LCD液晶显示器 ———– 原理篇

LCD 液晶显示原理

1. 背景

​ 在做嵌入式开发时，经常用到 LCD 显示屏，因为用户只能看得懂显示屏中的画面。因此，熟练掌握显示屏原理是非常有必要的，所以让我们来揭开LCD 显示屏的神秘面纱，进而达到完全掌控的目的。本章之讲解 LCD 显示原理以及显示时序。

2. 基本概念

2.1 LCD 是什么

​ LCD（Liquid crystal display）,翻译过来就是液体晶体显示，也就是液晶显示器，LCD 显示器具有功耗低、体积小、承载的信息量大以及不伤眼的优点，因此他成为现在的主流电子显示设备尤其是在嵌入式设备中的应用。

​ 液晶是一种固体与液体之间的特殊物质，它是一种有机化合物，常态下呈液态，但是他的分子排列却和固体晶体一样非常规则，因此称为液晶。如果给液晶施加电场，就会改变它的分子排列，从而改变光线的传播，配合偏振光片，它就具有控制光线透过率的作用，再配个彩色滤光片，改变施加给液晶电压大小，就能改变某一颜色透光量的多少。利用这种原理，做出可控红、绿、蓝光输出强度的显示结构，把三种显示结构组成一个显示单位，通过控制红绿蓝的强度，可以使该单位混合输出不同的色彩，这样一个显示单位被称为像素，也就是说一个像素中包含了 R、G、B 这三种显示单位，通过改变三种颜色的比例，混合出各种颜色。液晶是不发光的，所以需要有一个背光灯提供光源，光线经过一些列处理过程才到输出，所以输出光线的强度是比光源的强度低很多。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。

2.2 LED 与 OLED 显示器

​ LED 点阵显示器不存在以上LCD 显示器的问题，LED屏不需要背光灯，LED 点阵彩色显示器的单个像素点内包含红绿蓝三个LED 灯，通过控制这三个灯的亮度，实现全彩的输出，多个像素点进而构成了一整个屏幕。由于每个像素点都是LED 灯发出的光，因此在户外白天也特别清晰，但由于LED灯体积庞大，导致屏幕像素密度很低，因此他一般只适合广场上的巨型显示器，当我们走进看时，就会发现屏幕上很多小的LED灯。

​ OLED (Organic Light Emitting Diode)，它采用的像素单元是有机发光二极管，所以像素密度比普通LED 点阵像是器高的多，因此，也画质也较为细腻。

​ OLED 显示器同样不需要背光源、对比度高、轻薄、视角光以及响应速度框等优点，但是成本更高，我们玩个0.96 寸的 OLED 屏幕都得十几块。

2.4 显示器基本参数

​ 一、像素

​ 像素是组成图像的最基本单元要素，显示器的像素指它成像最小的点

​ 二、分辨率

​ 一些嵌入式设备的显示器通常以"行像素值 X 列像素值" 表示屏幕的分辨率。如分辨率 800×480 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

​ 三、色彩深度

​ 色彩深度是指显示器的每个像素点能表示多少种颜色，一般用"位"（bit）表示。常见的显示屏色彩深度为16bit、24bit

​ 四、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，这个长度指的是屏幕对角线的长度

​ 五、点距

​ 点距指相邻两个像素点之间的距离，它会影响画质的细腻程度以及观看距离，相同尺寸的屏幕，若分辨率越高，则点距越小，画质就越细腻。

3. 液晶面板的控制信号

​ 一、RGB 信号线

​ RGB 信号线各有8根，所以支持 RGB888 格式，一共有24 位数据线，分别表示液晶屏一个像素点的红绿蓝颜色分量

​ 二、同步时钟信号 CLK

​ 液晶屏与外部使用同步通讯方式，以 CLK 信号作为同步时钟，在同步时钟的驱动下，每个时钟传输一个像素点数据。

​ 三、水平同步信号 HSYNC

​ 水平同步信号用于表示液晶屏一行像素数据的传输结束，每传输完成液晶屏的一行像素数据时，HSYNC 会发生电平跳变，如分辨率为 800×480 的显示屏，传输一帧图像 HSYNC 的电平会跳变 480 次

​ 四、垂直同步信号 VSYNC

​ 垂直同步信号 VSYNC 用于表示液晶屏一帧像素数据的传输结束，每次传输完成一帧像素数据时，VSYNC 会发生电平跳变。其中 “帧” 是图像的单位，一副图像成为一帧，在液晶中，一帧指一个完整屏幕液晶像素点。常常用 “帧/秒” 来表示液晶屏的刷新特性，即液晶屏每秒钟可以显示多少帧图像，也通常成为 “fps”，如液晶屏以 60 帧每秒的速率运行时，VSYNC 每秒电平跳变 60 次,也成为 60 fps

​ 五、数据使能信号 DE

​ 数据使能信号 DE 用于表示数据的有效性，当 DE 信号线为高电平时，RGB 信号线表示数据有效

4. 液晶数据传输时序

​ 通过上述信号线向液晶屏传输像素数据时，各个信号线的时序图，图中表示的是向液晶屏传输一帧图像数据的时序，图中省略多行以及多个像素点（不省略画不下）
​ 经过图解，应该能够明白，一帧像素的时序是什么样的，但是上面的时序中有关键字 VBP、VFP、HBP、HFP，这些又是什么？在这四个字段之间并没有发生数据传输，请看下图
​ 其实，能够显示图像的有效区域实际上是上图蓝色线框起来的区域，各参数代表含义如下
​ 至于为什么在这些参数期间，数据不能传输，我想大概是因为换行与换帧这一动作得有个时间去缓冲，而这些时间段，被划分为上述几个参数，因此，配置好上述几个时间段就能够驱动起来一块显示屏，这些时间段具体的值一般在屏幕的数据手册中会给出。

5. 显存

​ 显示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，在传输给液晶屏，这种存储显示数据的存储器被称为显存。显存一般至少能够存储液晶屏的一帧显示数据，如分辨率为 800×480 的液晶屏，使用 rgb888 格式显示，一帧数据大小为 800x480x3 = 1152000 字节，3 表示一个像素点占用3字节数据(R:8bit、G:8bit、B:8bit)；若使用 RGB565格式表示，一帧数据大小为：2x800x480 = 768000 字节，2表示一个像素点占用2个字节(R:5bit、G:6bit、B:5bit),因此可以看出，一个像素点所占用字节数越高，能表示的颜色就越丰富。