結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生譯碼使能使信號(hào)和

9、系統(tǒng)Busy信號(hào)，前者是指令執(zhí)行的前提，后者是順利執(zhí)行的保障。且行I/O電路的雙向三態(tài)門連接著內(nèi)部、外部的Databus,由讀/寫標(biāo)志信號(hào)決定三態(tài)門打開的時(shí)間及方向。串/且轉(zhuǎn)換輔助電路和串/且轉(zhuǎn)換電路受P/NS信號(hào)的箝制，不工作，和內(nèi)部Databus之間由三態(tài)門隔離。CommandDecoder譯碼產(chǎn)生模塊該模塊是專用芯片的控制中心，擔(dān)負(fù)著區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)/命令，解釋輸入指令的重要作用。它對(duì)MPU的各種輸入進(jìn)行識(shí)別，向關(guān)聯(lián)模塊發(fā)出控制信號(hào)，由后者完成指令實(shí)現(xiàn)芯片的可編程。我們所設(shè)計(jì)的專用芯片共設(shè)置了21條命令。譯碼器的作用是將外部輸入的命令字轉(zhuǎn)化為具有壹定寬度的高電位脈沖，從而觸發(fā)相應(yīng)的電路，使其狀態(tài)

10、發(fā)生改變，完成相對(duì)應(yīng)的功能。譯碼器采用NMOS和陣列結(jié)構(gòu)。來自MPU的指令代碼通過專用芯片的接口模塊電路產(chǎn)生12個(gè)輸入信號(hào)，分別為8位命令字輸入端、壹個(gè)譯碼使能端、壹個(gè)讀/寫判斷端、壹個(gè)命令/數(shù)據(jù)判斷端、壹個(gè)復(fù)位端；壹個(gè)輸入指令代碼對(duì)應(yīng)的串聯(lián)NMOS列的數(shù)目且不固定，能夠是壹個(gè)，也能夠是多個(gè)，這和指令實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和每條控制線的控制功能強(qiáng)弱有關(guān)。輸出端也是如此。這樣，壹條指令代碼能夠是1位也能夠是8位，且可控制多個(gè)功能模塊，大大增加了控制的靈活性和有效性。RAM模塊該模塊用于存放將要顯示的數(shù)據(jù)，起緩沖區(qū)的作用，主要包括RAM陣列、頁地址電路、列地址電路、行地址電路及顯示數(shù)據(jù)的鎖存電路等子模塊。

11、RAM模塊作為控制芯片的中樞，壹方面以字節(jié)（D0-D7）為單位被MPU讀/寫，另壹方面能夠以行為單位向LCD輸出。MPU對(duì)RAM的讀/寫需要列地址、頁地址和I/OBuffer的配合。列地址電路提供列地址，通過Columndecoder選中壹根字線；頁地址寄存器通過頁譯碼器選中8對(duì)或1對(duì)位線。這樣，MPU就可通過I/OBuffer對(duì)字線、位線交匯處的RAM單元進(jìn)行讀/寫操作。RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出需要行地址電路和顯示數(shù)據(jù)的鎖存電路和配合。行地址電路對(duì)RAM以行為單位進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)100位同時(shí)輸出；顯示鎖存電路保證顯示數(shù)據(jù)的穩(wěn)定輸出，且實(shí)現(xiàn)顯示的正向或反向等實(shí)用功能。對(duì)RAM的操作來自于倆個(gè)方面：壹

12、方面MPU通過接口RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀/寫，另壹方面，RAM中的數(shù)據(jù)通過Drivers,輸出到液晶顯示器。通過頁地址和列地址，MPU可選中RAM中的壹個(gè)字（8bits或1bits）;通過I/Obuffer可對(duì)RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀/寫。下面具體分析RAM讀寫數(shù)據(jù)過程。開始工作時(shí)，控制芯片首先要對(duì)引腳進(jìn)行設(shè)定。假定CS1=1,CS2=1片選有效，M/S=1主片工作，C86=1選擇8080MPU,RES=1復(fù)位無效，P/S=1選擇且行輸入方式。然后MPU通過控制芯片接口模塊向其輸入指令代碼，即設(shè)置地址的命令。指令代碼壹般由全指令或指令加數(shù)據(jù)混合組成。控制芯片根據(jù)引腳A0區(qū)分輸入的是命令仍是數(shù)據(jù)，且根

