车载液晶显示屏设计方案.doc

1、车载液晶显示屏设计方案第 1 页车载液晶显示屏设计方案我 国 经 济 的 快 速 发 展 和 国 民 生 活 水 平 的 显 著 提 高 ，汽 车 已 进 入 寻 常 百 姓 家 ， 更 多 的 人 对 于 汽 车 的 性 能及 舒 适 性 要 求 更 高 ， 以 前 人 们 习 惯 于 通 过 传 统 汽 车 的机 械 式 仪 表 盘 来 读 出 汽 车 的 各 项 数 据 （ 如 时 速 、 油耗 、 里 程 数 等 等 ） ， 而 现 在 随 着 科 技 的 创 新 和 通 信 网络 的 快 速 发 展 ， 人 们 需 要 更 直 观 、 更 现 代 化 的 终 端显 示 设 备 来 满

2、 足 人 们 的 即 时 通 信 ， 导 航 以 及 娱 乐 。 因此 车 载 液 晶 显 示 屏 便 呼 之 欲 出 ， 以 它 特 有 的 轻 便 、低 耗 能 以 及 彩 色 化 的 特 点 应 用 于 汽 车 上 取 代 老 式 机 械显 示 ， 实 现 数 字 化 显 示 功 能 ， 如 中 高 档 车 上 的 行 车 电脑 显 示 屏 ， 用 于 显 示 汽 车 的 平均油耗，瞬时油耗，室外温度，平均车速，驾驶时间，单次行驶里程，保养里程，导航以及多媒体娱乐。下 面 从 三 个 方 面 来 阐 述 车载 液 晶 显 示 屏 的 设 计 思 路 。一 、 普 通 液 晶 显 示 屏

3、的 设 计 及 性 能液 晶 显 示 器 （ 以 下 简 称 “LCD”） 技 术 正 在 不 断发 展 和 产 业 也 在 不 断 壮 大 ， 以 及 它 体 积 小 、 易 携 带 、功 耗 小 等 特 点 ， 已 经 越 来 越 被 人 们 所 熟 悉 和 使 用 ， 更多 的 电 子 设 备 上 都 会 带 有 各 种 显 示 功 能 的 LCD 产 品 。LCD 从 液 晶 分 子 的 扭 曲 角 度 可 分 为 TN、 STN， 从LCD 所 显 示 的 图 形 上 可 分 为 笔 段 式 和 点 阵 式 等 ， 从 连接 方 式 上 可 分 为 COB、 TAB、 COG 等 。

4、 我 主 要 说 明的 是 STN 的 基 本 结 构 及 显 示 原 理 ， 因 为 目 前 STN 是市 场 上 主 流 产 品 ， 基 于 STN 产 品 演 变 的 产 品 也 很 多 ，比 如 使 用 液 晶 膜 的 ASTN， 使 用 两 层 STN 盒 的 DSTN产 品 及 使 用 染 料 液 晶 的 ESTN 产 品 。 下 面 的 车 载 液 晶显 示 屏 材 料 选 择 奠 定 基 础 。车载液晶显示屏设计方案第 2 页（ 一 ） STN 的 基 本 结 构STN(Supper Twisted Nematic) 超扭曲向列型，其显示效果见图 1，STN 能够实现单色显示，

5、 图 1 STN 产品显示效果其与 TN-LCD 的结构相似（图 2） ，不同的是它的扭曲角不是 900， 而是在 180270 之间。图 2 STN 显示器的基本结构（ 二 ） STN 的 显 示 原 理STN 相 对 于 TN 表 面 上 看 仅 仅 使 增 加 了 液 晶 分 子的 扭 曲 角 ， 但 实 际 上 却 远 非 如 此 ， 因 为 增 大 的 扭 曲 角 ，使 得 液 晶 的 另 一 种 特 性 呈 现 出 来 ， 就 是 前 面 我 提 到 的双 折 射 性 。 外 界 光 线 入 射 上 偏 光 片 之 后 变 成 一 束 线 偏振 光 ， 但 是 线 偏 振 光 在

