如果从未发明TFT怎么办？ CSTN矩阵LCD

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当CRT显示器大行其道时，提出了以下理由：尽管进行了所有改进，但LCD显示器在图像质量上永远不会超过管式显示器。 与以前一样，它们仅在需要节能和小厚度的地方才可以找到应用[1]。 几十年过去了，现在我们知道这种说法的支持者是否正确。 但是今天，看看那个时候的液晶显示器很有趣：它们真的是质量太差吗？ 看一下2019年的CSTN矩阵是什么样的？



左TFT，右CSTN都从90年代开始显示

上个世纪的LCD

在切换到TFT之前，便携式计算机使用了多种显示技术。 最初，他们使用与台式计算机相同的CRT监视器，只是较小的监视器。 例如，在Compaq Portable（1983），IBM 5155（1984）或Commodore SX-64（也是1984）中。



IBM 5155，作者：Soupmeister，许可：CC-BY-SA-2.0， 从此处开始

随身携带这样的PC很难，这是完全不同的事情-带有TN-LCD（扭曲向列）的笔记本电脑，例如IBM 5140（1986），Toshiba T1000（1987）。 这些显示器的对比度和视角低。



带有单色TN显示屏的Toshiba T1100，作者：Johann H. Addicks，许可证：GFDL， 因此，链接也被破坏了

一些制造商尝试使用气体排放矩阵，例如Toshiba T3200（1987）和IBM PS / 2 P70（1991）看到了曙光。 它们提供了高对比度和红橙色光的多个灰度等级，但是它们非常昂贵。 最后，例如在Electronics MC1504及其原型Toshiba T1100中开发了STN-LCD（超扭曲向列）。 对比度要好得多-从1：5到1:50，并且亮度的几个等级足以满足业务应用的需求（在日常生活中使用笔记本电脑仍然太昂贵了）。 但是，如果用户想要彩色图像怎么办？ 在这种情况下，为他提供了两种技术：TFT和CSTN（彩色超扭曲向列）。 1990年推出了第一台带有TFT的笔记本电脑-NEC PC9801NC，这些年来的图像质量令人赞叹不已，但是“这种玩具”的价格要比其他昂贵的笔记本电脑贵得多。 嗯，CSTN显示屏只是一个STN显示屏，上面叠加了一个过滤器。 长期以来，笔记本电脑都使用两种类型的矩阵。 在纽约地铁中，CSTN监视器仍然可以工作。



其中之一，来源： Transit + PLUS

顺创

作者想看一下CSTN的显示。 怎么了 对于初学者，只需购买一台旧笔记本电脑并使用它。 原来是AMD 5x86-P133处理器。 也就是说，可以在其上运行的最动态的东西是DOS游戏（哦，好吧，他将在QV程序中添加MPEG1-转换器）。 当然，玩它们很棒，但是我想看看例如YouTube或现代游戏在这种显示器上的样子-但这是不可能的。

还是？

通常，您需要以某种方式向其添加VGA或HDMI输入-并且您可以从现代设备发送信号。 笔记本电脑的TFT屏幕经常被改装成显示器。 只需购买与矩阵匹配的电路板，即可完成。 而且，您可以在FPGA上创建自己的前缀，以将VGA或HDMI信号转换为像素数据流。

曾几何时，还生产了用于将CSTN矩阵转换为VGA监视器的板，但是现在找不到了。 但是您可以为此使用调试板来安装FPGA ML505。



完成的结果。 在CSTN显示器上观察到这种现象非常不寻常：16 GB RAM。

矩阵管理

让我们从基础开始。 像任何矩阵显示器一样，​​CSTN显示器具有行和列。 您曾经通过微控制器控制过LED矩阵吗？ 这里是一样的，但是电压是可变的。 您需要将某些信号同时应用于选定和未选定的行和列-选定的行和列的交点处的像素将显示您所需要的。 信号的形状非常复杂，并且电压的均方值，行和列上的电压之间的相移以及偏移量...因此，逐个像素地形成图像。

幸运的是，即使在如此多的线路上，也不需要FPGA来生成所有这些信号。 所有这些都是通过显示器内置的模块完成的。 脉冲转换器在那里增加恒定电压，它通过分压器和中继器，从而获得偏置电压。 行和列驱动器将此电压转换为所需形状的变量。 所需要做的只是向显示模块提交像素状态数据流。

在具有DPI接口（数字并行接口）的TFT-LCD上，有关一个像素的所有数据将在一个周期内一次到达。 在水平和帧同步线上，分别在每一行和每一帧之后接收脉冲。 像素只是逐行，逐帧地连续传输。 如果全帧传输需要1/60 s，则刷新速率为60 Hz。 数据总线的宽度等于以位为单位的颜色深度，通常为16（红色和蓝色为5位，绿色为6），18（每种颜色为6位）或24（每种颜色为8位）。 LVDS是同一件事，只有位不是并行传输的，而是以差分对的顺序传输的，但是在MIPI DSI中，它们也被组合为数据包。 SPI / i80总线允许您将各种命令传输到控制器，并在执行这些命令时为DPI或类似接口生成信号。 反过来，这在某种程度上让人联想到VGA，它不是以模拟方式而是以数字方式接收每种颜色的亮度数据。 有VGA到DPI转换器，反之亦然。 板卡非常方便，可以让您从Raspberry Pi接收VGA信号，尽管最初该计算机仅产生HDMI和复合视频。

