LCD—STM32液晶显示（1.显示器简介及LCD显示原理）（6000字详细介绍）

目录

显示器简介

液晶显示器

液晶

像素

液晶屏缺点

LED显示器

OLED显示器

显示器的基本参数

STM32板载液晶控制原理（不带微控制器）

液晶控制原理

控制信号线(不带液晶控制器)

液晶数据传输时序

显存

总结

3.2寸液晶屏介绍（搭载液晶控制器）

3.2寸电阻触摸屏实物

ILI9341液晶控制器简介

3.2寸液晶原理图

液晶屏的信号线及8080时序

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显示器简介

        显示器属于计算机的I/O设备，即输入输出设备。它是一种将特定电子信息输出到屏幕上再反射到人眼的显示工具。常见的有CRT显示器、液晶显示器、LED点阵显示器及OLED显示器。

液晶显示器

        液晶显示器，简称LCD(Liquid Crystal Display)，相对于上一代CRT显示器(阴极射线管显示器)，LCD显示器具有功耗低、体积小、承载的信息量大及不伤眼的优点，因而它成为了现在的主流电子显示设备，其中包括电视、电脑显示器、手机屏幕及各种嵌入式设备的显示器。

        液晶电视与CRT电视的外观对比，很明显液晶电视更薄，“时尚”是液晶电视给人的第一印象，而CRT 电视则感觉很“笨重”。

液晶

        液晶是一种介于固体和液体之间的特殊物质，它是一种有机化合物，常态下呈液态，但是它的分子排列却和固体晶体一样非常规则，因此取名液晶。如果给液晶施加电场，会改变它的分子排列，从而改变光线的传播方向，配合偏振光片，它就具有控制光线透过率的作用，再配合彩色滤光片，改变加给液晶电压大小，就能改变某一颜色透光量的多少。

像素

        利用液晶控制的原理，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，这样的一个显示单位被称为像素。

液晶屏缺点

        注意液晶本身是不发光的，所以需要有一个背光灯提供光源，光线经过一系列处理过程才到输出，所以输出的光线强度是要比光源的强度低很多的，比较浪费能源(当然，比CRT显示器还是节能多了)。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。另外，输出的色彩变换时，液晶分子转动也需要消耗一定的时间，导致屏幕的响应速度低。

LED显示器

        LED点阵彩色显示器的单个像素点内包含红绿蓝三色LED灯，显示原理类似实验板上的LED彩灯，通过控制红绿蓝颜色的强度进行混色，实现全彩颜色输出，多个像素点构成一个屏幕。由于每个像素点都是LED灯自发光的，所以在户外白天也显示得非常清晰，但由于LED灯体积较大，导致屏幕的像素密度低，所以它一般只适合用于广场上的巨型显示器。相对来说，单色的LED点阵显示器应用得更广泛，如公交车上的信息展示牌、店招等。

OLED显示器

        新一代的OLED显示器与LED点阵彩色显示器的原理类似，但由于它采用的像素单元是“有机发光二极管”(Organic Light Emitting Diode)，所以像素密度比普通LED点阵显示器高得多

OLED显示器不需要背光源、对比度高、轻薄、视角广及响应速度快等优点。待到生产工艺更加成熟时，必将取代现在液晶显示器的地位。

对于不同种类的显示器，其控制程序原理是类似的，都是以操作像素点为基础。

显示器的基本参数

不管是哪一种显示器，都有一定的参数用于描述它们的特性，各个参数介绍如下：

• 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，即前面讲解液晶原理中提到的一个显示单元。

• 分辨率

        一些嵌入式设备的显示器常常以“行像素值x列像素值”表示屏幕的分辨率。如分辨率800x480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。

• 色彩深度

        色彩深度指显示器的每个像素点能表示多少种颜色，一般用“位”(bit)来表示。如单色屏的每个像素点能表示亮或灭两种状态(即实际上能显示2种颜色)，用1个数据位就可以表示像素点的所有状态，所以它的色彩深度为1bit，其它常见的显示屏色深为16bit（RGB565）、24bit（RGB888，即RGB每个颜色的范围都是0-255）。

