Flüssigkristallanzeigen (LCDs) sind durch technische Neuerungen in den letzten Jahren immer beliebter geworden. Ihre Ansteuerung hat sich ebenfalls vereinfacht, da 8-Bit-Mikrocontroller (MCUs) mit integrierten LCD-Treibern erhältlich sind. Zu deren Funktionen zählen die Kontraststeuerung, Treibersignalerzeugung, Biasing und die Bereitstellung verschiedener Power-Modi. Sie können Segment-Displays mit Buchstaben, Zahlen, Zeichen und Symbolen direkt ansteuern und erfüllen die Anforderungen an ein kostengünstiges Design. Ein Beispiel sind die PIC MCUs von Microchip, die in Gehäusen mit 28, 40, 64, 80 und 100 Pins zur Verfügung stehen und mehrere externe Bausteine erübrigen. Das LCD-Treiber-Modul sorgt für das Timing der Ansteuerung statischer oder gemultiplexter LCD-Panels und unterstützt bis zu 64 Segmente, die mit bis zu vier oder acht Commons gemultiplext sind. Die Zahl der LCD-Register hängt von der maximalen Zahl von Commons und Segmenten ab, die von der MCU angesteuert werden können.
Timing- und Datensteuerblock richtig handhaben
Der Timing-Steuerblock besteht aus dem LCD-Steuerregister (LCDCON), LCD-Phasenregister (LCDPS) und den LCD-Segment-Enable-Registern (LCDSEx). LCDCON steuert den Gesamtbetrieb des Moduls. Nach der Konfiguration des Moduls aktiviert oder deaktiviert das LCDEn-Bit das LCD-Modul. Das LCD-Panel kann auch im Sleep-Modus arbeiten, indem das SLPEn-Bit gelöscht wird. Die Bits bestimmen die LCD-Taktquelle, und die Konfiguration muss mit dem LCD-Glastreiberschema übereinstimmen. LCDPS konfiguriert den LCD-Taktquellen-Prescaler und die Art der Signalform. Die vom Prescaler gewählten Bits wirken sich direkt auf die LCD-Bildfrequenz aus. Man muss sie entsprechend setzen, um Geisterbilder oder Flackern auf dem Display zu vermeiden. LCDSEx konfiguriert die Funktionen der Port-Pins. Das Setzen des Segment-Enable-Bit für ein bestimmtes Segment konfiguriert diesen Pin als LCD-Treiber. Ebenso erlaubt das Löschen des Segment-Enable-Bit dem Pin, als I/O-Port zu fungieren. Wie der Timing-Steuerblock, ist auch der Datenblock in allen PIC-LCD-Modulen vorhanden. Er besteht aus den LCDDATAx-Registern. Nachdem man das Modul für das LCD-Panel initialisiert hat, lassen sich die einzelnen Bits des LCDDATAx-Registers löschen oder setzen, um ein durchsichtiges bzw. schwarzes Pixel darzustellen. Spezielle Gruppen von Registern verwendet man mit bestimmten Segmenten und Common-Signalen. Jedes Bit stellt dabei eine einzigartige Kombination aus einem bestimmten Segment dar, das mit einer bestimmten Common verbunden ist.
Bias-Erzeugung intern und extern
Es gibt zwei wesentliche Methoden zur Erzeugung von Bias-Spannungen: Widerstandsteiler und Ladungspumpe. Der Baustein unterstützt beide, extern oder intern. Das LCDref-Register entscheidet über externes oder internes Widerstands-Biasing. Die Stromquelle für die Kontrastregelung wählt man über das LCDIRS-Bit. Das LCDref-Register bestimmt auch, welche Bias-Pins intern oder extern für die verschiedenen Bias-Werte zum Einsatz kommen. Das LCDRL-Register regelt die verschiedenen Power-Modi des Widerstandsteilers, sowie das Zeitintervall jedes Power-Modi. Ist die interne Referenz aktiv, lässt sich der Kontrast über Software regeln, indem man die LCDCST-Bits konfiguriert. In einigen Bausteinen finden sich diese in einem separaten Register.
Mit einer Ladungspumpe muss nur das LCDreg-Register konfiguriert werden. Ist die Ladungspumpe aktiv, lässt sich der Kontrast über die Bias-Bits regeln. Der Regler unterstützt durch Setzen oder Löschen des entsprechenden Bits entweder ein Drittel oder statisches Biasing. Der Regler muss über CLKSEL-Bits einen eigenen Takt erhalten.