6、经 过 液 晶 分 子 层 的 时 候 不 再 仅仅 是 扭 曲 偏 振 方 向 了 ， 而 是 分 解 为 两 束 光 线 寻常 光 和 非 寻 常 光 ， 这 两 束 光 线 在 出 射 的 时 候 互 相 干 涉 ，从 而 使 得 STN LCD 在 不 加 电 的 时 候 总 是 呈 现 出 一 定的 底 色 （ 比 如 绿 色 和 蓝 色 ） 。 因 此 可 以 看 出 ， STN LCD 和 显 示 原 理 和 TN LCD 是 从 根 本 上 完 全 不 同 的 ，车载液晶显示屏设计方案第 3 页它 利 用 了 液 晶 的 双 折 射 性 。二 、 车 载 液 晶 显 示 屏 设

7、 计 的 液 晶 屏 材 料 选 择车 载 液 晶 显 示 屏 基 于 彩 色 化 的 趋 势 ， 在 设 计 时 考虑 使 用 两 种 能 实 现 彩 色 显 示 的 液 晶 显 示 器 ： CSTN 和TFT 显 示 器 。 因 为 这 两 种 显 示 器 的 技 术 较 为 成 熟 ，而 且 可 实 现 大 批 量 生 产 。1.CSTN 的 显 示 原 理 及 性 能 特 点CSTN (Color STN） 就 是 将 STN LCD 的 彩 色 化 。所 以 其 结 构 与 STN 基 本 一 致 ， 前 面 已 经 介 绍 过 STN结 构 ， 这 里 着 重 说 明 CSTN 的

8、 显 示 原 理 及 设 计 性 能 。(1)CSTN 的 显 示 原 理CSTN 就 是 将 一 个 FSTN 屏 加 上 一 层 彩 膜 。 用 RGB三 个 像 素 点 来 组 成 一 个 显 示 像 素 点 。 FSTN 产 品 基 于STN 原 理 制 作 ， 为 了 消 除 STN LCD 的 底 色 利 用 一 个完 全 一 样 ， 但 是 旋 向 相 反 的 两 个 STN LCD 盒 叠 加 在一 起 ， 使 得 互 相 干 涉 的 两 束 光 线 又 互 相 补 偿 回 来 ， 从而 实 现 黑 白 显 示 ， 这 就 是 DSTN（ Double STN） ， 但是 DS

9、TN 的 造 价 太 高 了 ， 于 是 我 们 想 到 用 一 层 碘 分 子的 定 向 扭 曲 来 模 拟 一 个 液 晶 盒 ， 这 样 就 用 一 层 薄 膜（ 位 相 差 板 ） 替 代 了 一 个 液 晶 盒 ， 从 而 实 现 黑 白 显 示 ，这 种 叫 做 FSTN（ Film STN） 。 到 目 前 为 止 ， 可 以 说 所有 的 黑 白 手 机 屏 全 部 都 是 FSTN 型 。 CSTN 将 FSTN 的这 层 位 相 差 板 制 成 彩 膜 就 实 现 了 彩 色 显 示 。 （ 见 图1） 车载液晶显示屏设计方案第 4 页图 2 CSTN 的 电 子 产 品

10、上 的 应 用(2)CSTN 的 性 能 特 点CSTN 继 承 了 STN LCD 所 有 的 优 点 ， 宽 视 角 ， 大容 量 显 示 ， 缺 点 是 响 应 速 度 慢 ， 因 为 多 路 驱 动 的 存 在使 得 STN 的 对 比 度 要 比 TN 下 降 很 多 。但 是 足 以 满 足 司 机 和 乘 客 对 彩 色 显 示 的 要 求 。.TFT 的基本结构、工作原理(1)TFT 的基本结构在 TFT-LCD 中，TFT 的功能就是电气开关。图 2 表示了 TFT 的平面图和截面图。这是三端器件。一般在玻璃基本上设有半导体层，在其两端有与之相连接的源极和漏极，并通过栅极绝缘

