LV16-26-LCD-01-LCD基础知识

发表于 2023-06-04 分类于嵌入式开发， 01HQ课程体系， LV16-STM32开发本文字数： 8k 阅读时长 ≈ 29 分钟

本文主要是STM32开发——液晶显示器的一些基础知识的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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Windows	windows11
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开发板	正点原子 i.MX6ULL Linux阿尔法开发板
uboot	NXP官方提供的uboot，NXP提供的版本为uboot-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga(使用的uboot版本为U-Boot 2016.03)
linux内核	linux-4.15(NXP官方提供)
STM32开发板	正点原子战舰V3(STM32F103ZET6)

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通用

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官方网站	https://www.arm.com/	ARM官方网站，在这里我们可以找到Cotex-Mx以及ARMVx的一些文档
	https://www.st.com/content/st_com/zh.html	ST官方网站，在这里我们可以找到STM32的相关文档
	https://www.stmcu.com.cn/	意法半导体ST中文官方网站，在这里我们可以找到STM32的相关中文参考文档
	http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html	FatFs文件系统官网
教程书籍	《ARM Cortex-M3权威指南》	ARM公司专家Joseph Yiu（姚文祥）的力作，中文翻译是NXP的宋岩
	《ARM Cortex-M0权威指南》
	《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》
开发论坛	http://47.111.11.73/forum.php	开源电子网，正点原子的资料下载及问题讨论论坛
	https://www.firebbs.cn/forum.php	国内Kinetis开发板-野火/秉火（刘火良）主持的论坛，现也做STM32和i.MX RT
	https://www.amobbs.com/index.php	阿莫（莫进明）主持的论坛，号称国内最早最火的电子论坛，以交流Atmel AVR系列单片机起家，现已拓展到嵌入式全平台，其STM32系列帖子有70W+。
	http://download.100ask.net/index.html	韦东山嵌入式资料中心，有些STM32和linux的相关资料也可以来这里找。
博客参考	http://www.openedv.com/	开源网-原子哥个人博客
	http://blog.chinaaet.com/jihceng0622	博主是原Freescale现NXP的现场应用工程师
	cortex-m-resources	这其实并不算是一个博客，这是ARM公司专家Joseph Yiu收集整理的所有对开发者有用的官方Cortex-M资料链接（也包含极少数外部资源链接）

STM32

STM32	STM32 HAL库开发实战指南——基于F103系列开发板	野火STM32开发教程在线文档
STM32	STM32库开发实战指南——基于野火霸道开发板	野火STM32开发教程在线文档

SD卡

SD Association

提供了SD存储卡和SDIO卡系统规范

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STM32F103xx英文数据手册	STM32F103xC/D/E系列的英文数据手册
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Arm Cortex-M3 处理器技术参考手册-英文版	Cortex-M3技术参考手册-英文版
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SD 2.0 协议标准完整版	这是一篇关于SD卡2.0协议的中文文档，还是比较有参考价值的，可以一看

一、显示屏基础

显示器属于计算机的I/O设备，即输入输出设备。它是一种将特定电子信息输出到屏幕上再反射到人眼的显示工具。常见的有CRT显示器、液晶显示器、LED点阵显示器及OLED显示器。从第一个显示装置发明至今，已经快有百年历史。在显示屏的发展中，依次出现了三大显示技术： CRT、LCD、 OLED，如图所示。

1. CRT显示屏

1897年，德国电气工程师、发明家、物理学家和诺贝尔物理学奖获得者卡尔·布劳恩（ Karl FerdinandBraun），发明了CRT（ Cathode Ray Tube，阴极射线管）用于验证粒子、电子等。

直到1925年，约翰·洛吉·贝尔德（ John Logie Baird）基于CRT技术创造了世界上最早的电视。在之后的几十年里，无论是电视还是电脑，都使用CRT显示器作为显示屏。如图 38.1.2 所示， CRT显示器有一个很显著的特征，就是受限阴极射线管工作原理，需要纵深很长的内部空间，因此俗称“大屁股电视”：