13、據(jù)引腳WR和引腳RD來判斷讀或?qū)懝δ?。?dāng)A0=0,WR=1時(shí)，控制芯片便把指令代碼作為命令輸入指令譯碼器。譯碼器譯出后產(chǎn)生正脈沖作為地址對(duì)應(yīng)的端口選擇信號(hào)，根據(jù)D0-D3選中某壹頁。接下來，MPU發(fā)出列地址設(shè)置命令選中某壹列。最后，MPU向RAM寫入顯示數(shù)據(jù)，即某壹頁某壹列的8位數(shù)據(jù)，此時(shí)A0=1,控制芯片打開I/O雙向門；MPU輸入的數(shù)據(jù)D0-D7先被送至BUSHOLD鎖存，再由寫命令譯碼產(chǎn)生的寫脈沖打開RAMI/O雙向門，把8位顯示數(shù)據(jù)寫入RAMo至此數(shù)據(jù)寫入過程便告完成。不過，于寫入顯示數(shù)據(jù)過程中，執(zhí)行每條命令時(shí)，MPU要從芯片讀出狀態(tài)信息，以判斷此條命令是否能立即執(zhí)行，以協(xié)調(diào)MPU和L

14、CD專用控制芯片速度的不壹致性。時(shí)序控制模塊該模塊是實(shí)現(xiàn)顯示輸出的時(shí)序信號(hào)發(fā)生和控制中心。LCD專用芯片的時(shí)序產(chǎn)生電路主要由幾個(gè)電路模塊組成：振蕩產(chǎn)生電路、顯示控制電路、顯示時(shí)序控制電路、FR信號(hào)產(chǎn)生電路、靜態(tài)指示產(chǎn)生電路、COMS產(chǎn)生電路、基本時(shí)序產(chǎn)生電路、基本時(shí)序控制電路等等。時(shí)序控制模塊通過時(shí)序邏輯和組合邏輯產(chǎn)生多個(gè)時(shí)序信號(hào)，控制行地址譯碼電路及顯示數(shù)據(jù)的鎖存電路，從而實(shí)現(xiàn)RAM數(shù)據(jù)的整行輸出；控制COM端移位寄存器COMdriver的行掃描；控制升壓電路實(shí)現(xiàn)工作電壓自提供；輸出FRS信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)指示器的驅(qū)動(dòng)。該模塊對(duì)芯片內(nèi)RAM顯示數(shù)據(jù)的輸出控制過程為：RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)輸出顯示，首

15、先要進(jìn)行初始行設(shè)置。由于壹幀顯示RAM中32行的數(shù)據(jù)，因此，需要時(shí)鐘信號(hào)來控制。由振蕩器產(chǎn)生頻率為Fcl基本時(shí)鐘信號(hào)，它把RAM中的壹行數(shù)據(jù)輸出到鎖存器，且同步產(chǎn)生行移位信號(hào)。二者配合完成壹幀32行數(shù)據(jù)的連續(xù)輸出。送入鎖存器的顯示數(shù)據(jù)仍可受MPU外部命令控制，產(chǎn)生正反顯、全亮全滅、滾屏等效果。驅(qū)動(dòng)器模塊該模塊是專用芯片和液晶顯示器的接口，其作用是提高驅(qū)動(dòng)能力、實(shí)現(xiàn)偏壓顯示、實(shí)現(xiàn)偏壓極性的轉(zhuǎn)換。它包括COM驅(qū)動(dòng)器、SEG驅(qū)動(dòng)器及COM的移位寄存器。SEG驅(qū)動(dòng)器向液晶顯示器提供顯示數(shù)據(jù)；COM驅(qū)動(dòng)器向液晶顯示器提供行掃描信號(hào)。于COM和SEG的配合下，實(shí)現(xiàn)RAM矩陣內(nèi)容的液晶顯示。COM驅(qū)動(dòng)器由控