11、膜，与半导体层相对置，设有栅极。利用施加于栅极的电压 VR来控制源、漏电极间的电流。车载液晶显示屏设计方案第 5 页图 2 TFT 的基本结构(2)TFT 的电流-电压特性图 3 表示了在栅极施加正电压的状态下，TFT 厚度方向的能带。在半导体层的绝缘膜界面的导带产生被栅极电压感应的受激电子存储层。设栅极绝缘膜电容为COX，那么，受激电荷量 QCh为QCh=COX(Vgs-Vth)图 3 在导通状态下的 TFT 能带图其中，V gs为栅极和源极间的电位差，V th为电荷对半导体层导带的起始受激电压，叫做阈值电压。受激至导带的电子叫做载流子，因源极、漏极间的电压 Vds而车载液晶显示屏设计方案第

12、 6 页移动到半导体层中，成为电流。在 TFT 中的电流 Ids为Ids=C OXW/L(Vgs-Vth)-Vds/2Vds (1.1)其中， 为载流子的迁移率，V ds为漏极、源极间的电压，W 为 TFT 的沟道宽度，L 为沟道长度，那么式(1.1)变换为下式：当(V gs-Vth)V ds时,I ds=C OXW/ L(Vgs-Vth)Vds (1.2)当(V gs-Vth)V ds时,I ds=C OXW/ L(Vgs-Vth)2/2 (1.3)将 Vgs-Vth=Vds状态称为夹断，在此以上的漏电极区 Ids成为恒值饱和状态。夹断状态是当漏极端栅极与半导体层间电位差正好为 Vth时。在

13、大于它的 Vds下，在半导体层形成不受激载流子的耗尽层。在漏极电压中，将超过夹断电压的电压分量施加于耗尽层，耗尽层端随着Vds的上升，缓慢向源极方向移动。此时，从源极向耗尽层区注入的载流子被耗尽层区的高电场加速而流入漏极。当 VgsV th时为断开区；V gsV th时为导通区。以上说明了载流子为电子时的情况，若为空穴，则改变电压的符号，即可同样处理。一般称前者为 n 型 TFT；而后者称其为 p 型 TFT。主 要 特 点 是 ： （ 1） 使 用 特 性 好 ： 低 压 应 用 ， 低 驱 动 电 压 ， 固体 化 使 用 安 全 性 和 可 靠 性 提 高 ； 平 板 化 ， 又 轻 薄

14、 ， 节省 了 大 量 原 材 料 和 使 用 空 间 ； 低 功 耗 ， 它 的 功 耗 约 为CRT 显 示 器 的 十 分 之 一 ， 反 射 式 TFT-LCD 甚 至 只 有 CRT 的 百 分 之 一 左 右 ， 节 省 了 大 量 的 能 源 ； TFT-LCD产 品 还 有 规 格 型 号 、 尺 寸 系 列 化 ， 品 种 多 样 ， 使 用 方便 灵 活 、 维 修 、 更 新 、 升 级 容 易 ， 使 用 寿 命 长 等 许 多特 点 。 显 示 范 围 覆 盖 了 从 1 英 寸 至 40 英 寸 范 围 内 的所 有 显 示 器 的 应 用 范 围 以 及 投 影

15、大 平 面 ， 是 全 尺 寸 显车载液晶显示屏设计方案第 7 页示 终 端 ； 显 示 质 量 从 最 简 单 的 单 色 字 符 图 形 到 高 分 辨率 ， 高 彩 色 保 真 度 ， 高 亮 度 ， 高 对 比 度 ， 高 响 应 速 度的 各 种 规 格 型 号 的 视 频 显 示 器 ； 显 示 方 式 有 直 视 型 ，投 影 型 ， 透 视 式 ， 也 有 反 射 式 。 （ 2） 环 保 特 性 好 ： 无 辐 射 、 无 闪 烁 ， 对 使 用 者的 健 康 无 损 害 。 特 别 是 TFT-LCD 电 子 书 刊 的 出 现 ，将 把 人 类 带 入 无 纸 办 公 、

