ماذا لو لم يتم اختراع TFT؟ مصفوفة CSTN LCD

دخول

عندما تسود شاشات CRT ، تم طرح الوسيطة التالية في مصلحتها: على الرغم من كل التحسينات ، لن تتفوق شاشات LCD أبدًا على جودة عرض الأنبوب في جودة الصورة. سيجدون ، كما كان من قبل ، التطبيق فقط عندما تكون كفاءة الطاقة وسمك صغير مطلوبين [1]. لقد مرت عقود ، والآن نعرف ما إذا كان مؤيدو هذه الحجة على حق. ولكن من المثير للاهتمام اليوم أن ننظر إلى شاشات الكريستال السائل في ذلك الوقت: هل هي حقا ذات جودة رديئة؟ كيف يبدو أن ننظر إلى مصفوفة CSTN في عام 2019؟



اليسار TFT ، CSTN الصحيح ، وكلاهما يعرض من التسعينات

شاشات الكريستال السائل في القرن الماضي

قبل التبديل إلى TFT ، تم استخدام مجموعة متنوعة من تقنيات العرض في أجهزة الكمبيوتر المحمولة. في البداية ، استخدموا شاشات CRT نفسها كما في أجهزة كمبيوتر سطح المكتب ، فقط أصغر منها. على سبيل المثال ، في Compaq Portable (1983) أو IBM 5155 (1984) أو Commodore SX-64 (1984 أيضًا).



IBM 5155 ، المؤلف: Soupmeister ، مرخص: CC-BY-SA-2.0 ، من هنا

كان حمل مثل هذا الكمبيوتر معك في كل مكان أمرًا صعبًا ، وهو شيء مختلف تمامًا - جهاز كمبيوتر محمول مزود بشاشة TN-LCD (تويست نيماتيك) ، على سبيل المثال ، IBM 5140 (1986) و Toshiba T1000 (1987). هذه العروض لها تباين منخفض وزاوية المشاهدة.



توشيبا T1100 مع شاشة أحادية اللون TN ، مؤلف: Johann H. Addicks ، ترخيص: GFDL ، وبالتالي الرابط مكسور ، في النص الأصلي أيضًا

جربت بعض الشركات المصنعة مصفوفات تصريف الغاز ، حيث رأى Toshiba T3200 (1987) و IBM PS / 2 P70 (1991) النور. لقد وفروا تباينًا عاليًا ودرجات متعددة من سطوع الضوء الأحمر البرتقالي ، لكنها كانت باهظة الثمن. أخيرًا ، تم تطوير STN-LCDs (عزم الدوران الخارق) ، على سبيل المثال ، في Electronics MC1504 ونموذجها الأولي Toshiba T1100. كان التباين أفضل بكثير - من 1: 5 إلى 1:50 ، وكانت عدة درجات من السطوع كافية لتطبيقات الأعمال (استخدام كمبيوتر محمول في الحياة اليومية كان باهظ الثمن). ولكن ماذا لو أراد المستخدم صورة ملونة؟ في هذه الحالة ، عُرض عليه تقنيتان: TFT و CSTN (عديم اللون ذو اللون الفائق). تم تقديم أول كمبيوتر محمول مزود بـ TFT - NEC PC9801NC - في عام 1990 ، وكانت جودة الصورة في تلك السنوات أعلى من الثناء ، لكنها تكلف "مثل هذه اللعبة" أغلى بكثير من أجهزة الكمبيوتر المحمولة الأخرى باهظة الثمن. حسنًا ، شاشة CSTN هي مجرد شاشة STN ، يتم تركيب المرشح عليها. لفترة طويلة ، استخدمت أجهزة الكمبيوتر المحمولة مصفوفات من كلا النوعين. وفي مترو نيويورك ، لا يزال مراقبو CSTN يعملون.



