液晶觸控顯示屏及控制系統的設計和仿真研究

摘要：車載顯示屏在汽車行駛過程中容易因振動、碰撞和高溫等環境因素導致顯示不良。開發了一種液晶觸控顯示屏及控制系統，通過全貼合結構、剛性背光背板和安裝支架的設計，確保結構的可靠性。印刷電路板組件（printed circuit board assembly，PCBA）控制卡上的微控制單元（microcontroller unit，MCU）芯片負責顯示信號和觸控信號的控制，確保控制系統的可靠性。液晶觸控顯示屏的力學和散熱設計及仿真結果表明，在靜態載荷條件下顯示屏各受力點的剛度和強度均滿足要求，在隨機振動條件下X、Y、Z 軸3 個方向的顯示屏受力均滿足要求，在85℃穩定工作條件下各芯片的結溫均小于其可承受的最大結溫。

關鍵詞：車載顯示屏；液晶觸控顯示；控制系統；力學仿真；熱學仿真

中圖分類號：TN27；TN873+.93；TP391.9 文獻標識碼：A

0 引言

顯示屏可以分為發光二極管（light-emittingdiode，LED）顯示屏、液晶顯示屏和有機發光二極管（organic light-emitting diode，OLED）顯示屏等形式[1-3]。由于需要在高低溫、振動等惡劣環境條件下使用，車載顯示屏一般為液晶觸控顯示屏[4-5]。在汽車行駛過程中，車載顯示屏常常會處于振動、沖擊、高溫等環境，容易導致光學膜和光學膠發黃、外殼破裂、顯示不均勻缺陷（Mura 缺陷）等不良狀況發生[6-7]。因此在設計過程中，液晶觸控顯示屏的結構和控制系統及散熱穩定性需要重點考慮。本文開發了一種液晶觸控顯示屏及控制系統，并且進行了力學和熱學仿真，結果表明顯示屏能夠滿足實際工作條件下的使用要求。

1 液晶觸控顯示屏的結構

本文開發了一種液晶觸控顯示屏，由玻璃蓋板、光學透明膠（optically clear adhesive，OCA）、液晶模組、背光模組、結構膠、背光背板、印刷電路板組件（printed circuit board assembly，PCBA）控制卡、安裝支架、后蓋、螺釘等組成，其中液晶模組和背光模組共同構成顯示屏模組，如圖1 所示。各部分的連接關系為玻璃蓋板通過OCA 貼合液晶模組；玻璃蓋板通過四周的結構膠貼合背光背板；背光模組通過結構膠貼合背光背板；液晶模組和背光模組之間無直接連接關系但設置有緩沖泡棉；玻璃蓋板、OCA、液晶模組、背光模組、結構膠、背光背板之間構成全貼合結構。PCBA 控制卡、安裝支架和背光背板通過螺釘物理連接，同時PCBA 控制卡與背光模組和液晶模組電連接，后蓋和背光背板通過螺釘物理連接，后蓋上設置有開口，用于容納和連接安裝支架和PCBA 控制卡。此外，安裝支架和背光背板為合金材質，用于PCBA 控制卡的散熱和電磁屏蔽；后蓋為塑膠材質，用于顯示屏的保護和安裝。

如圖2 所示， 液晶顯示屏背面帶有外露的PCBA 控制卡接口， 包括高速數據（high speeddata，HSD）插座接口和主插座接口，分別用于顯示屏的通信連接和通電。背光背板用于整個顯示屏模組的結構支撐和PCBA 控制卡的安裝，背光背板上設置多個緩沖泡棉，用于避免因后蓋對顯示屏模組的擠壓受力而導致的顯示不良。安裝支架用于在汽車上安裝顯示屏，同時也用于對PCBA 控制卡的保護。液晶模組PCBA 控制卡上設置有兩個液晶模組柔性電路板（flexible printed circuit，FPC）連接器，分別通過不同的液晶模組FPC（311 和312）連接到液晶模組中的薄膜晶體管（thin filmtransistor，TFT）驅動陣列上；通過背光模組FPC連接器和背光模組FPC 連接背光模組，從而實現對液晶模組和背光模組的控制。

2 液晶觸控顯示屏的控制系統

2.1 控制系統的硬件構成

圖3 為液晶觸控顯示屏的控制系統。在顯示屏模組底端設置有觸控與顯示驅動器集成（touch anddisplay driver integration，TDDI）芯片，該芯片集成了觸控與顯示驅動功能。TDDI 芯片包括驅動模塊和讀取模塊，驅動模塊用于驅動液晶面板進行顯示；讀取模塊用于讀取觸控電極的信號。顯示屏模組與PCBA 控制卡電連接，具體為液晶模組和背光模組分別通過60 PIN 引腳的液晶模組FPC311、10 PIN 引腳的液晶模組FPC 312 與PCBA 控制卡通信連接。PCBA 控制卡上設置有微控制單元（microcontroller unit，MCU）芯片、背光驅動芯片、解串器芯片和電源相關的芯片等。PCBA 控制卡通過HSD 插座接口連接主機或域控制器，主機或域控制器上設置有串行器芯片和系統級芯片（systemon chip，SOC）[8]，實現了MCU 芯片和SOC 之間的數據通信與傳輸。其中，SOC 負責對觸控信號和顯示信號進行計算和處理；MCU 芯片負責對觸控信號和顯示信號的控制。