16、 无 纸 印 刷 时 代 ， 引 发 人 类 学习 、 传 播 和 记 栽 文 明 方 式 的 革 命 。 （ 3） 适 用 范 围 宽 ， 从 -20 到 +50 的 温 度 范 围内 都 可 以 正 常 使 用 ， 经 过 温 度 加 固 处 理 的 TFT-LCD低 温 工 作 温 度 可 达 到 零 下 80 。 既 可 作 为 移 动 终 端显 示 ， 台 式 终 端 显 示 ， 又 可 以 作 大 屏 幕 投 影 电 视 ， 是性 能 优 良 的 全 尺 寸 视 频 显 示 终 端 。 （ 4） 制 造 技 术 的 自 动 化 程 度 高 ， 大 规 模 工 业 化生 产 特 性

17、好 。 TFT-LCD 产 业 技 术 成 熟 ， 大 规 模 生 产 的成 品 率 达 到 90%以 上 。 （ 5） TFT-LCD 易 于 集 成 化 和 更 新 换 代 ， 是 大 规 模半 导 体 集 成 电 路 技 术 和 光 源 技 术 的 完 美 结 合 ， 继 续 发展 潜 力 很 大 。 目 前 有 非 晶 、 多 晶 和 单 晶 硅 TFT-LCD， 将 来 会 有 其 它 材 料 的 TFT， 既 有 玻 璃 基 板 的 又有 塑 料 基 板 。2 TFT-LCD 系 统 的 一 般 结 构 TFT-LCD 系 统 由 两 个 部 分 组 成 ： LCD 控 制 模 块

18、 和LCD 面 板 模 块 。 实 际 应 用 中 液 晶 面 板 又 分 两 种 ， 传 统面 板 和 智 慧 整 合 型 面 板 ， 结 构 如 图 1 所 示 。 车载液晶显示屏设计方案第 8 页图 1 TFT-LCD 系 统 结 构 框 图TFT-LCD Monitor 系 统 包 括 模 数 转 换 器 ， 处 理 PC 显卡 输 出 的 模 拟 信 号 、 数 字 视 频 接 口 、 视 频 解 码 器 (处理 视 频 信 号 )、 TMDS 接 收 器 、 在 屏 显 示 、 控 制 单 元 、时 序 控 制 器 、 背 光 Source 驱 动 器 、 Gate 驱 动 器 等

19、 组成 。 TFT-LCD 显 示 器 工 作 时 ， 前 端 部 分 的 控 制 电 路 模块 主 要 工 作 是 将 PC 主 机 或 是 影 音 装 置 (如 DVD Player)输 出 的 讯 号 进 行 转 换 ， 例 如 由 PC 显 示 卡 输 出 的模 拟 讯 号 ， 经 由 ADC 组 件 的 转 换 ， 成 为 数 字 讯 号 ； 类似 地 ， 影 音 讯 号 则 经 由 Video Decoder 的 转 换 ， 成为 相 同 的 数 字 讯 号 ， 这 些 讯 号 再 经 过 Scaler IC 作放 大 或 缩 小 的 动 作 ， 并 进 行 数 字 影 像 处 理

20、 ， 再 由 cable 线 传 输 讯 号 到 液 晶 模 块 ， 然 后 通 过 时 序 控 制 器 产生 所 需 要 的 时 序 控 制 信 号 驱 动 纵 向 的 驱 动 IC 和 横 向的 驱 动 IC， 其 中 纵 向 的 驱 动 IC 负 责 控 制 数 据 的 写 入， 由 横 向 的 驱 动 IC 控 制 晶 体 管 的 开 /关 ， 并 配 合 其它 组 件 ， 如 供 电 模 块 ， 即 可 正 确 显 示 图 像 。三 、 车 载 液 晶 显 示 屏 设 计 的 关 键 技 术（ 1） 高 对 比 度 、 宽 视 角 的 实 现 VA 技 术车载液晶显示屏设计方案第 9