واحد منهم ، المصدر: العبور + PLUS

CSTroN

أراد المؤلف أن ينظر إلى شاشة CSTN. كيف؟ بالنسبة للمبتدئين ، ما عليك سوى شراء جهاز كمبيوتر محمول قديم واستخدامه. اتضح أنه معالج AMD 5x86-P133. وهذا هو ، الشيء الأكثر ديناميكية الذي يمكنك تشغيله عليه هو ألعاب DOS (حسناً ، MPEG1 ستسحب QV - مترجم في البرنامج). بالطبع ، لعبهم رائع ، لكنني أردت أن أرى كيف يوتيوب ، على سبيل المثال ، أو لعبة حديثة تبدو على مثل هذا العرض - لكن هذا مستحيل.

أو؟

بشكل عام ، تحتاج إلى إضافة إدخال VGA أو HDMI بطريقة أو بأخرى - ويمكنك إرسال إشارة من شيء حديث. يتم إعادة تشكيل شاشات TFT من أجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى شاشات في كثير من الأحيان. مجرد شراء لوحة تتناسب مع المصفوفة - والانتهاء من ذلك. ويمكنك إنشاء بادئة خاصة بك على FPGA ، والتي تحول إشارة VGA أو HDMI إلى دفق بيانات بكسل.

ذات مرة ، كانت هناك أيضًا لوحات منتجة لتحويل مصفوفات CSTN إلى شاشات VGA ، لكن هذا لم يعد موجودًا. ولكن يمكنك تكييف لوحة التصحيح لـ FPGA ML505 لهذا الغرض.



النتيجة النهائية. من غير المعتاد ملاحظة ذلك على شاشة CSTN: 16 جيجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي.

إدارة المصفوفة

لنبدأ بالأساسيات. مثل أي شاشة عرض مصفوفة ، تحتوي شاشة CSTN على صفوف وأعمدة. هل سبق لك أن تسيطر على مصفوفة LED من متحكم؟ هو نفسه هنا ، لكن الفولتية متغيرة. تحتاج إلى تطبيق إشارات معينة على كل من الصفوف والأعمدة المحددة وغير المحددة - وسيعرض البيكسل عند تقاطع الصف والعمود المحدد ما تحتاجه. شكل الإشارات معقد للغاية ، القيمة المتوسطة للجهد ، إزاحة الطور بين الفولتية في الصف والعمود ، والإزاحة ... وهكذا ، يتم تشكيل صورة بكسل.

لحسن الحظ ، ليست مطلوبة FPGAs لتوليد كل هذه الإشارات ، وحتى على هذا العدد الهائل من الخطوط. كل هذا يتم بواسطة الوحدة المدمجة في الشاشة. هناك ، يزيد محول النبض من الجهد الثابت ، ويمر عبر الفاصل والمكرر ، وبالتالي يتم الحصول على جهد التحيز. تقوم برامج تشغيل الصفوف والأعمدة بتحويل هذا الجهد إلى متغير بالشكل المطلوب. كل ما هو مطلوب هو إرسال دفق من بيانات حالة البكسل إلى وحدة العرض.

على شاشة TFT-LCD مع واجهة DPI (واجهة متوازية رقمية) ، تصل جميع البيانات حول بكسل واحد دفعة واحدة في دورة واحدة. على خط التزامن الأفقي والإطار ، يتم استقبال نبضات بعد كل سطر وإطار ، على التوالي. يتم نقل البكسل ببساطة بشكل مستمر سطراً تلو الآخر. إذا استغرق انتقال الإطار الكامل 1/60 ثانية ، فإن معدل التحديث هو 60 هرتز. يساوي عرض ناقل البيانات عمق الألوان بالبت ، وعادة ما يكون 16 (5 بت للأحمر والأزرق ، 6 للخضراء) ، 18 (6 بت لكل لون) ، أو 24 (8 بت لكل لون). LVDS هو نفس الشيء ، لا يتم إرسال البتات فقط بالتوازي ، ولكن بالتتابع في أزواج تفاضلية ، ولكن في MIPI DSI يتم دمجها أيضًا في حزم. يسمح لك ناقل SPI / i80 بنقل الأوامر المختلفة إلى وحدة التحكم ، وهذا ، عند تنفيذها ، يولد إشارات لإدارة شؤون الإعلام أو واجهة مشابهة. والذي ، بدوره ، يشبه إلى حد ما VGA ، يتم تلقي البيانات فقط عن سطوع كل من الألوان ليس في التناظرية ، ولكن في شكل رقمي. هناك محولات VGA إلى DPI والعكس. اللوحات مريحة للغاية ، مما يسمح لك باستقبال إشارة VGA من Raspberry Pi ، على الرغم من أن هذا الكمبيوتر في البداية ينتج فقط HDMI والفيديو المركب.

