基于MST703的TFT-LCD驅動方案研究與設計*

張 旭，張紅娟*，靳寶全，王 東*

（1.太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024；2.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，太原 030024）

自進入信息時代以來，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。液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）顯示技術發明于20世紀70年代，并迅速得到了廣泛應用和發展。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點，已在當今信息時代顯示技術領域占據主流地位。其中薄膜場效應晶體管TFT-LCD（Thin Film Transis?tor-LCD）技術又以其大容量、高清晰度和全彩色的視頻顯示成為LCD顯示的主導技術，現已廣泛應用于倒車影像、便攜式計算機、彩色液晶電視、數碼像機及其各種儀器儀表等電子設備之中［1-3］。

近年來隨著新型TFT-LCD不斷推出，不同的驅動電路和系統也在進行配套開發，形成了多種TFTLCD測試系統和液晶顯示產品驅動方案。但目前的小尺寸TFT-LCD驅動方案普遍基于獨立的圖像處理IC和微處理器技術，電路復雜、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，設計出了一種適用于小尺寸TFT-LCD的驅動方案，極大的簡化了電路結構，并降低了成本和電路損耗，具有廣闊的發展前景。

1 總體方案

所設計的基于MST703的小尺寸TFT-LCD驅動方案由電源電路、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、程序寫入口、晶振等，另外還設計了OSD（On-Screen Display）電路，能夠實現對顯示屏的亮度、對比度、灰度的控制和調節，其中電源電路主要由DC/DC轉換器PS5101、PT4181及線性穩壓芯片AMS1117-3.3、AMS1117-1.2組成，可提供系統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，主要完成模擬視頻信號的模數轉換、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過輸入單元進入視頻處理芯片MST703，經過處理后產生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顯示出實時影像。該驅動方案組成結構如圖1所示。

圖1 系統總體方案框圖

2 裝置硬件設計

2.1 視頻處理IC的選擇

視頻處理芯片采用晨星半導體公司的MST703，是一個用于NTSC/PAL/SECAM制式顯示器的高質量的專用集成電路，內部集成了模數轉換器、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的驅動電路簡單、便于開發，通過編寫高效的程序和算法對模擬視頻數據進行處理，可以輸出24 bitR、G、B數據并進行時序控制，最終實現視頻的清晰顯示［6］。

2.2 MST703供電電路設計

MST703的工作需要多級電壓：5 V、3.3 V、1.2 V。本設計方案采用12 V直流電源給系統供電，因此需要搭建電壓轉換電路給芯片供電，應用于PCB電路板上的電源轉換主要是DC-DC方式。普通的DC-DC轉換器具有可輸出電流大、靜態電流小、效率高等優點，但同時其具有較大的開關噪聲，且體積龐大、外圍電路復雜。而線性穩壓器反應速度快、輸出紋波小，工作產生的噪聲低，但其效率較低、發熱量大。根據兩種芯片的特點，本方案設計了兩級電壓轉換，第1級采用DC-DC方式，第2級采用線性穩壓器，具體電路如圖2所示。

圖2 兩級電壓轉換電路

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

2.3 SPI通信接口設計

MST703內部集成有MCU，通過SPI接口與外接閃存進行通信［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，當前已經有很多芯片集成了這種通信協議，其連接方式如圖3所示，圖中U10為閃存，4個接口SDI（數據輸入）、SDO（數據輸出）、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用。

圖3 SPI接口電路

2.4 TFT-LCD供電電路設計

2.4.1 背光電壓的設計

TFT-LCD的背光源大都采用白光LED，其數目由液晶屏的尺寸大小決定。試驗采用群創公司AT070TN92款液晶屏，分辨率達到800×480，背光源由6個串聯白光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。本設計將小尺寸TFT-LCD專用驅動芯片PT4181作為電源芯片，其最大優點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，經過PT4181調壓后輸出9.0 V電壓和20 mA電流，電路中L1、C2構成輸入濾波電路，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 顯示電壓的設計

TFT-LCD的顯示電壓由VA，DD、VGH和VGL等組成。VA，DD是TFT-LCD內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的關閉電壓。TFT-LCD由許多像素單元構成，需要通過改變加在每個像素的TFT上的電壓來驅動其顯示不同的數據。VGH和VGL的取值范圍：

