实用液晶屏产品知识及相关技术

发 布 时 间 : 2008-11-15 来 源 : 解放军信息工程学院 作 者 : 胡冰 岳春生 赵新田 浏 览 :

摘要:介绍LCD的分类、选型、背光及一些指标,详细讨论触屏的类别和具体实现。
关键词:LCD;触摸屏

一、概述

液晶的发现可追溯到19世纪末,1888年被奥地利植物学家发现。它是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态,又不同于气态的特殊物质态。既具有晶体所具有的各向异性造成的双折射性,又具有液体所特有的流动性。一般可分热致液晶和溶致液晶两类。显示应用领域使用的是热致液晶,温度低了,出现结晶,温度高了,就变成液体。液晶显示器件(LCD)所标注的存储温度指的就是呈现液晶态的温度范围。液晶由于它的各向异性而具有电光效应,尤其是具有扭曲向列效应和超扭曲效应,因此,可以制造出不同类型的显示器件,可直接与大规模集成电路结合开发出一系列具有便携显示功能的产品。液晶显示器件诞生至今不过二十多年,产品已经更新了四代。目前扭曲向列型液晶(TN)即将被淘汰,超扭曲向列型(STN)和有源矩阵型(TFT)已经成熟普及。铁电型(FELCD)和多稳态型液晶显示(MLCD)开始出现,其产品寿命大约为10,000至15,000个小时。

二、常用液晶屏分类

液晶显示器件有以下特点:①低压微功耗;②平板型结构;③被动显示(不怕光冲刷、无眩光,不刺激人眼);④显示信息量大(像素小);⑤易于彩色化(一般使用滤色法和干涉法,使其在色谱上得到准确的复现);⑥无电磁辐射和X射线(利于信息保密,对人体安全);⑦长寿命(液晶背光寿命有限,不过可更换背光部分)。
几种常见液晶类型的原理。
(1) TN(Twist Nematic)即扭曲向列型液晶。将涂有透明导电层的两片玻璃基板间夹上一层正介电异向性液晶,液晶分子沿玻璃表面平行排列,排列方向在上下玻璃之间连续扭转90°。然后上下各加一偏光片,底面加上反光片,基本就构成了TN型液晶。
(2) STN(Super TN)型液晶,跟TN型结构大体相同,只不过液晶分子扭曲180°,还可以扭曲210°或270°等,特点是电光响应曲线更好,可以适应更多的行列驱动。
(3) TN或STN型液晶,一般是对液晶盒施加电压,达到一定电压值,对行和列进行选择,出现“显示”现象,所以行列数越多,要求驱动电压越高,因此往往TN或STN型液晶要求有较高的正极性驱动电压或较低的副极性电压,也因为如此,TN和STN型液晶难以做成高分辨率的液晶模块。
(4) DSTN(Double STN)液晶,上下屏分别由两个数据通道传送数据,由于很多液晶屏内部增加了驱动电源的变换部分,所以无需外部输入高驱动电压,通常可以实现单电源供电。STN(DSTN)液晶只可以实现伪彩色(一般人眼可以分辨218色即262144色,所以达到218色和超过218色的被称之为真彩色,否则称之为伪彩色)显示,可以实现VGA、SVGA等一些较高的分辨率,但由于构成它们的矩阵方式是无源矩阵,每个像素实际上是个无极电容,容易出现串扰现象,从而不能显示真正的活动图像。
(5) TFT(Thin Film Transistor)为薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器件,在每个像素点上设计一个场效应开关管,这样就容易实现真彩色、高分辨率的液晶显示器件。现在的TFT型液晶一般都实现了18bit以上的彩色(218色),在分辨率上,已经实现VGA(640×480)、SVGA(800×600)、XGA(1024×768)、SXGA(1280×1024)甚至UXGA(1600×1200)。
液晶显示模块(LCD Module)简称“LCM”,是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件装配在一起的组件。