يجب توفير إشارات مشابهة إلى حد كبير لتلك الموردة إلى مصفوفة TFT مع واجهة DPI إلى وحدة عرض مصفوفة CSTN. تُظهر ورقة البيانات على SX21V001 [2] كيفية التحكم في عرض CSTN بدقة 640 × 480:



هذا يدل على نقل الإطار بأكمله. تصل الإشارة على الخط CL1 بعد كل سطر ، على FLM بعد كل إطار. وهناك حافلة البيانات من 16 خطوط. في الواقع ، حدث خطأ في هذا الشكل: أثناء إرسال الخطين الأول والثاني ، يتم استلام البيانات Y1 و Y2 ، وليس X1 و X2 ، ولكن Y140 و Y242 ، على التوالي ، يتم استلامهما على الخطوط UD0-UD7. هنا U و L ، على التوالي ، العلوي والسفلي ، أي أن الشاشة تتكون من مصففتين بدقة 640 × 240 ، وتقع واحدة فوق الأخرى. ومن هنا ، "المسح المزدوج" الغامض من إعلان كمبيوتر محمول قديم ، يأتي منه شريط أفقي عبر الشاشة بأكملها. بالنسبة لشاشات العرض STN و CSTN ، فإن التباين يتناسب عكسياً مع عدد الخطوط ، لذلك يسمح هذا الفصل بزيادةه. ولكن ليست هذه هي الطريقة الوحيدة التي تختلف بها في الطريقة التي يتم التحكم بها من TFT.



ليس من الواضح سبب تسمية المحور الأفقي Y ... ولكن على أي حال ، CL2 هنا عبارة عن خط لتزويد نبضات الساعة التي تعمل على تبديل البكسل. لكن حافلات UD و LD في دورة واحدة لا تنقل البيانات حول بكسل واحد متعدد البتات ، كما هو الحال في TFT ، ولكن البيانات حول عدة بكسل في وقت واحد ، ثلاثة بت لكل منهما. بت واحد لكل لون ، وثلاث بت لكل بكسل - ثمانية ألوان في المجموع.



لكن كيف ذلك؟ من الواضح أن شاشات العرض CSTN لها ألوان قليلة ، على سبيل المثال ، 4096 أو 32768 ، ولكن ليس 8. اتضح أن يتم تطبيق PWM هنا. يتم التحكم في LEDs بهذه الطريقة ، مما يعني أن وحدات البكسل LCD ممكنة. تحتاج ، على سبيل المثال ، إلى سطوع بنسبة 50 ٪ - قم بتشغيل البكسل في إطارات متساوية وقم بإيقاف تشغيله في إطارات فردية. تسمى هذه الطريقة FRC (التحكم في معدل الإطارات) ، ولكن PWM في هذا السياق تسمى التحكم في سطوع البكسل بنفس الطريقة ، ولكن ضمن إطارين أو أكثر ، ولكن واحد. يقوم FRC بتنفيذ جهاز خارجي ، ويقوم PWM بتنفيذ شرائح وحدة العرض ، إذا كان هناك دعم لهذه الوظيفة. لا يعرف المؤلف عرض CSTN باستخدام PWM ، لكنه يشير إلى أنها مصفوفات من نوع HPA. في أي حال ، نظرًا لعدم توفر PWM ، يمكن الحصول على عمق اللون الضروري باستخدام FRC.



سيكون الخفقان هو سعر ذلك ، لذلك يمكن العثور على معدلات إطارات وحشية (مقارنةً بـ TFT) في شاشات CSTN. على سبيل المثال ، كان في هذه الوحدة 120 هرتز في البداية ، وقد رفعها المؤلف إلى 240.

