基于汽車儀表的5寸單色反顯TFT液晶屏驅動功能實現

摘 "要：構建了汽車組合儀表的5寸單色TFT反顯屏軟、硬件驅動方案，重點設計了該液晶屏的顯示驅動、數據壓縮等實現算法，通過詳細設計、計算分析與實驗驗證，該方案能夠可靠的驅動液晶屏顯示，通過優化系統軟件和顯示策略，保證了在不更換更高主頻性能的MCU前提下，驅動更高顯示分辨率的液晶屏（320*240）。同時由于相同構型和分辨率下的反顯屏在采購成本上明顯低于正顯屏，因此使用反顯液晶屏模組能充分滿足單色液晶儀表的降成本要求，滿足客戶對液晶顯示的更高性能需求。該設計具有可靠性高、易實現、低成本、可移植的特點，該設計的應用在某種程度上使公司在組合儀表的單色TFT液晶顯示方案上實現了突破，從而提高公司的產能和產品質量。在取代競爭對手為公司創造良好經濟效益的同時。該驅動方法可推廣移植應用于其他汽車組合儀表設計上，實現該技術的持續增盈。

關鍵詞：汽車儀表;反顯;TFT_LCD

中圖分類號：U463.7 " " "文獻標識碼：A " " "文章編號：1005-2550（2022）05-0080-08

Realization of 5-inch Monochrome Reverse Display TFT LCD Drive Function of Automobile Instrument

LU Jing-quan

（ Dongfeng Electric Drive System Co.， Ltd， Xiangyang 441001， China）

Abstract：The software and hardware driving scheme of the 5-inch monochrome TFT with reverse display screen of the Automobile combination instrument is constructed， focusing on designing the display driving， data compression and other implementation algorithms of the LCD drive. Through detailed design， calculation analysis and experimental verification， the solution can drive the LCD reliably. By optimizing the system software and display strategy， it is guaranteed to drive the LCD with higher display resolution （320*240） without replacing the MCUs which need higher frequency performance. At the same time， since the purchase cost of the reverse display LCD with the same configuration and resolution is significantly lower than that of the positive display LCD， the use of the reverse display LCD module can fully make the cost reduction and the higher performance requirements for the customers. The design has the characteristics of high reliability， easy implementation， low cost and portability. The application of this design has enabled the company to achieve a breakthrough in the monochrome TFT LCD scheme of the instrument cluster to some extent， thereby improving the company's production capacity and product quality. While replacing competitors to create good economic benefits for the company， this driving method can be popularized and transplanted to other vehicle combination instrument designs， and realize the continuous increase of the technology.

Key Words： Automobile Instrument; Reverse Display; TFT_LCD

前 " "言

根據客戶的需求。為其設計一款24V電氣系統的5寸單色TFT組合儀表，該款組合儀表要求采用5寸單色TFT液晶屏，采用320*240顯示分辨率，比我司老款5寸組合儀表的液晶屏分辨率要求更高（老款儀表液晶屏分辨率為166*128）。該項目是我公司重點項目。經過技術上的縝密分析，最終決定在不更換主控MCU的前提下，匹配新一代5寸單色TFT液晶顯示屏，并根據降成本指標，采用采購成本更低的反顯液晶屏模組。

1 " " 策略設計

根據技術背景可知，此款組合儀表的液晶屏顯示驅動功能，在不提高主MCU性能的情況下必須保證流暢、清晰的顯示質量。同時由于分辨率的提高，同樣顯示區域內的數據量會急劇增加，因此顯示的內容必須經過數據壓縮處理，否則相關的圖片信息數據過大，數據存儲將超出現有FLASH的容量，導致數據無法放置到FLASH中去。同時，由于點陣數量的增加，在整屏界面顯示切換時刻，顯示界面刷新率會降低，會出現清屏時間變長，界面的切換動作時間變長的現象，會導致液晶屏上出現殘影，直接影響最終的用戶體驗。