• 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，这个长度是指屏幕对角线的长度， 通过显示器的对角线长度及长宽比可确定显示器的实际长宽尺寸。

• 点距

        点距指两个相邻像素点之间的距离，它会影响画质的细腻度及观看距离，相同尺寸的屏幕，若分辨率越高，则点距越小，画质越细腻。如现在有些手机的屏幕分辨率比电脑显示器的还大，这是手机屏幕点距小的原因；LED点阵显示屏的点距一般都比较大，所以适合远距离观看。

STM32板载液晶控制原理（不带微控制器）

液晶控制原理

下图两种适合于STM32芯片使用的显示屏，我们以它为例讲解控制液晶屏的原理。

一个液晶屏分成一个液晶显示器面板和一个电容（或电容）触摸屏面板。

这里首先讲的是最基础的液晶控制原理，是以不带微控制器的液晶屏如何控制显示进行讲解

        完整的显示屏由液晶显示面板、电容触摸面板以及PCB底板构成。

        图中的触摸面板带有触摸控制芯片，该芯片处理触摸信号并通过引出的信号线与外部器件通讯面板中间是透明的，它贴在液晶面板上面，一起构成屏幕的主体，触摸面板与液晶面板引出的排线连接到PCB底板上。

        根据实际需要，PCB底板上可能会带有“液晶控制器芯片”。因为控制液晶面板需要比较多的资源，所以大部分低级微控制器都不能直接控制液晶面板，需要额外配套一个专用液晶控制器来处理显示过程，外部微控制器只要把它希望显示的数据直接交给液晶控制器即可。而不带液晶控制器的PCB底板 ，只有小部分的电源管理电路，液晶面板的信号线与外部微控制器相连，直接控制。STM32F429系列的芯片不需要额外的液晶控制器，也就是说它把专用液晶控制器的功能集成到STM32F429芯片内部了，节约了额外的控制器成本。STM32F1系列的芯片控制液晶时，液晶屏需带有液晶控制器。

控制信号线(不带液晶控制器)

液晶面板的控制信号线(不带液晶控制器)：

其中R、G、B一共二十四根信号线用来传输像素数据

• RGB信号线

        RGB信号线各有8根，分别用于表示液晶屏一个像素点的红、绿、蓝颜色分量。使用红绿蓝颜色分量来表示颜色是一种通用的做法，打开Windows系统自带的画板调色工具，可看到颜色的红绿蓝分量值，常见的颜色表示会在“RGB”后面附带各个颜色分量值的数据位数，如RGB565表示红绿蓝的数据线数分别为5、6、5根，一共为16个数据位，可表示216种颜色；而这个液晶屏的种颜色分量的数据线都有8根，所以它支持RGB888格式，一共24位数据线，可表示的颜色为224种。

• 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。

• 水平同步信号HSYNC

        水平同步信号HSYNC(Horizontal Sync)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800x480的显示屏(800列，480行)，传输一帧的图像HSYNC的电平会跳变480次。

• 垂直同步信号VSYNC

        垂直同步信号VSYNC(Vertical Sync)用于表示液晶屏一帧像素数据的传输结束，每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，一幅图像称为一帧，在液晶屏中，一帧指一个完整屏液晶像素点。人们常常用“帧/秒”来表示液晶屏的刷新特性，即液晶屏每秒可以显示多少帧图像，如液晶屏以60帧/秒的速率运行时，VSYNC每秒钟电平会跳变60次。