كيف تم تنفيذه

واجه المطور عدة صعوبات مرة واحدة:

- إشارة الدخل لديها معدل الإطار 60 هرتز ، يجب مضاعفة أو حتى أربعة أضعاف

- في إشارة الدخل ، لا يتم تقسيم الإطار إلى النصفين العلوي والسفلي لكل منهما 640 × 240 بكسل ، ولكن من الضروري هنا تقسيم

- تحتاج أيضًا إلى تطبيق FRC ، وإلا سيكون عمق اللون 3 بت لكل بكسل

النقطتان الأوليتان تعنيان أن هناك حاجة إلى أداة إزالة الإطارات ، وليست بسيطة ، ولكن ذات منفذين. حسنًا ، تم حل المهمة الثالثة باستخدام GLDP LUT (جدول البحث بنمط العرض على مستوى تدرج الرمادي) [3]. يحتوي جدول البحث على نوعين من بيانات الإدخال: اللون الذي سيتم عرضه وحالة عداد الإطار. ونوع واحد من الإخراج: تلك البتات الثلاثة التي تحتاج إلى إرسالها إلى البكسلات الفرعية لبكسل معين في لحظة معينة. لذلك ، ستكون العقد التالية مطلوبة:



أول شيء فعله هو ملء الشاشة بأكملها مع بعض الألوان. في هذه المرحلة ، ليس من الضروري معرفة مكان وجود البيكسل ، يكفي التأكد من أن وحدة العرض تقدم إشارات الشكل اللازمة للمصفوفة. رمز لملء FPGA هنا .



حاول الآن إبراز شيء ما ، وبسطوع غير كامل. تبحث عن جداول البحث FRC لتقليل وميض. أتى المؤلف بجدولين مطبقتين على وحدات البكسل في نموذج رقعة الشطرنج. لذلك ، تومض كل اثنين من وحدات البكسل المجاورة بشكل غير متزامن. الكود هنا .



لذلك ، قمنا بالفعل "بتدريس" اللوحة لعرض الصورة ، والشيء التالي الذي سيكون مطلوبًا هو أداة تثبيت الإطارات. عند 640 × 480 و 5 بت لكل لون ، سيكون حجمه حوالي 600 كيلو بايت. ليس كثيرا ، ولكن الكثير في FPGAs. حسنًا ، تحتوي اللوحة على ذاكرة RAM مثل DDR2 و Xilinx MIG للتحكم فيه. يتم تنفيذ FIFOs ، واحد للقراءة والآخر للكتابة. يقرر المحكم ما إذا كان تبادل البيانات التالي مع DDR2 للقراءة أو الكتابة. هناك نوعان من المخازن المؤقتة ، يذهب السجل إلى واحد ، والقراءة من الآخر ، وعند تغيير الإطارات ، يغيرون الأماكن. كود المحكم هو هنا .

يبقى تنفيذ التقاط الفيديو ، في أحد المشاريع السابقة للمؤلف بالفعل وقت تشغيل مماثل ، بعد صقلها ، أصبح رمز المحول من VGA إلى DPI مثل هذا .

وماذا حدث؟

مشاهدته!


هذا هو مشروع FPGA الثالث للمؤلف ، كان من المثير للاهتمام العمل مع Xilinx MIG و DDR2 ، وكذلك مع ناقل بسيط. من الأفضل استخدام FRC مع تعديل دلتا سيغما ، بالإضافة إلى تجارب مع لوحات CSTN اللاحقة باستخدام تقنية HPA (معالجة عالية الأداء) من Sharp.

شكرا لاهتمامكم!

مصادر

1. Li، W.، & Guo، Q. (2000). تكنولوجيا تطبيق شاشات الكريستال السائل. بكين: الصحافة الصناعة الكهربائية.

2. هيتاشي (1999). SX21V001-Z4 مواصفات قبول العميل.

3. Hsueh ، Y. ، و Lee ، J. (2008). طريقة تحسين الصورة لوحدة تحكم معدل الإطار LCD. 2008 ندوة IEEE الدولية للإلكترونيات الاستهلاكية. Doi: 10.1109 / isce.2008.4559534