實用液晶屏產(chǎn)品知識及相關(guān)技術(shù)

摘要：介紹ＬＣＤ的分類、選型、背光及一些指標(biāo)，詳細(xì)討論觸屏的類別和具體實現(xiàn)。

一、概述

液晶的發(fā)現(xiàn)可追溯到１９世紀(jì)末，１８８８年被奧地利植物學(xué)家發(fā)現(xiàn)。它是一種在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)既不同于固態(tài)、液態(tài)，又不同于氣態(tài)的特殊物質(zhì)態(tài)。既具有晶體所具有的各向異性造成的雙折射性，又具有液體所特有的流動性。一般可分熱致液晶和溶致液晶兩類。顯示應(yīng)用領(lǐng)域使用的是熱致液晶，溫度低了，出現(xiàn)結(jié)晶，溫度高了，就變成液體。液晶顯示器件（ＬＣＤ）所標(biāo)注的存儲溫度指的就是呈現(xiàn)液晶態(tài)的溫度范圍。液晶由于它的各向異性而具有電光效應(yīng)，尤其是具有扭曲向列效應(yīng)和超扭曲效應(yīng)，因此，可以制造出不同類型的顯示器件，可直接與大規(guī)模集成電路結(jié)合開發(fā)出一系列具有便攜顯示功能的產(chǎn)品。液晶顯示器件誕生至今不過二十多年，產(chǎn)品已經(jīng)更新了四代。目前扭曲向列型液晶（ＴＮ）即將被淘汰，超扭曲向列型（ＳＴＮ）和有源矩陣型（ＴＦＴ）已經(jīng)成熟普及。鐵電型（ＦＥＬＣＤ）和多穩(wěn)態(tài)型液晶顯示（ＭＬＣＤ）開始出現(xiàn)，其產(chǎn)品壽命大約為１０，０００至１５，０００個小時。

二、常用液晶屏分類

液晶顯示器件有以下特點：①低壓微功耗；②平板型結(jié)構(gòu)；③被動顯示（不怕光沖刷、無眩光，不刺激人眼）；④顯示信息量大（像素小）；⑤易于彩色化（一般使用濾色法和干涉法，使其在色譜上得到準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)）；⑥無電磁輻射和Ｘ射線（利于信息保密，對人體安全）；⑦長壽命（液晶背光壽命有限，不過可更換背光部分）。

幾種常見液晶類型的原理。

（１）ＴＮ（ＴｗｉｓｔＮｅｍａｔｉｃ）即扭曲向列型液晶。將涂有透明導(dǎo)電層的兩片玻璃基板間夾上一層正介電異向性液晶，液晶分子沿玻璃表面平行排列，排列方向在上下玻璃之間連續(xù)扭轉(zhuǎn)９０°。然后上下各加一偏光片，底面加上反光片，基本就構(gòu)成了ＴＮ型液晶。

（２）ＳＴＮ（ＳｕｐｅｒＴＮ）型液晶，跟ＴＮ型結(jié)構(gòu)大體相同，只不過液晶分子扭曲１８０°，還可以扭曲２１０°或２７０°等，特點是電光響應(yīng)曲線更好，可以適應(yīng)更多的行列驅(qū)動。

（３）ＴＮ或ＳＴＮ型液晶，一般是對液晶盒施加電壓，達(dá)到一定電壓值，對行和列進(jìn)行選擇，出現(xiàn)“顯示”現(xiàn)象，所以行列數(shù)越多，要求驅(qū)動電壓越高，因此往往ＴＮ或ＳＴＮ型液晶要求有較高的正極性驅(qū)動電壓或較低的副極性電壓，也因為如此，ＴＮ和ＳＴＮ型液晶難以做成高分辨率的液晶模塊。

（４）ＤＳＴＮ（ＤｏｕｂｌｅＳＴＮ）液晶，上下屏分別由兩個數(shù)據(jù)通道傳送數(shù)據(jù)，由于很多液晶屏內(nèi)部增加了驅(qū)動電源的變換部分，所以無需外部輸入高驅(qū)動電壓，通常可以實現(xiàn)單電源供電。ＳＴＮ（ＤＳＴＮ）液晶只可以實現(xiàn)偽彩色（一般人眼可以分辨２１８色即２６２１４４色，所以達(dá)到２１８色和超過２１８色的被稱之為真彩色，否則稱之為偽彩色）顯示，可以實現(xiàn)ＶＧＡ、ＳＶＧＡ等一些較高的分辨率，但由于構(gòu)成它們的矩陣方式是無源矩陣，每個像素實際上是個無極電容，容易出現(xiàn)串?dāng)_現(xiàn)象，從而不能顯示真正的活動圖像。