Geschickte Wahl von Bildfrequenz, Taktquellen und Signalformen
Die LCD-Bildfrequenz ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Common- und Segment-Ausgänge ändern. Die Taktquellen-Select-Bits des Bausteins bestimmen eine von drei Taktquellen bei PIC MCUs. Der Bildfrequenzbereich erstreckt sich von 25 bis 250 Hz; die gängigsten Werte liegen zwischen 50 und 150 Hz. Höhere Frequenzen verursachen einen höheren Stromverbrauch und Geisterbilder, niedrigere Frequenzen können zu Flackern führen.
Die drei möglichen Taktquellen sind ein schneller interner RC-(FRC-)Oszillator, ein sekundärer Oszillator (SOSC) und ein interner LPRC-Oszillator. Bei einigen Bausteinen sind die Taktquellen jedoch der Systemtakt, der Timer-1-Oszillator und der interne RC-Oszillator. Meist kommen zwei der Taktquellen diskret zum Einsatz, um den LCD-Betrieb aufrecht zu erhalten, wenn sich der Prozessor im Sleep-Modus befindet.
Der Kontrast eines LCD lässt sich durch die Berechnung des Trennvermögens bestimmen, dem Verhältnis zwischen der Effektivspannung eines aktivierten Pixels und der Effektivspannung eines deaktivierten Pixels. Segment Mapping bietet dabei eine einfache Möglichkeit zu bestimmen, welche Pixel ein- oder ausgeschaltet sein sollten.
Biasing externer oder intern?
Der Widerstandsteiler ist die am häufigsten genutzte Methode für höhere VDD-Spannungen. Dabei helfen kostengünstige Widerstände, um die verschiedenen LCD-Spannungen zu erzeugen. Unabhängig von der Anzahl der zu versorgenden Pixel bleibt der Strom konstant.
Die Widerstandswerte ergeben sich durch die Bildqualität und den Stromverbrauch. Die Bildqualität ist eine Funktion des LCD-Ansteuersignals. Da das LCD-Panel eine kapazitive Last ist, verzerren die Lade- und Entladeströme das Signal. Diese Verzerrung lässt sich durch einen niedrigeren Widerstandswert verringern. Diese Änderung erhöht jedoch den Stromverbrauch, da mehr Strom durch die Widerstände fliesst. Nimmt die Panelgrösse zu, muss der Widerstandswert sinken, damit die Bildqualität bleibt. Manchmal kann das Hinzufügen paralleler Kondensatoren zu den Widerständen die Verzerrung verringern. Dieser Effekt ist jedoch begrenzt, da ein grosser Widerstand und ein grosser Kondensator eine Verschiebung des Spannungspegels verursachen, die sich negativ auf die Bildqualität auswirkt. Das Hinzufügen eines Potentiometers ermöglicht die externe Regelung des Kontrasts.
Internes Widerstands-Biasing und integrierte Kontrastregelung
Um das Hinzufügen externer Bauelemente zu vermeiden und bis zu drei Pins für die Spannungserzeugung einzusparen, bieten PIC MCUs ein internes Widerstands-Biasing und eine integrierte Kontrastregelung. Dabei kommen keine Widerstände zum Einsatz sondern interne Widerstandsteiler, über die man die Bias-Spannung erzeugt. Der interne Widerstandsteiler teilt die LCD-Bias-Spannung auf zwei oder drei gleich grosse Spannungen auf, die an den LCD-Segment-Pins zur Verfügung steht. Der Widerstandsteiler besteht dafür aus drei angepassten Widerständen. Im ½-Bias-Modus wird der mittlere Widerstand des Teilers kurzgeschlossen, sodass nur zwei Spannungen entstehen. Dieser Modus verringert den Teilerwiderstand, erhöht aber den Stromverbrauch.
Fazit
Verschiedene MCUs mit LCD-Controller bieten Designflexibilität und eine einfache Möglichkeit, LCDs anzusteuern. Integriertes Biasing, Kontrastregelung und Stromsparfunktionen im LCD-Modul erübrigen externe Bauelemente. Damit lassen sich alle Funktionen nutzen und die Bildqualität beibehalten.
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