21、 页车 载 液 晶 显 示 屏 利 用 VA 技 术 研 发 出 的 车 载 液 晶显 示 屏 具 有 高 对 比 度 、 宽 视 角 、 快 速 响 应 时 间 的 特 点 ，让 车 内 的 乘 客 从 任 意 位 置 均 可 清 楚 地 观 察 汽 车 的 运 行情 况 （ 见 图 1） 。图 1因 此 ， 利 用 广 视 角 技 术 （ VA 技 术 ， 见 图 2） 增加 可 视 角 范 围 ， 满 足 车 内 乘 客 从 各 个 角 度 来 清 晰 观 察汽 车 行 驶 的 状 态 。 此 外 ， 车 载 液 晶 显 示 屏 还 应 用 液 晶膜 温 度 补 偿 技 术 。开 关 电

22、 压 下 液 晶 盒 内 液 晶 分 子 排 列车载液晶显示屏设计方案第 10 页图 2在 VA 技 术 中 ， 其 液 晶 分 子 的 长 轴 在 未 加 电 时 不像 传 统 的 TN 模 式 的 分 子 那 样 平 行 于 屏 幕 上 ， 而 垂 直于 屏 幕 上 ， 而 且 每 个 像 素 都 是 由 多 个 这 种 垂 直 取 向 的液 晶 分 子 畴 组 成 。 当 电 压 加 到 液 晶 上 时 ， 液 晶 分 子 向各 个 不 同 方 向 偏 转 ， 这 样 从 不 同 的 角 度 观 察 屏 幕 都 可以 得 到 相 应 方 向 上 的 补 偿 ， 也 就 改 善 了 可 视

23、 角 度 。（ 见 图 3）图 3 采 用 VA 技 术 的 显 示 屏 与 传 统 显 示 屏 可 视 角度2. 多 功 能 实 现 -ECU 技 术为 了 车 载 液 晶 显 示 屏 在 人 机 对 话 方 面 做 的 更 加 细致 ， 利 用 ECU（Electronic Control Unit）电子控制车载液晶显示屏设计方案第 11 页单元，又称“行车电脑” 、 “车载电脑”等。从用途上讲则是汽车专用微机控制器，也叫汽车专用单片机。它和普通的单片机一样,由微处理器（CPU） 、存储器（ROM、 、RAM） 、输入/输出接口（I/O） 、模数转换器（A/D）以及整形、驱动等大规模集成电

24、路组成。电控单元的功用是根据其内存的程序和数据对空气流量计及各种传感器输入的信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，向喷油器提供一定宽度的电脉冲信号以控制喷油量。电控单元由微型计算机、输入、输出及控制电路等组成。 ， 将 诸 如 室 外 温 度 、 当 前 速 度 瞬 时 油 耗 、 平均 速 度 、 平 均 油 耗 、 剩 余 油 量 可 行 驶 里 程 、 简 单 方 向指 南 等 行 驶 数 据 集 中 在 显 示 屏 中 清 楚 显 示 出 来 。3. 温 度 补 偿 技 术基 于 汽 车 产 品 全 天 候 的 工 作 特 点 ， 在 研 发 车载液晶显示屏时考虑到产品必须具有良好的

25、可靠性，因此运用液晶膜的温度补偿技术，通过测试和反复实验，使得车载液晶显示屏能在各温度下的显示对比度均好于传统液晶显示器（见图 4） ，并且让显示屏能在超宽温度下正常工作（见图 5） 。车载液晶显示屏设计方案第 12 页图 4 车载液晶屏与传统液晶屏对比度温度对比曲线图 5 各温度下显示屏的显示效果车载液晶显示屏目前可应用 1/9duty 的广视角产品满足市场需求，将来还会研发出 1/64duty 产品冲击高端技术产品市场，此外亚世的车载液晶显示屏还具有高对比度，高亮度，高品质画面的特点（见图 6） 。图 6 车 载 液 晶 显 示 屏 的 高 品 质 画 面车载液晶显示屏设计方案第 13 页参考文献：1 液晶显示应用技术李维諟 郭强 编著 电子工业出版社 2003.22液晶与显示 科学出版社 2005.6 第 20 卷