其内部工作原理如图：

在真空玻壳(Glass vacuum envelope，标号①)里，阴极(Cathode，标号②)在电路控制下发出三束由电子组成的电子束(Electron beam)。电路上控制偏转线圈(Deflection yoke，标号④)产生磁场使电子束偏转到荧光屏(Fluorescent screen，标号⑤)指定位置（也就是像素点），荫罩(Shadow mask，标号⑥)用于过滤电子束，防止“溢出”到相邻像素点。荧光屏上布满荧光粉(Phosphor，标号⑧)，每个荫罩对应的像素点位置都有三个荧光点(Phosphor dots，标号⑦)，分别对应红色、绿色、蓝色，电子打在上面会产生对应颜色的光。通过控制阴极三束电子的发射强度，就能控制三原色各自的亮度，从而组合形成任意颜色。最后，电子枪依次激发屏幕上的所有荧光点，达到一定速度后，由于人的视觉暂留效应（ Persistence of vision ），就会看到整个屏幕显示图像。

2. LCD屏

1888年，奥地利植物学家和化学家斐德烈‧莱尼泽（ Friedrich Reinitzer）从胡萝卜中提炼出一种化合物该化合物在特定条件下，具备液体的流动性和类似晶体的某种排列特性，因此命名为液晶（ Liquid Crystal）。

到20世纪60年代， RCA实验室的研究人员发现液晶在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化，继而造成光线的扭曲或折射，这种现象被称为电光效应。随后在1964年， RCA实验室的研究人员利用液晶的电光效应发明了首个液晶显示器（ Liquid Crystal Display， LCD）。

LCD的工作原理如图所示：

首先由背光源产生一个非偏振光源，当它经过后偏光片（假设为垂直偏光片）时，光线将变为垂直偏振，随后该光进入液晶。如果此时电路未通电，相邻液晶分子之间方向略有不同，将垂直偏振光逐渐变为水平偏振光，最后前偏光片（假设为垂直偏光片）将阻挡水平偏振光，观察者只能看到一片黑色。如果此时电路通电，相邻液晶分子在电场作用下统一水平排列，垂直偏振光不发生任何变化，最后通过前偏光片（假设为垂直偏光片）照在彩色滤光片上，观察者将看到一片红色。这里可以简单的把偏光片、控制电路、液晶看作一个不透光的挡板。可以通过电路实现整个单板的开闭的多少，实现背光源照在彩色滤波片的多少，从而控制红色的亮度。再类似的实现绿色、蓝色，便可实现彩色显示。

根据液晶排列方式的不同，可分为扭转式向列型（ Twisted Nematic, TN）、超扭转式向列型（ SuperTwisted Nematic, STN）、横向电场效应型（ In Panel Switch， IPS）、垂直排列型 (Vertical Alignment， VA)。根据驱动形式的不同，可分为无源矩阵液晶显示屏（ Passive Matrix LCD， PMLCD），主要用于TN、STN；有源矩阵液晶显示屏（ Active Matrix LCD， AMLCD），主要用于TFT。我使用的正点原子开发板上的显示屏就是TFT类型的LCD。

TFTLCD即薄膜晶体管液晶显示器。它与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。

TFTLCD具有：亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳等特点。是目前最主流的LCD显示器。广泛应用于电视、手机、电脑、平板等各种电子产品。但是需要注意的是液晶本身是不发光的，所以需要有一个背光灯提供光源，光线经过一系列处理过程才到输出，所以输出的光线强度是要比光源的强度低很多的，比较浪费能源(当然，比CRT显示器还是节能多了)。而且这些处理过程会导致显示方向比较窄，也就是它的视角较小，从侧面看屏幕会看不清它的显示内容。另外，输出的色彩变换时，液晶分子转动也需要消耗一定的时间，导致屏幕的响应速度低。