通過以上分析，此款組合儀表的液晶顯示驅動功能設計為：

1.液晶屏驅動初始化設計：對液晶屏初始化流程、去初始化流程進行設計。

2.液晶屏顯示接口設計：液晶顯示填充接口，液晶顯示清屏接口，液晶區域顯示接口設計。

3.液晶顯示填充、清屏策略優化設計，點陣數據結構解壓縮算法設計。

2 " "5寸TFT單色屏驅動原理設計

2.1 " 儀表5寸TFT單色屏硬件電路

如圖1，儀表微控制器（mcu）內部需要13個GPIO與液晶屏進行連接和通訊，同時需要一路PWM輸出進行液晶屏背光控制，13個GPIO的引腳功能分別是。見表1。

2.2 " 基本時序的軟件實現

軟件通過操作表一的相關IO口的時序進行液晶驅動顯示。驅動此液晶屏需要產生兩個最基本的通訊時序。見圖2和圖3：

寫入指令的驅動代碼的實現方式

void ECU_Matrix_TxCmd（unsigned char u8t_Cmd）

{

IO_LCD_CS_OUTPUT = 0; "/* pull down CS to enable input/output for data/command */

IO_LCD_A0_OUTPUT = 0; "/* Set 0 to A0 ： PA0-PA7 is command output */

IO_LCD_RD_OUTPUT = 1;

IO_LCD_WR_OUTPUT = 0;

/* send out data bit by bit*/

WriteData2LCDRegister（u8t_Cmd）;

IO_LCD_WR_OUTPUT = 1;

IO_LCD_CS_OUTPUT = 1; " "/* set 1 to CS， the data bus 表示數據總線高阻抗*/

}/*注WriteData2LCDRegister 函數為單片機引腳按位分配和輸出函數 不包含時序過程*/

寫入數據的驅動代碼的實現方式

void ECU_Matrix_TxData（unsigned char u8t_Data）

{

IO_LCD_CS_OUTPUT = 0; " /* pull down CS to enable input/output for data/command */

IO_LCD_A0_OUTPUT = 1; " /* Set 1 to A0 ： PA0-PA7 is data or command parameter output */

IO_LCD_RD_OUTPUT = 1;

IO_LCD_WR_OUTPUT = 0;

/* send out data bit by bit*/

WriteData2LCDRegister（u8t_Data）;

IO_LCD_WR_OUTPUT = 1;

}/*注WriteData2LCDRegister 函數為單片機引腳按位分配和輸出函數 不包含時序過程*/

軟件通過以上兩個最基本子函數，通過對屏寫入相關指令和數據來實現屏幕顯示驅動功能。實際屏幕的掃描動作、初始化配置、包括Display RAM（顯存）的操作均是由這兩個基本時序函數的組合而來。

2.3 " 液晶屏掃描方式

液晶屏像素點的掃描坐標有兩個基本的單位（X軸和Y軸），分別是address（地址）和page（頁）。Address是第一個坐標軸刻度，每個address掃描8個像素點，即一個8位數據，它也是液晶屏軟件控制的最小元素。頁是指另一個坐標軸刻度，由于address的8個像素點的特性，page的構成也是由8個像素點作為最小步進的。因此液晶屏顯示區域的點陣長寬均是8的倍數（320*240），如圖4：

液晶屏掃描方式可由MCU配置液晶屏相關的寄存器進行調整，圖4中只是其中一種掃描方式，該反顯屏共有8種掃描方式，見表2。

結合項目需求以及液晶屏的布置方向，該項目使用垂直掃描的第一種方式（Address正常掃描Page不翻轉），軟件通過設置液晶屏相關的功能寄存器實現。

2.4 " 液晶屏顯示極性設置

普通單色液晶屏的背景底色為黑色：即“陽極”顯示白色像素點，“陰極”為不顯示，這種液晶屏為普通的正向顯示屏。但結合本項目需要，為了降低成本，采用工藝成本低的反顯屏。液晶屏平時的背景底色為白色：即“陽極”顯示黑色像素點，“陰極”為背景底色顯示白色。那么針對這種特殊需求，需要對液晶屏的特殊寄存器進行特殊配置實現。即實現DOT Inversion（像素點翻轉）

如圖5，軟件控制方式需要改變。一般來說，軟件通過控制MCU的GPIO在發送數據中的“按位”翻轉可以實現顯示像素點的翻轉方式，但是考慮到還要區分顯存RAM數據和寄存器數據的翻轉選擇（寄存器數據不允許GPIO翻轉，DISPLAY RAM需要GPIO翻轉）。由此一來軟件代碼不夠簡潔，也不方便移植，所以最好的方式是保持GPIO數據的透傳性，通過操作液晶屏DISSET1寄存器或者是ACSET寄存器來改變液晶屏的顯示極性，即在液晶屏內部產生極性翻轉。