為防止芯片出現過熱，本次設計另選一片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構成輸入濾波電路，R13和R12組成開關電源芯片的反饋電路，能夠調整輸出電壓的大小。本電路同時提供3路電壓輸出，一路經過L19和C20組成的LC濾波電路后輸出VA，DD；另外兩路分別經過開關二極管BAV99的調壓作用后輸出VGH和VGL，其中R25、C29和R23、C28分別構成RC濾波電路，D8和D9是穩壓二極管，可以達到限制輸出電壓的大小和降低電磁干擾的目的。所設計的方案采用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，調試方便。

圖5 TFT-LCD的電源電路

3 軟件設計

3.1 TFT-LCD電源時序設計

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正常穩定的工作［7-9］。針對該款TFT-LCD進行了電源時序設計，如圖6所示。可以看到，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斷電壓。Data包括24 bit視頻數據信號和4位控制信號。當TFT-LCD停止工作時，各個信號關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 視頻信號時序設計

TFT-LCD的驅動過程是給TFT的Scan line（柵極總線）提供掃描電路的尋址信號，給Data line（數據總線）提供數據電路的顯示數據信號，先用Scan line選通一行像素，再從Data line上輸入視頻數據信號。TFT-LCD驅動采用的是“逐行掃描”，按照選擇的順序依次選通所有的柵極總線，即可實現完整畫面的顯示。因此，為了正常完成掃描過程，關鍵是編程控制MST703內部的TCON模塊產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］。所設計的信號時序關系如圖7所示。

圖7 數據和控制信號輸入接口時序

圖7（a）所示為行同步信號HS與數據時鐘DCLK、數據信號Data和使能信號DE間的時序關系。整個行掃描周期為1 056個時鐘周期，其中有效區域是800個時鐘周期，有效區域前后的Thb和Thfp都是關閉區。當使能端有效時，開始掃描R、G、B信號，有效視頻信號同樣是800個時鐘周期，其余時間的數據信號為空白信號。圖7（b）是行、場同步信號之間的關系。一個垂直掃描周期TV是525行，其中有效區域為480行，有效區域前后的Tvb和Tvfp都是關閉區。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 試驗顯示結果

使用上述方法進行軟、硬件設計，通過制板、編程、調試，成功實現視頻顯示。圖8所示為在CMOS廣角攝像頭視頻信號條件下的顯示結果，圖中有12 V直流電源、廣角攝像頭、驅動控制電路板和24位數字TFT-LCD，其中驅動控制電路板和TFT-LCD通過FPC接口相連接。

該系統具有如下特點：（1）控制電路采用單片式視頻處理芯片，明顯簡化了設計電路，并提供屏幕菜單，由圖8中OSD按鍵進行控制。（2）供電電路采用DC/DC變換器和線性穩壓芯片結合的方式，可以實現可靠供電并降低系統損耗。（3）圖8中顯示部分采用分辨率為800×480的數字顯示屏，可以應用于各類高檔產品。

圖8 TFT-LD顯示結果

5 結束語

結合TFT-LCD驅動系統的控制原理，提出一種基于單片式視頻解決方案的小尺寸TFT-LCD驅動方案，給出硬件電路和軟件的設計方法。主要采用集成化的視頻芯片MST703作為主芯片實現模擬視頻信號的接收、轉換、處理、輸出，并通過兩級調壓電路實現降低系統功耗、提高系統穩定性。試驗結果表明，在輸入CMOS廣角攝像頭視頻信號條件下，利用該方案可以實現一個分辨率為800像素×400像素的7 inch液晶屏的快速、準確顯示。與傳統方法相比，該方案具有結構簡單、功耗小、成本低等特點，可以廣泛應用于倒車影像及各種儀器儀表等電子設備中。

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張 旭（1990-），男，漢族，河南省駐馬店市，太原理工大學，在讀研究生，研究方向為電氣智能控制，zhx15198858616@163.com；

張紅娟（1974-），女，太原理工大學，副教授、博士，研究方向為電氣智能控制，zhanghongjuan@tyut.edu.cn。