LCD类型	TN	STN	TFT
驱动方式	扭转式向列型	扭转式向列型	薄膜式晶体管型
可视角度	小	中	大
画面对比度	小	中	大
显示颜色	黑色或单色	单色或彩色	彩色
成本	低	中	高
应用领域	计算器、电子表等	汽车仪表显示等	各类彩色显示屏

3. OLED屏

1979年的一天晚上，华裔科学家邓青云（ Dr. C. W. Tang）博士在回家路上忽然想起了有东西忘记在实验室。晚上回到实验室，在黑暗中看到机蓄电池在闪闪发光，于是开始了对有机发光二极管的研究。随着有机发光二极管技术难题的逐渐突破，柯达公司生产出有机发光二极管显示器（ Organic Light-Emitting Diode，OLED）。
OLED的工作原理比较简单，使用有机材料实现了类似半导体PN结的功能效果，通电后有机发光二极管就发光，通的电越多，亮度越高，通过红、绿、蓝不同配比，实现组成各种颜色。

OLED显示器不需要背光源、对比度高、轻薄、视角广及响应速度快等优点。待到生产工艺更加成熟时，必将取代现在液晶显示器的地位。对于不同种类的显示器，其控制程序原理是类似的，都是以操作像素点为基础。

4. LED和Micro LED

前面OLED使用的有机发光二极管组成显示器，有没有直接使用生活中常见的半导体发光二极管，作为显示屏呢？这个当然有，在很多大型户外广告牌、店招滚动广告上，都能看到LED显示屏的身影，如图所示：

LED显示屏由众多LED灯组成，由于LED灯结构、工艺、散热、成本等限制，无法做得很小，因此画质清晰度比较差，通常用于远距离观看。

而Micro LED技术，将LED长度缩小到100μ m以下，是常见LED的1%，比一粒沙子还要小。因为MicroLED单元过于微小，加大了制造的复杂性和更多的潜在问题，目前各企业正在积极研发中。

Micro LED没有LCD的液晶层，可以像OLED一样独立控制每个像素的开关和亮度，继承了几乎所有LCD和OLED的优点，如果后面Micro LED技术成熟，解决生产上的技术难题，那么Micro LED可能将会是下一代主流显示技术。如表所示，为LCD、 OLED、 Micro LED的对比。

显示技术	LCD	OLED	Micro LED
技术类型	背光	自发光	自发光
亮度(nits)	500	500	5000
发光效率	低	中	高
对比度	低	高	高
响应时间	ms级	us级	ns级
厚度(mm)	厚,＞2.5	薄,1~2.5	薄,＜0.05
寿命(小时)	60K	20~30K	80~100K
成本	低	中	高
功耗	高	中	低

5. 显示屏基本参数

像素：像素（ Pixel）由图像（ Picture）和元素（ Element）这两个单词的字母所组成。指组成图像的最小单位，也就是前面屏幕中的每一个显示单元。
分辨率：由显示像素的数量定义，表示为水平方向的像素数量x垂直方向的像素数量。比如分辨率320x240表示水平方向有320个像素点，垂直方向有240个像素点。如分辨率800x480表示该显示器的每一行有800个像素点，每一列有480个像素点，也可理解为有800列，480行。
色深：由可以绘制像素的颜色数量定义，以每像素位数（ bpp）来表示。比如24bpp的色深（也可以使用RGB888表示），即组成每个像素的红、绿、蓝，每个都有28个亮度等级，组合起来就有28*28*28=16777216，即每个像素颜色有16777216种。
刷新率：每秒图像刷新的次数，单位Hz。刷新率越高，图像画面看起来过渡更流畅。
显示器尺寸：显示器的大小一般以英寸表示，如5英寸、21英寸、24英寸等，这个长度是指屏幕对角线的长度，通过显示器的对角线长度及长宽比可确定显示器的实际长宽尺寸。
点距：点距指两个相邻像素点之间的距离，它会影响画质的细腻度及观看距离，相同尺寸的屏幕，若分辨率越高，则点距越小，画质越细腻。如现在有些手机的屏幕分辨率比电脑显示器的还大，这是手机屏幕点距小的原因；LED点阵显示屏的点距一般都比较大，所以适合远距离观看。
显存：液晶屏中的每个像素点都是数据，在实际应用中需要把每个像素点的数据缓存起来，再传输给液晶屏，一般会使用SRAM或SDRAM性质的存储器，而这些专门用于存储显示数据的存储器，则被称为显存。显存一般至少要能存储液晶屏的一帧显示数据，如分辨率为800x480的液晶屏，使用RGB888格式显示，它的一帧显示数据大小为：3x800x480=1152000字节；若使用RGB565格式显示，一帧显示数据大小为：2x800x480=768000字节。一般来说，外置的液晶控制器会自带显存，而像STM32F429等集成液晶控制器的芯片可使用内部SRAM或外扩SDRAM用于显存空间。