三、选型注意事项

液晶屏的选型包括LCD类型、品牌与价格、供货、分辨率与尺寸、温度与亮度、接口方式等关键指标。常见液晶分为以下几类:段式、字符型和图形点阵。段式液晶的每字为8段组成,即8字和一点,只能显示数字和部分字母,如要显示其他少量字符、汉字,需要厂家将所要显示的内容固化在指定的位置。字符型液晶用于显示字符和数字的,也可用上述方法显示少量字符、汉字。
TN类液晶用于生产字符型液晶模块;STN(DSTN)类液晶模块一般为中小型,既有单色的,也有伪彩色的;TFT类液晶,则从小到大都有,基本上为真彩色显示模块。除了TFT类液晶外,一般小液晶屏都内置控制器,直接提供MPU接口;而大中液晶屏,要想控制其显示,都需要外加控制器。
动态显示汉字和图形需要选择图形点阵式液晶,如果使用单片机控制(控制能力有限),可选择640×480以下的单色、320×240以下的伪彩色;如果使用PC、IPC,只要有液晶显示部分或外加显示控制,就可选择不带内置控制器的单色、伪彩色和真彩色液晶。由于LCD的分辨率在物理上是固定的,满屏显示一般只能以其固有的分辨率显示,与CRT不同。
工作温度范围一般指常温(0℃~50℃)或宽温(-20℃~70℃范围以外),很多字符型液晶及小图形点阵液晶有常温型和宽温型的,而大图形点阵的液晶宽温型比较少见。
亮度单位为cd/m2或叫Nit(尼特),大部分TN、STN(DSTN)液晶的亮度不超过100cd/m2,但是目前比较常用的5~6英寸的伪彩色STN屏的亮度为130cd/m2左右,TFT类液晶的亮度一般为150cd/m2以上。另外夏普公司的LVM系列投影类产品,其亮度可以高达1000 cd/m2以上。
根据笔者调研和查询情况,夏普公司可以提供较为全面的各系列液晶显示平板,并且国内各大代理公司也可以提供与之配套的各种附件(控制接口电路和逆变器等)和技术支持,其产品分类可见本文附录。
EPSON公司可以提供针对各类显示屏的图形控制接口芯片,这些芯片可以为开发者提供极大的方便,大大减少了开发周期和代价,并且可以使最终产品具有非常灵活的使用范围。例如该公司最新推出的SED1354\55\56系列产品,可以使需要显示的数据通过数据总线传送到该芯片,根据寄存器设置,可以驱动包括数字RGB、模拟RGB和普通视频接口的各种显示器件。具体型号和技术指标见附录。

四、背光选择

液晶从另一方面又可分为透射式、反射式、半反半透式三类,因为液晶为被动发光型显示器,所以必须有外界光源才会显示,透射式液晶必须加上背景光,反射式液晶需要较强的环境光线,半反半透式液晶要求环境光线较强或加背光。液晶的背景光通常有三种:LED、EL和CCFL(冷阴极发光)。
冷阴极荧光灯CCFL是采用冷阴极代替钨丝等热阴极的低气压汞、稀有气体放电灯,在强电场的作用下,依靠离子轰击由镍、钽和锆等金属组成的电极来发射电子,使汞原子激发和电离,形成丰富的253.7nm紫外线和足够的电流,紫外辐射再激发管壁上的荧光粉涂层而发光。因荧光物质的组成材料不同,故能发出不同颜色的光。它具有高亮度、高效率、低能耗、长寿命,以及长时间有效发光等优点。防震性能好,可重复亮灯熄灭,可在低温下自如启动。与热阴极型荧光灯相比,发热量低且管径细小,可方便作为各种液晶显示屏的照明用光源。
字符类液晶一般为LED背光,以黄颜色(红、绿色调)为主。一般为 + 4.2V驱动。LED背光寿命可达10万小时。
单色STN中小点阵液晶,多用LED或EL背光,EL背光具有低功耗、面光源、成型容易、色彩美观等特点,需要高压交流电驱动,以黄绿色(红、绿、白色调)常见。是功耗最低的一种背光。一般用400~800Hz、70~100V的交流驱动,建议使用专业逆变电源驱动,如:SDEC1003。
中大点阵STN液晶和TFT类液晶,多为冷阴极背光灯管(CCFL/CCFT),需要高压交流电源供电,背光颜色为白色(红、绿、蓝色调)。300V以上的交流驱动,建议使用日本TDK公司专用逆变电源,如:CXA-L10A、CXA-L10L等。