3 " " 液晶屏詳細驅動設計

3.1 " 液晶屏初始化流程

在軟件設計時需要按照圖6的流程對液晶屏進行初始化動作，流程之間的時間必須大于流程圖中的時間，否則會引起液晶屏花屏、黑屏等顯示故障。

部分液晶屏初始化源碼如下（篇幅受限，隱藏部分寄存器配置代碼）：

/*initial all the used pins*/

IO_LCD_RES_OUTPUT = 1;IO_LCD_CS_OUTPUT = 1;IO_LCD_A0_OUTPUT = 0;

IO_LCD_RD_OUTPUT = 1;IO_LCD_WR_OUTPUT = 0;

for（i=0;ilt;3000;i++）{__asm（“ nop”）;//DelayXms（5）;}

for（i=0;ilt;3000;i++）{__asm（“ nop”）;//DelayXms（100）;}

/* Hardware reset */

IO_LCD_RES_OUTPUT = 0;delayms（50）;IO_LCD_RES_OUTPUT = 1;delayms（100）;

/* Software reset */

ECU_Matrix_TxCmd（0x5Eu）;ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;delayms（50）;

/* DISAR （Display Area： 91h） */

ECU_Matrix_TxCmd（0x91u）;

ECU_Matrix_TxData（0x00u）; /* Parameter1： number of display lines （MSB） */

/*Hiding Some Code*/

……

/*Hiding Some Code*/

/*delay more than 1ms*/

delayms（10）;

/* SLEEP OUT */

ECU_Matrix_TxCmd（0x13u）;ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;delayms（10）;

/* Display ON */

ECU_Matrix_TxCmd（0x12u）;ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;ECU_Matrix_TxCmd（0x3Au）;ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;

/* Display OFF */

ECU_Matrix_TxCmd（0x11u）;ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;

3.2 " 液晶屏去初始化流程

去初始化流程一般用于儀表在休眠前對液晶屏的操作，去初始化流程不能省略，該流程的執行決定了下次液晶屏啟動時的工作狀態，能充分保證液晶屏再次啟動運行時的顯示質量，杜絕黑屏、花屏等顯示故障的發生，同時能有效提高液晶屏的使用壽命。

液晶屏初始化源碼如下

void ECU_MatrixLcd_DeInit（void）

{

/* SLEEP IN */

ECU_Matrix_TxCmd（0x14u）;

ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;

delayms（10）;

ECU_POWER_5V_2_OFF（）;//TURN OFF LCD VDD1amp;VDD2

}

3.3 " 液晶屏顯示填充和清屏功能實現

在項目實際應用中，液晶屏顯示填充功能主要應用于儀表自帶的液晶屏診斷功能，將液晶屏的所有像素點點亮，用于診斷儀表液晶屏是否存在壞點。而液晶屏的清屏功能則主要應用于顯示界面的整體切換，在顯示新的界面前需要把液晶屏進行全屏清除。傳統的實現方法如下，通過將數據連續的寫入DISPLAY RAM，直到把所有的點陣數據全部寫完，具體執行代碼如下：

顯示填充：

/* Description ： set all the matrix display， the whole display is white*/

void ECU_MatrixLcd_Fill（void）

{

unsigned short i;

ECU_Matrix_SetPage（0u， 0x1du）;

ECU_Matrix_SetAddr（0x00u， 0x00u， 0x01u， 0x3fu）;

ECU_Matrix_TxCmd（0x3Au）;

ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;

for（i = 0u; i lt; 9600u; i++） " /* 9600 = （240/8） * 320 */

{

ECU_Matrix_TxData（0x00u）;

}

}

清屏顯示：

/* Description ： set all the matrix display， the whole display is black*/

void ECU_MatrixLcd_Fill（void）

{

unsigned short i;

ECU_Matrix_SetPage（0u， 0x1du）;

ECU_Matrix_SetAddr（0x00u， 0x00u， 0x01u， 0x3fu）;

ECU_Matrix_TxCmd（0x3Au）;

ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;

for（i = 0u; i lt; 9600u; i++） " /* 9600 = （240/8） * 320 */

{

ECU_Matrix_TxData（0xFFu）;

}

}

由于采用的是320*240像素的點陣屏，像素點數量為76800個，因此需要向液晶屏傳遞9600個字節寫入顯存。這種傳統的驅動方式應用在驅動像素數量較低的液晶屏上，單片機的處理時間還能承受，但是在驅動320*480或更高像素點陣屏時，單片機的運行速度就力不從心了，因此需要其他效率更高的方式來實現以上的填充或清屏功能。