2.2 觸控信號和顯示信號的控制

觸控顯示屏最重要的信號是觸控信號和顯示信號，由TDDI 芯片負責數據的傳輸和處理，具體流程如下。TDDI 芯片負責解析由顯示屏端傳輸的觸控信號，然后傳輸給MCU 芯片，MCU 芯片通過解串器、串行器、低電壓差分信號（low-voltagedifferential signaling，LVDS）接口和千兆多媒體串行鏈路（gigabit multimedia serial links，GMSL）高速數據傳輸協議傳輸至SOC [9-10]。SOC 負責對觸控信號進行計算和處理，通過串行器芯片傳輸至解串器芯片和MCU 芯片，MCU 芯片會解析識別觸控指令并執行相應的操作，最后傳輸至顯示屏，完成觸控操作。

首先，顯示信號通過SOC 和相應的存儲器計算處理并存儲相應的圖像與視頻信號，通過串行器將并行數據流轉為串行數據流；其次，通過更高頻率的GMSL 信號線進行數據傳輸；最后，解串器將接收的串行數據流轉換為并行數據流，傳輸至顯示屏端進行畫面顯示。

2.3 背光信號和電源信號的控制

液晶顯示屏需要通過背光模組中的LED 背光源提供光源，然后通過液晶模組進行三基色（紅綠藍）轉換以實現畫面顯示，因此液晶顯示屏需要背光源和背光驅動芯片。背光驅動芯片一端電連接背光源，一端與MCU 芯片通信。根據顯示要求，背光源需具有分區調光功能，MCU 芯片中有分區調光算法，SOC 負責控制算法指令并且由背光驅動芯片執行相關操作，通過調節電流來控制每個像素點的亮度，從而實現圖像高對比度的顯示效果。各芯片和顯示屏均通過DC-DC（直流—直流）轉換芯片、低壓差線性穩壓器（low dropoutregulator，LDO） 芯片和電源濾波器（powerfilter，PF）芯片連接主插座接口，實現外接電源通電和電源管理。

3 力學和散熱設計及仿真

3.1 靜態載荷剛度和強度仿真

為了研究本文中的液晶觸控顯示屏安裝在汽車上后的靜態受力是否存在風險，需要對其進行結構靜力學的非線性靜態仿真分析。仿真條件為對不同位置點靜態施加200 N 載荷，評估結構件強度和剛度，邊界條件為顯示屏中主要零部件的材料參數，如表1 所示。

圖4 為靜態載荷強度剛度和仿真受力分析結果。車載顯示屏安裝在汽車上后，在靜態條件下，主要有6 個受力點，這些受力點是通過與車身接觸產生的，包括顯示屏上方與中控臺或儀表臺接觸的3 個受力點，以及顯示屏背面與車身接觸的3 個受力點。仿真結果表明，對顯示屏不同位置點靜態施加200 N 載荷的情況下，主要的零部件在各個受力點的受力強度均小于其額定屈服強度和抗拉強度（圖4a）。根據顯示屏的剛度仿真結果（圖4b），顯示屏在受力條件下，顯示屏各受力點的最大位移量≤ 3.425 mm。靜態載荷剛度和強度仿真結果表明，顯示屏在靜態載荷條件下不會發生機械損壞，剛度和強度均滿足要求。

3.2 模態與隨機振動仿真

為了研究液晶觸控顯示屏在汽車行駛過程中的結構強度是否滿足要求，需要對其進行結構動力學的隨機振動仿真分析，仿真條件為分別在X、Y、Z軸3 個方向施加隨機激勵，評估結構件在隨機振動下的強度，邊界條件為表1 中顯示屏中主要零部件的材料參數。圖5 為隨機振動和模態仿真結果，根據顯示屏隨機振動的功率譜密度曲線（圖5a）計算得出，實驗加速度的總均方根值為2.84 g（g 為重力加速度）。圖5b 仿真結果表明X、Y、Z 軸3 個方向隨機振動時，其2.2 倍均方根應力均小于材料的屈服強度和抗拉強度，結構件安全。圖5c 為顯示屏的前20 階模態頻率，表明整體模態頻率較高，振型為整體前后俯仰擺動。

3.3 散熱仿真

為了研究液晶觸控顯示屏在密閉環境中85℃穩定工作條件下，各芯片的溫升是否滿足要求，對其進行散熱仿真。圖6 為各芯片的散熱仿真結果，各芯片在85℃ 穩定工作條件下的結溫均小于其可承受的最大結溫，表明散熱設計滿足要求。熱量主要通過與PCBA 控制卡直接接觸的高導熱的合金背光背板和安裝支架導出。在各芯片中，與電源相關的DC-DC1 芯片的熱阻θjb 較大，相同功率下器件的結溫較高，可通過背光背板和安裝支架的熱傳導，使其結溫低于可承受最大結溫。

4 結論

綜上，本文開發了一種液晶觸控顯示屏，其結構特點為全貼合結構，顯示屏模組由背光背板支撐，無須設置額外的支架。本文對液晶觸控顯示屏的控制系統進行研究，結果表明液晶模組和背光模組通過FPC 連接PCBA 控制卡，PCBA 控制卡通過HSD 插座接口連接主機或域控制器，實現對顯示屏的控制。主機或域控制器上的SOC 負責對觸控信號和顯示信號進行計算和處理，PCBA 控制卡上的MCU 芯片負責顯示對觸控信號和顯示信號的控制。顯示屏的觸控信號和顯示信號由TDDI 芯片負責處理并傳輸至MCU 芯片，再通過解串器和串行器芯片傳輸至SOC。本文還對顯示屏進行了力學和散熱設計及仿真。靜態載荷剛度和強度仿真表明，顯示屏在靜態載荷條件下，其各受力點的剛度和強度均滿足要求。模態與隨機振動仿真表明，在隨機振動條件下，X、Y、Z 軸3 個方向的顯示屏受力均滿足要求。散熱仿真表明，各芯片在密閉環境中85℃ 穩定工作條件下的結溫均小于其可承受的最大結溫。

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