五、触摸屏介绍

目前触屏的制造商包括美国的ELO、MicroTouch、Keytec公司;英国的Intasolve公司;日本的Minato和Carrolltouch、中国台湾的Ingenious Technology公司等,主要面向电阻、电容和表面声波屏。中国内地开发红外触屏的主要有北京汇冠。五线电阻屏较为流行的是美国Elo和Microtouch品牌。四线电阻屏较流行的是中国台湾的四线电阻屏和内地南方的国产四线电阻屏。
1.电阻式触屏
(1)四线触屏的原理和控制
四线电阻式触屏的结构如图 1所示。
四线式触屏的控制主要由A/D转换器(ADC),一个二极管(D1)和四个开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)组成。在触屏不处在触摸状态时,将Q1、Q2、Q3置为截止态,Q4为导通。一旦出现触摸动作,触屏经由D1产生一中断信号给MPU,MPU立即使Q1导通,在X轴方向上形成电流回路,启动ADC的CH0通道经由Y1即可读到X轴的坐标值;同样关闭Q1和Q4,打开Q2和Q3,启动ADC的CH1通道经由X1可读到Y轴的坐标值。用户购买触屏时,可直接选配控制器,常见控制器接口有COM串口、PS/2和PC-BUS几种类型,一般厂家可提供DOS、WINDOWS9X和WINDOWSNT的驱动程序。
常见ADC有:①MAXIM公司的MAX1249或MAX1247-四通道12位A/D转换器,串行输入输出,带内部时钟;低功耗,转换速度为133ksps。②TI公司的ADS7843/7846—内置一只二极管用于中断通道和四个开关管,开关状态通过控制字设置,串行输入输出。③MICROCHIP公司的PIC16C71X系列带MPU、EPROM、RAM、8位4通道ADC、13个I/O口及4个中断口的微处理器,在线串口编程。
(2)五线电阻触屏
五线电阻触屏的结构见图 4,除具有四线触屏的特点外,还具有高分辨率和高速传输反应、只需一次校正、稳定性高、MTBF(单点点击)>3500万次等特性。
常见ADC有TI公司的ADS7845—12位A/D转换器,最高到125kHz的转换率。
2.表面声波触屏
表面声波触屏的触屏部分是一块强化玻璃板,安装在屏幕的前面。玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器,右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。工作原理以右上角的X轴发射换能器为例:发射换能器把控制器通过触屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递,然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递,声波能量经过屏体表面,再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X 轴的接收换能器,接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。当手指或其他能够吸收或阻挡声波能量的物体(不能为坚硬的物体)触摸屏幕时,X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收,控制器再根据相应的数据计算出手指的位置。除了能响应X、Y坐标外,它还响应Z轴坐标,也就是能感知用户触摸压力大小。其主要特点是:性能稳定、反应速度快、清晰美观、抗暴、超高透光率,触摸准确,但容易受灰尘和水的干扰。主要为国产TPS触屏和进口ELO触屏两种。
3.电容式触屏
电容式触屏是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层,再在导体层外加上一块保护玻璃,双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。此外,在附加的触摸屏四边均镀上狭长的电极,在导电体内形成一个低电压交流电场。用户触摸屏幕时,由于人体电场,手指与导体层间会形成一个“耦合电容”,四边电极发出的电流会流向触点,而电流的强弱与手指及电极间的距离成正比,位于触摸屏幕后的控制器会计算电流的比例及强弱,准确算出触摸点的位置。其特点为触摸准确度较高,抗干扰能力较强(但怕静电干扰)。主要代表为美国MicroTouch公司。
4.红外线触屏
该技术是指通过红外线发射与接收感测元件在透明介质上形成红外线探测网,利用触摸体阻隔红外线的工作方式进行坐标点测定工作的技术。现在的红外触屏在技术性能参数上已基本达到其他触屏的水平。红外线式触屏安装简单,只需为显示器加上光点距架框,无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器。光点距架框的四边排列了红外线发射管及接收管,在屏幕表面形成一个红外线网。用户以手指触摸屏幕某一点,便会挡住经过该位置的横竖两条红外线,计算机便可即时算出触摸点位置。外界光线变化,如阳光或室内射灯等均会影响红外线触屏的准确度,且它不防水及污物,甚至细小的外来物也会导致误差,不适宜放置于户外。



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