必须将与提供给具有DPI接口的TFT矩阵的信号非常相似的信号提供给CSTN矩阵的显示模块。 SX21V001 [2]上的数据表显示了如何控制640x480分辨率的CSTN显示：



这显示了整个帧的传输。 信号在每行之后到达线CL1，在每帧之后到达FLM。 并且有一条16条线的数据总线。 实际上，该图中出现了错误：在第一和第二行的传输期间，在UD0-UD7线上分别接收到数据Y1和Y2，而不是X1和X2，而是Y140和Y242。 这里的U和L分别是上，下，即，显示器由分辨率为640x240的两个矩阵组成，一个位于另一个之上。 这就是旧笔记本电脑广告中的神秘“双重扫描”，从中可以看到整个屏幕上的水平条。 对于STN和CSTN显示器，对比度与行数成反比，因此这种分隔可以增加对比度。 但这并不是它们控制TFT的唯一方式。



目前尚不清楚为什么将水平轴称为Y...。但是无论如何，CL2在这里是用于提供切换像素的时钟脉冲的线。 但是，在一个周期内，UD和LD总线不会像TFT中那样传输有关一个多位像素的数据，而是一次传输有关几个像素的数据，每个传输三位。 每种颜色一个位，每个像素三个位-总共八种颜色。



但是，如何呢？ 显然，CSTN显示器只有几种颜色，例如4096或32768，但没有8。 事实证明，此处应用了PWM。 通过这种方式控制LED，这意味着LCD像素是可能的。 例如，您需要50％的亮度-在偶数帧中打开像素，在奇数帧中关闭像素。 此方法称为FRC（帧速率控制），但在此上下文中，PWM以相同的方式称为像素亮度控制，但在两个或多个帧之内，但只有一个。 如果支持此功能，则FRC实现外部设备，PWM实现显示模块芯片。 作者不知道CSTN带PWM的显示器，但他建议这些是HPA型矩阵。 在任何情况下，由于PWM不可用，因此可以使用FRC获得必要的色深。



闪烁将是代价，因此在CSTN显示器中可以发现惊人的帧速率（与TFT相比）。 例如，该模块最初具有120 Hz，而作者将其超频至240。

实施方式

开发人员立即面临几个困难：

-输入信号的帧频为60 Hz，必须加倍甚至四倍

-在输入信号中，该帧没有分成上半部分和下半部分，每个半部分为640x240像素，但是在此有必要进行划分

-您还需要实现FRC，否则颜色深度将是每个像素3位

前两点意味着需要一个帧缓冲区，而不是简单的帧缓冲区，而是两个端口的帧缓冲区。 好吧，第三个任务是使用GLDP LUT（灰度级显示模式查找表）解决的[3]。 查找表具有两种类型的输入数据：要显示的颜色和帧计数器的状态。 一种输出：需要在给定时刻将这三个位提交给给定像素的子像素。 因此，将需要以下节点：



首先要做的是用某种颜色填充整个屏幕。 在此阶段，无需知道哪个像素位于哪里，就足以确保显示模块将必要的形状信号传递到矩阵。 填写FPGA的代码在这里 。



现在尝试带出一些东西，并且亮度也不完整。 寻找FRC查找表以最大程度地减少闪烁。 作者提出了两个应用于棋盘图案像素的表格。 因此，每两个相邻像素异步闪烁。 代码在这里 。



因此，我们已经“教过”板子来显示图像，接下来需要的是帧缓冲区。 在640x480和每种颜色5位的情况下，其容量约为600 KB。 FPGA中不多，但很多。 嗯，该板上有用于控制它的RAM，例如DDR2和Xilinx MIG。 实现了两个FIFO，一个用于读取，一个用于写入。 仲裁器决定是否与DDR2进行下一次数据交换。 有两个缓冲区，记录进入一个缓冲区，从另一个缓冲区读取，并且在更改帧时，它们会更改位置。 仲裁代码在这里 。

它仍然要实现视频捕获，在以前的项目之一中，作者已经具有相似的工作时间，经过细化，从VGA到DPI的转换器的代码变得像这样 。

发生了什么事？

看吧！


这是作者的第三个FPGA项目，与Xilinx MIG和DDR2以及一个简单的传送器一起工作很有趣。 计划使用delta sigma调制的更好的FRC，以及使用Sharp的HPA（高性能寻址）技术的后来CSTN面板的实验。

感谢您的关注！

资料来源

1. Li W.，＆Guo，Q.（2000）。 液晶显示应用技术。 北京：电机工业出版社。

2. HITACHI（1999年）。 SX21V001-Z4客户的验收规格。

3. Hsueh，Y.，＆Lee，J.（2008）。 LCD帧速率控制器的图像改善方法。 2008 IEEE消费电子国际研讨会。 doi：10.1109 / isce.2008.4559534