16、制電路、電壓變換電路、電壓選擇電路、COMS驅(qū)動(dòng)電路等子模塊組成。COM移位寄存器和COM驅(qū)動(dòng)器相配合，向液晶顯示屏提供行掃描信號(hào)。COM移位寄存器實(shí)現(xiàn)0行-31行行掃描，電壓變換電路和電壓選擇電路實(shí)現(xiàn)行驅(qū)動(dòng)，控制電路實(shí)現(xiàn)命令對(duì)COMDriver的控制，COMS獨(dú)立完成第32行(第5頁)行掃描。SEG驅(qū)動(dòng)器向液晶顯示屏提供顯示數(shù)據(jù)，該模塊由控制電路、電壓變換電路和電壓選擇電路實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示數(shù)據(jù)鎖存電路輸出RAM數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)，控制電路實(shí)現(xiàn)命令對(duì)SEGDriver的控制。電源電路模塊該模塊包括數(shù)-模控制接口部分和幾乎全部的模擬電路。從總體結(jié)構(gòu)上分為4個(gè)部分：電壓產(chǎn)生控制部分；Vout產(chǎn)生電路；V5產(chǎn)生電

17、路；V1-V4產(chǎn)生電路。電路提供驅(qū)動(dòng)LCD顯示需要6種電壓，這六種電壓從大到小依次排列如下：VDD、V1、V2、V3、V4、V5。其中，VDD從外部輸入，和數(shù)字電路(DigitalCircuit)部分的高電平相同。其他電源能夠由內(nèi)部產(chǎn)生，也能夠從外部輸入。具體產(chǎn)生步驟如下：外部輸入?yún)⒖茧娖絍SS2,由電壓提升電路(BoosterCircuit)產(chǎn)生VOUT,VOUT是電路中的最低電壓；通過差分形式的電路輸出穩(wěn)定有驅(qū)動(dòng)能力的V5電壓。這個(gè)過程中，能夠精確調(diào)節(jié)V5的大??；把由電阻分壓產(chǎn)生的電壓(于VDD和V5之間)，變?yōu)榉€(wěn)定有驅(qū)動(dòng)能力的電壓V1、V2、V3、V4。各個(gè)電源電壓的產(chǎn)生過程均受電源控制

18、電路(PowerControlCircuit)的控制。電源控制電路則受DATABUS的數(shù)據(jù)、COMMANDDecoder產(chǎn)生的譯碼信號(hào)及時(shí)序產(chǎn)生模塊的時(shí)序控制信號(hào)所控制結(jié)合驅(qū)動(dòng)和電壓產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)，顯示數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)過程為：待顯示的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為高功率的行列電壓才能驅(qū)動(dòng)控制LCD顯示屏，因此，鎖存器所存的數(shù)據(jù)要送往列驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，且經(jīng)電壓選擇后于行驅(qū)動(dòng)電路珠產(chǎn)生的位信號(hào)的控制下輸出顯示。電壓選擇是通過前面所述的原理為防止交叉效應(yīng)由電源電路不同產(chǎn)生的電壓作為顯示和非顯示選擇電壓。同時(shí)，行列驅(qū)動(dòng)電路仍受外部命令及時(shí)序控制電路控制產(chǎn)生上下掃描變換、指示行閃爍等效果。Verilog的仿真驗(yàn)證于上述各

19、模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，我們采用Verilog硬件描述語言，對(duì)各子模塊直至整個(gè)芯片的數(shù)字部分進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證，對(duì)于電路的模擬部分，主要于電源產(chǎn)生模塊，其功能用Level3模型進(jìn)行了Spice模擬，能夠達(dá)到芯片工作的要求。Verilog仿真的流程為：從最底層模塊開始，對(duì)原理圖輸入的模塊生成Verilog模擬網(wǎng)表或采用Verilog描述該模塊的功能，然后根據(jù)模塊劃分的功能要求，寫出該模塊的測試文件，進(jìn)行仿真探測，其結(jié)果是否滿足要求；于完成底層模塊之后，能夠?qū)Ω咭紝哟蔚脑韴D生成Verilog模擬網(wǎng)表或用Verilog描述由底層模塊合成的該層次模塊同樣寫出測試文件后進(jìn)行模擬；最后生成整個(gè)芯片的Verilog描述文件，且通過芯片功能的分析寫出測試文件，驗(yàn)證芯片的功能。于對(duì)各模塊的模擬分析中，RAM模塊和譯碼產(chǎn)生模塊采用Verilog的行為級(jí)描述，其余模塊由于其電路比較復(fù)雜，且已有壹定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此采用原理圖輸入的設(shè)計(jì)方法，模擬時(shí)生成Verilog模擬的網(wǎng)表進(jìn)行。對(duì)于模擬電路部分主要于電源電路部分，其內(nèi)部的功能驗(yàn)證采用Spice模擬，能夠達(dá)到芯片工作中對(duì)各