（５）ＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）為薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示器件，在每個像素點上設(shè)計一個場效應(yīng)開關(guān)管，這樣就容易實現(xiàn)真彩色、高分辨率的液晶顯示器件。現(xiàn)在的ＴＦＴ型液晶一般都實現(xiàn)了１８ｂｉｔ以上的彩色（２１８色），在分辨率上，已經(jīng)實現(xiàn)ＶＧＡ（６４０×４８０）、ＳＶＧＡ（８００×６００）、ＸＧＡ（１０２４×７６８）、ＳＸＧＡ（１２８０×１０２４）甚至ＵＸＧＡ（１６００×１２００）。

液晶顯示模塊（ＬＣＤＭｏｄｕｌｅ）簡稱“ＬＣＭ”，是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、ＰＣＢ線路板、背光源、結(jié)構(gòu)件裝配在一起的組件。

三、選型注意事項

液晶屏的選型包括ＬＣＤ類型、品牌與價格、供貨、分辨率與尺寸、溫度與亮度、接口方式等關(guān)鍵指標(biāo)。常見液晶分為以下幾類：段式、字符型和圖形點陣。段式液晶的每字為８段組成，即８字和一點，只能顯示數(shù)字和部分字母，如要顯示其他少量字符、漢字，需要廠家將所要顯示的內(nèi)容固化在指定的位置。字符型液晶用于顯示字符和數(shù)字的，也可用上述方法顯示少量字符、漢字。

ＴＮ類液晶用于生產(chǎn)字符型液晶模塊；ＳＴＮ（ＤＳＴＮ）類液晶模塊一般為中小型，既有單色的，也有偽彩色的；ＴＦＴ類液晶，則從小到大都有，基本上為真彩色顯示模塊。除了ＴＦＴ類液晶外，一般小液晶屏都內(nèi)置控制器，直接提供ＭＰＵ接口；而大中液晶屏，要想控制其顯示，都需要外加控制器。

動態(tài)顯示漢字和圖形需要選擇圖形點陣式液晶，如果使用單片機(jī)控制（控制能力有限），可選擇６４０×４８０以下的單色、３２０×２４０以下的偽彩色；如果使用ＰＣ、ＩＰＣ，只要有液晶顯示部分或外加顯示控制，就可選擇不帶內(nèi)置控制器的單色、偽彩色和真彩色液晶。由于ＬＣＤ的分辨率在物理上是固定的，滿屏顯示一般只能以其固有的分辨率顯示，與ＣＲＴ不同。

工作溫度范圍一般指常溫（０℃～５０℃）或?qū)挏兀ǎ玻啊妗罚啊娣秶酝猓?，很多字符型液晶及小圖形點陣液晶有常溫型和寬溫型的，而大圖形點陣的液晶寬溫型比較少見。

亮度單位為ｃｄ／ｍ２或叫Ｎｉｔ（尼特），大部分ＴＮ、ＳＴＮ（ＤＳＴＮ）液晶的亮度不超過１００ｃｄ／ｍ２，但是目前比較常用的５～６英寸的偽彩色ＳＴＮ屏的亮度為１３０ｃｄ／ｍ２左右，ＴＦＴ類液晶的亮度一般為１５０ｃｄ／ｍ２以上。另外夏普公司的ＬＶＭ系列投影類產(chǎn)品，其亮度可以高達(dá)１０００ｃｄ／ｍ２以上。

根據(jù)筆者調(diào)研和查詢情況，夏普公司可以提供較為全面的各系列液晶顯示平板，并且國內(nèi)各大代理公司也可以提供與之配套的各種附件（控制接口電路和逆變器等）和技術(shù)支持，其產(chǎn)品分類可見本文附錄。

ＥＰＳＯＮ公司可以提供針對各類顯示屏的圖形控制接口芯片，這些芯片可以為開發(fā)者提供極大的方便，大大減少了開發(fā)周期和代價，并且可以使最終產(chǎn)品具有非常靈活的使用范圍。例如該公司最新推出的ＳＥＤ１３５４＼５５＼５６系列產(chǎn)品，可以使需要顯示的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳送到該芯片，根據(jù)寄存器設(shè)置，可以驅(qū)動包括數(shù)字ＲＧＢ、模擬ＲＧＢ和普通視頻接口的各種顯示器件。具體型號和技術(shù)指標(biāo)見附錄。

四、背光選擇

液晶從另一方面又可分為透射式、反射式、半反半透式三類，因為液晶為被動發(fā)光型顯示器，所以必須有外界光源才會顯示，透射式液晶必須加上背景光，反射式液晶需要較強(qiáng)的環(huán)境光線，半反半透式液晶要求環(huán)境光線較強(qiáng)或加背光。液晶的背景光通常有三種：ＬＥＤ、ＥＬ和ＣＣＦＬ（冷陰極發(fā)光）。