3.4 " "液晶屏區域顯示功能

液晶屏區域顯示功能是液晶驅動層的核心部分，功能上就是將需要顯示的界面或圖片生成點陣數據，按照一定的數據結構傳遞到液晶屏指定區域的Display RAM中去，并將界面圖片顯示出來。具體流程和顯示舉例見圖8：

執行代碼如下：

void descompression_far1（unsigned char start_page，unsigned short start_address，unsigned char height，unsigned short width，__far const unsigned char *p）

{//適用于320×240 TFT點陣屏 height為頁高度

end_page = start_page + （height - 1）;

ECU_Matrix_SetPage（start_page，end_page）;

end_address = start_address + （width - 1）;

ECU_Matrix_SetAddr（（unsigned char）（start_address / 0x100），

（unsigned char）（start_address % 0x100），

（unsigned char）（end_address / 0x100），

（unsigned char）（end_address % 0x100））;

ECU_Matrix_TxCmd（0x3Au）;//write data to display ram

ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;

IO_LCD_CS_OUTPUT = 0; " /* pull down CS to enable input/output for data/command */

IO_LCD_A0_OUTPUT = 1; " /* Set 1 to A0 ： PA0-PA7 is data or command parameter output */

IO_LCD_RD_OUTPUT = 1;

number_byte=*p + *（p+1）*0x100;

//number_byte = lenth;

for（k=2; klt;number_byte; k++）

{

if（*（p+k）==0）

{//hiding data unpack code

}

else

{

IO_LCD_WR_OUTPUT = 0;

WriteData2LCDRegister（*（p+k））;

IO_LCD_WR_OUTPUT = 1;

}

}

}

程序代碼通過代入的顯示圖片起始頁，起始地址的形參來定位圖片位置，并根據圖片寬度和高度形參來計算寫入D_RAM（顯）的范圍，最后通過代入顯示數據數組的FLASH首地址將顯示數據逐個寫入到D_RAM中去。（注：顯示數據的長度數值存放在顯示數組的首兩個地址中）。相關的計算方法見以下公式：

（1）

式中 " " " " " " " " "為圖片起始地址; " " " " " " 為顯存橫坐標值; " " " " " 為像素點橫坐標

（2）

式中 " " " " " " " "為圖片結束地址; " " " " " " " " 為圖片起始地址; " " " " " " " " 為圖片寬度

（3）

式中 " " " " " " "為圖片起始頁; " " " " " " "為顯存縱坐標值; " " " " "為像素點縱坐標

（4）

式中 " " " " " " 為圖片結束頁; " " " " " " "為圖片起始頁; " " " " " " " " "為圖片高度。

4 " " "液晶屏驅動優化計算分析

4.1 " 液晶屏顯示填充和清屏功能優化

本文3.3部分對液晶屏顯示填充和清屏功能的實現進行了描述，但隨著TFT像素點數量的增加，針對320*240分辨率的液晶屏， MCU需要寫入像素點數量為76800個，總共9600個字節，那么3.3部分的實現方式就無法滿足要求，因為新儀表為了降低開發成本，MCU仍沿用老款儀表的型號，意味著相同的“馬”要拉更大的“車”。

寫顯存數據代碼：

for（i = 0u; i lt; 9600u; i++） " /* 9600 = （240/8） * 320 */

{

ECU_Matrix_TxData（0xFFu）;

}

以上程序經分析需要執行9600個循環，其中ECU_Matrix_TxData（）函數展開計算大概需要15個運行指令，按照指令復雜度，每個運行指令可能會花費多個時鐘周期，同時還要考慮for循環的指令數量。我們按照單次執行此函數花費50個時鐘周期來計算，結合MCU的16Mhz主頻，執行寫顯存數據代碼的LCD刷新時間為16000000/9600/50≈33hz，此刷新頻率用肉眼即可分辨。因此在顯示界面整屏切換時，用戶體驗較差，會覺得界面切換不流暢，液晶顯示有卡頓現象。因此需要對軟件處理策略進行優化調整。優化后的代碼如下：

ECU_Matrix_SetPage（0u， 0x1du）;

ECU_Matrix_SetAddr（0x00u， 0x00u， 0x01u， 0x3fu）;

ECU_Matrix_TxCmd（0x31u）;//block fill

ECU_Matrix_TxData（0x01u）;

ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;

ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;