二、显示接口介绍

1. 嵌入式图形系统组成

前面介绍了几种常见显示屏工作原理和内部结构，在嵌入式领域，由于成本、使用寿命等限制，通常使用LCD作为显示屏。通常的嵌入式图形系统如图所示，可以看作由四部分组成：微控制器、帧缓冲器、显示控制器、显示屏。

MCU根据代码内容计算需要显示的图像数据，然后将这些图像数据放入帧缓冲器。帧缓冲器本质是一块内存，因此也被称为GRAM（ Graphic RAM）。帧缓冲器再将数据传给显示控制器，显示控制器将图像数据解析，控制显示屏对应显示。

2. MCU屏

帧缓冲器和显示控制器，可以集成在MCU内部，也可以和显示屏做在一起。对于大部分中、低端MCU，不含显示控制器，内部SRAM也比较小，因此采用如下图所示的显示方案，将帧缓冲器、显示控制器和显示屏制作在一起，这样的屏幕习惯上称为“ MCU屏”。

3. RGB屏

对于部分高端MCU或MPU，本身含有显示控制器，使用内部SRAM或外部SRAM，如下图所示，通过并行的RGB信号和控制信号直接控制显示屏，这样的屏幕习惯上称为“ RGB屏” 。

4. 显示接口

MIPI（ Mobile Industry Processor Interface，移动行业处理器接口）是ARM、 ST、 TI等公司成立的一个联盟，致力于定义和推广移动设备接口的规范标准化，从而减小移动设备的设计复杂度。MIPI-DBI（ Display Bus Interface，显示总线接口）是MIPI联盟发布的第一个显示标准，用来规定显示接口， MIPI-DBI中定义了三类接口：

（1）A类：基于Motorola 6800总线；

（2）B类：基于Intel 8080总线；

（3）C类：基于SPI协议；

MIPI-DBI用于与MCU屏（带有显示控制器和帧缓冲器）进行连接，如下图：

MIPI-DPI（ Display Pixel Interface，显示像素接口），从名称就可以看出它是直接对屏幕的各像素点进行操作，利用H-SYNC（行同步信号）和V-SYNC（场同步信号）对各像素点进行颜色填充，类似CRT中电子枪那样扫描显示。 MIPI-DPI用于与RGB屏（不含显示控制器和帧缓冲器）进行连接，如下图所示，像素数据需要实时流式传输到显示屏，对MCU性能有一定要求。

MIPI-DSI（ Display Serial Interface，显示串行接口），从名称可以看出它是串行传输，不过传输信号是差分信号，实现了低噪声和低功耗。包含MIPI-DSI接口的MCU与显示屏的某连接如下图所示。 DSI封装了DBI或DPI信号，并通过PPI协议将它其发送到D-PHY，通过差分信号传输到显示屏模块的DSI控制器解析。