冷陰極熒光燈ＣＣＦＬ是采用冷陰極代替鎢絲等熱陰極的低氣壓汞、稀有氣體放電燈，在強(qiáng)電場的作用下，依靠離子轟擊由鎳、鉭和鋯等金屬組成的電極來發(fā)射電子，使汞原子激發(fā)和電離，形成豐富的２５３．７ｎｍ紫外線和足夠的電流，紫外輻射再激發(fā)管壁上的熒光粉涂層而發(fā)光。因熒光物質(zhì)的組成材料不同，故能發(fā)出不同顏色的光。它具有高亮度、高效率、低能耗、長壽命，以及長時間有效發(fā)光等優(yōu)點。防震性能好，可重復(fù)亮燈熄滅，可在低溫下自如啟動。與熱陰極型熒光燈相比，發(fā)熱量低且管徑細(xì)小，可方便作為各種液晶顯示屏的照明用光源。

字符類液晶一般為ＬＥＤ背光，以黃顏色（紅、綠色調(diào)）為主。一般為＋４．２Ｖ驅(qū)動。ＬＥＤ背光壽命可達(dá)１０萬小時。

單色ＳＴＮ中小點陣液晶，多用ＬＥＤ或ＥＬ背光，ＥＬ背光具有低功耗、面光源、成型容易、色彩美觀等特點，需要高壓交流電驅(qū)動，以黃綠色（紅、綠、白色調(diào)）常見。是功耗最低的一種背光。一般用４００～８００Ｈｚ、７０～１００Ｖ的交流驅(qū)動，建議使用專業(yè)逆變電源驅(qū)動，如：ＳＤＥＣ１００３。

中大點陣ＳＴＮ液晶和ＴＦＴ類液晶，多為冷陰極背光燈管（ＣＣＦＬ／ＣＣＦＴ），需要高壓交流電源供電，背光顏色為白色（紅、綠、藍(lán)色調(diào)）。３００Ｖ以上的交流驅(qū)動，建議使用日本ＴＤＫ公司專用逆變電源，如：ＣＸＡ－Ｌ１０Ａ、ＣＸＡ－Ｌ１０Ｌ等。

五、觸摸屏介紹

目前觸屏的制造商包括美國的ＥＬＯ、ＭｉｃｒｏＴｏｕｃｈ、Ｋｅｙｔｅｃ公司；英國的Ｉｎｔａｓｏｌｖｅ公司；日本的Ｍｉｎａｔｏ和Ｃａｒｒｏｌｌｔｏｕｃｈ、中國臺灣的ＩｎｇｅｎｉｏｕｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司等，主要面向電阻、電容和表面聲波屏。中國內(nèi)地開發(fā)紅外觸屏的主要有北京匯冠。五線電阻屏較為流行的是美國Ｅｌｏ和Ｍｉｃｒｏｔｏｕｃｈ品牌。四線電阻屏較流行的是中國臺灣的四線電阻屏和內(nèi)地南方的國產(chǎn)四線電阻屏。

１．電阻式觸屏

（１）四線觸屏的原理和控制

四線式觸屏的控制主要由Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器（ＡＤＣ），一個二極管（Ｄ１）和四個開關(guān)管（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４）組成。在觸屏不處在觸摸狀態(tài)時，將Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３置為截止態(tài)，Ｑ４為導(dǎo)通。一旦出現(xiàn)觸摸動作，觸屏經(jīng)由Ｄ１產(chǎn)生一中斷信號給ＭＰＵ，ＭＰＵ立即使Ｑ１導(dǎo)通，在Ｘ軸方向上形成電流回路，啟動ＡＤＣ的ＣＨ０通道經(jīng)由Ｙ１即可讀到Ｘ軸的坐標(biāo)值；同樣關(guān)閉Ｑ１和Ｑ４，打開Ｑ２和Ｑ３，啟動ＡＤＣ的ＣＨ１通道經(jīng)由Ｘ１可讀到Ｙ軸的坐標(biāo)值。用戶購買觸屏?xí)r，可直接選配控制器，常見控制器接口有ＣＯＭ串口、ＰＳ／２和ＰＣ－ＢＵＳ幾種類型，一般廠家可提供ＤＯＳ、ＷＩＮＤＯＷＳ９Ｘ和ＷＩＮＤＯＷＳＮＴ的驅(qū)動程序。