ECU_Matrix_TxData（0xA5u）;

for（i = 0u; i lt; 8000u; i++） " /* 9600 = （240/8） * 320 */

{

__asm（“ nop”）;

}

優化的策略是不再使用MCU向LCD寫顯存的方式進行清屏或顯示填充策略，而是采用向屏傳遞特殊命令的方式讓屏內的控制器自己去刷新液晶屏的顯存，即使用“Block fill”功能。通過訪問液晶屏的BLKFIL（31H）功能寄存器，實現顯存區域塊的批量填充和清除功能。

雖然實際上也需要等待一段時間，但是這個時間比MCU向LCD寫顯存的時間大大縮短了。

這主要是由于LCD內部的控制器去訪問內部顯存的效率要比單片機訪問LCD的顯存速度快很多。我們再來計算下時間，程序中耗費時間比較長的8000個循環，這8000個循環的目的是為了等待液晶屏控制器刷新顯存的時間，循環中只有__asm（“ nop”）;這一條語句，該指令只消耗一個時鐘周期。此時LCD刷新時間為16000000/8000≈2000hz.顯然這個時間已經很短，肉眼已經分辨不出。極大的改善了用戶體驗。

4.2 " 液晶屏顯示數據壓縮算法優化

由于新款儀表的液晶屏分辨率提高到320* 240，像素點數量為76800個，一整屏圖片數據量為9600個字節。而老款儀表液晶屏的166*128分辨率，像素點數量為21248個，整屏圖片數據量為2526個字節。因此新款儀表的顯示界面數據量約為老款儀表界面數據量的3.8倍。而新老兩款儀表采用的MCU芯片型號不變，那么意味著如果顯示相同的內容，同樣的FLASH空間，新款儀表需要多存儲2.8倍的圖片數據。所以針對圖片的數據必須要進行壓縮。否則FLASH空間將不再滿足顯示圖片的存放需求。

由于大部分的圖片數據會連續出現多個0x00或0xFF數據，即圖片中會有很多區域是連續填充的或清除的，所以顯示圖片壓縮算法遵循以下原則。

當檢測到數據中出現0x00或0xff時，立刻計算后續的連續出現的0x00或0xff的個數。

當連續出現的個數小于等于255個，則此連續數據用兩個字節代替，第一個字節用0x00或0xff表示，標明是0x00或0xff的連續數據，第二個字節表示長度;

當連續出現的個數大于255小于等于65535個，則此連續數據用四個字節代替，第一個字節和第二個字節用0x00或0xff表示，標明是0x00或0xff的連續數據，第三個和第四個字節表示長度;

由于最大顯示數據不會超過9600個，因此以上壓縮策略已經足夠。圖片壓縮算法通過上位機軟件實現，針對儀表顯示端采用軟件解壓縮策略。

解壓縮算法流程圖如圖9所示。

結 " "論

儀表總成效果圖如圖10所示：

按照以上策略優化LCD顯示清除和填充功能，保證了在不更換高性能MCU的前提下，依然能高效率的驅動高分辨率TFT屏，將整屏顯示切換速度提高了幾十倍。保證液晶屏流暢的切換顯示。提高了用戶體驗。

采用數據壓縮優化算法能有效的降低顯示圖片的FLASH占用空間，不需要更換更大容量的FLASH或MCU芯片，有效降低了硬件成本，提高了產品收益率。該方案獲得項目組和技術組的一致認可。相關組合儀表項目計劃于2021年7月實現量產，且根據市場訂單，預計2022年實現銷售額700萬元。

以上基于優化后的5寸TFT單色反顯液晶屏驅動策略，可靠、快速的響應了公司對相關組合儀表項目的投產需求，為公司創造了良好的經濟效益的同時，該驅動優化算法可推廣移植應用于其他基于5寸單色TFT液晶屏的儀表項目設計中去，以實現技術的持續增盈。

參考文獻：

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[4]戴亞翔.TFT_LCD面板的驅動與設計[M].北京：清華大學出版社.2008.11版.

[5]杜春雷. ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社.2003版.

陸敬泉

畢業于湖北工業大學，工學學士學位，現就職于東風電驅動系統有限公司，任技術中心主任工程師，高級工程師職稱，現主要研究方向：智能網聯汽車技術、汽車電子產品研發。

專家推薦語

程春林

東風電驅動系統有限公司技術中心

主任工程師 "高級工程師

本文采用數據壓縮優化算法降低了顯示圖片的占用空間，通過向屏傳遞特殊命令的方式刷新液晶屏，提高了整屏顯示切換速度，在保證液晶屏流暢的顯示的同時降低了硬件成本，具有較高的理論水平及實際應用價值。