常見ＡＤＣ有：①ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ１２４９或ＭＡＸ１２４７－四通道１２位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，串行輸入輸出，帶內(nèi)部時鐘；低功耗，轉(zhuǎn)換速度為１３３ｋｓｐｓ。②ＴＩ公司的ＡＤＳ７８４３／７８４６—內(nèi)置一只二極管用于中斷通道和四個開關(guān)管，開關(guān)狀態(tài)通過控制字設(shè)置，串行輸入輸出。③ＭＩＣＲＯＣＨＩＰ公司的ＰＩＣ１６Ｃ７１Ｘ系列帶ＭＰＵ、ＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ、８位４通道ＡＤＣ、１３個Ｉ／Ｏ口及４個中斷口的微處理器，在線串口編程。

（２）五線電阻觸屏

五線電阻觸屏的結(jié)構(gòu)見圖４，除具有四線觸屏的特點外，還具有高分辨率和高速傳輸反應(yīng)、只需一次校正、穩(wěn)定性高、ＭＴＢＦ（單點點擊）＞３５００萬次等特性。

常見ＡＤＣ有ＴＩ公司的ＡＤＳ７８４５—１２位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，最高到１２５ｋＨｚ的轉(zhuǎn)換率。

２．表面聲波觸屏

表面聲波觸屏的觸屏部分是一塊強(qiáng)化玻璃板，安裝在屏幕的前面。玻璃屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發(fā)射換能器，右上角則固定了兩個相應(yīng)的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個周邊則刻有４５°角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。工作原理以右上角的Ｘ軸發(fā)射換能器為例：發(fā)射換能器把控制器通過觸屏電纜送來的電信號轉(zhuǎn)化為聲波能量向左方表面?zhèn)鬟f，然后由玻璃板下邊的一組精密反射條紋把聲波能量反射成向上的均勻面?zhèn)鬟f，聲波能量經(jīng)過屏體表面，再由上邊的反射條紋聚成向右的線傳播給Ｘ軸的接收換能器，接收換能器將返回的表面聲波能量變?yōu)殡娦盘?。?dāng)手指或其他能夠吸收或阻擋聲波能量的物體（不能為堅硬的物體）觸摸屏幕時，Ｘ軸途經(jīng)手指部位向上走的聲波能量被部分吸收，控制器再根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)計算出手指的位置。除了能響應(yīng)Ｘ、Ｙ坐標(biāo)外，它還響應(yīng)Ｚ軸坐標(biāo)，也就是能感知用戶觸摸壓力大小。其主要特點是：性能穩(wěn)定、反應(yīng)速度快、清晰美觀、抗暴、超高透光率，觸摸準(zhǔn)確，但容易受灰塵和水的干擾。主要為國產(chǎn)ＴＰＳ觸屏和進(jìn)口ＥＬＯ觸屏兩種。

３．電容式觸屏

電容式觸屏是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜體層，再在導(dǎo)體層外加上一塊保護(hù)玻璃，雙玻璃設(shè)計能徹底保護(hù)導(dǎo)體層及感應(yīng)器。此外，在附加的觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個低電壓交流電場。用戶觸摸屏幕時，由于人體電場，手指與導(dǎo)體層間會形成一個“耦合電容”，四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點，而電流的強(qiáng)弱與手指及電極間的距離成正比，位于觸摸屏幕后的控制器會計算電流的比例及強(qiáng)弱，準(zhǔn)確算出觸摸點的位置。其特點為觸摸準(zhǔn)確度較高，抗干擾能力較強(qiáng)（但怕靜電干擾）。主要代表為美國ＭｉｃｒｏＴｏｕｃｈ公司。

４．紅外線觸屏

該技術(shù)是指通過紅外線發(fā)射與接收感測元件在透明介質(zhì)上形成紅外線探測網(wǎng)，利用觸摸體阻隔紅外線的工作方式進(jìn)行坐標(biāo)點測定工作的技術(shù)?，F(xiàn)在的紅外觸屏在技術(shù)性能參數(shù)上已基本達(dá)到其他觸屏的水平。紅外線式觸屏安裝簡單，只需為顯示器加上光點距架框，無需在屏幕表面加上涂層或接駁控制器。光點距架框的四邊排列了紅外線發(fā)射管及接收管，在屏幕表面形成一個紅外線網(wǎng)。用戶以手指觸摸屏幕某一點，便會擋住經(jīng)過該位置的橫豎兩條紅外線，計算機(jī)便可即時算出觸摸點位置。外界光線變化，如陽光或室內(nèi)射燈等均會影響紅外線觸屏的準(zhǔn)確度，且它不防水及污物，甚至細(xì)小的外來物也會導(dǎo)致誤差，不適宜放置于戶外。