• 数据使能信号DE

        数据使能信号DE(Data Enable)用于表示数据的有效性，当DE信号线为高电平时，RGB信号线表示的数据有效。

液晶数据传输时序

        向液晶屏传输一帧图像数据的时序：一帧的范围是VBP开始到下一个VSW结束（VSYNC跳变）（也叫VGA时序，使用了独立的液晶面板）

PS：时序图可配合矩形图和时间参数表来理解，若还不理解，可看视频讲解。

        液晶屏显示的图像可看作一个矩形，液晶屏有一个显示指针，它指向将要显示的像素。显示指针的扫描方向方向从左到右、从上到下，一个像素点一个像素点地描绘图形。这些像素点的数据通过RGB数据线传输至液晶屏，它们在同步时钟CLK的驱动下一个一个地传输到液晶屏中，交给显示指针，传输完成一行时，水平同步信号HSYNC电平跳变一次，而传输完一帧时VSYNC电平跳变一次。

        液晶显示指针在行与行之间，帧与帧之间切换时需要延时，而且HSYNC及VSYNC信号本身也有宽度，这些时间参数说明见下表：

        在这些时间参数控制的区域，数据使能信号线“DE”都为低电平，RGB数据线的信号无效，当“DE”为高电平时，表示的数据有效，传输的数据会直接影响液晶屏的显示区域。

显存

        液晶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，再传输给液晶屏，这种存储显示数据的存储器被称为显存（和SRAM和SDRAM完全没有区别）。显存一般至少要能存储液晶屏的一帧显示数据，如分辨率为800x480的液晶屏，使用RGB888格式显示，它的一帧显示数据大小为：3x800x480=1152000字节；若使用RGB565格式显示，一帧显示数据大小为：2x800x480=768000字节。

        显存至少能缓存一帧的数据。

为什么有一些STM32的型号需要液晶控制器而有些不需要呢？

        首先一个原因就是STM32内部的SRAM或SDRAM容量是否足够显存的使用，比如STM32F103VET6由于无法拓展SRAM和SDRAM，所以不够显存的使用。

        另一个原因是液晶屏的显示必须要输出时序，如果STM32像硬件IIC和硬件SPI那样集成液晶控制器，需要加上很多控制逻辑，比较复杂。

        因此像F103和F407本身都不带液晶控制器，而是使用自带液晶控制器的屏幕。

        而对于F429之类不需要液晶控制器的STM32，是利用自带的LTDC的硬件外设来产生液晶数据的传输时序，使用内部的SDRAM作为显存来实现的液晶显示。这样的好处是可以节省成本。

总结

        对于带液晶控制器的液晶屏来说。

        STM32只需要与液晶控制器进行交流，命令控制器显示一幅图像，控制器就会通过传输时序将图像缓存到自己的显存空间。

        STM32只负责协调和液晶控制器的通信就可以了，不需要管液晶屏的刷新，不需要管缓存，更不需要管液晶屏显示的那些传输时序，这些都是通过液晶控制器来实现的。

3.2寸液晶屏介绍（搭载液晶控制器）

        之前介绍的5寸屏幕其液晶控制器与液晶屏是完全分离的，且具有带控制器和不带控制器的版本，易于理解，下面来分析实验板标配的分辨率为320*240的3.2寸电阻触摸液晶屏。

3.2寸电阻触摸屏实物

这里底部只有触摸控制器，而液晶控制器焊在了屏幕里面，需要拆开查看。

        图中的标号3部分是液晶屏幕的整体，通过引出的排针接入到实验板上可对它进行控制，它分为标号1的液晶触摸面板和标号2的PCB底板两部分。

        标号1处的液晶触摸面板由液晶屏和触摸屏组成，屏幕表面的灰色线框即为电阻触摸屏的信号线，触摸屏的下方即为液晶面板，在它的内部包含了一个型号为ILI9341的液晶控制器芯片(由于集成度高，所以图中无法看见)，该液晶控制器使用8080接口与单片机通讯，图中液晶面板引出的FPC信号线即8080接口(RGB接口已在内部直接与ILI9341相连)，且控制器中包含有显存，单片机把要显示的数据通过引出的8080接口发送到液晶控制器，这些数据会被存储到它内部的显存中，然后液晶控制器不断把显存的内容刷新到液晶面板，显示内容。

        标号2处的是PCB底板，它主要包含了一个电阻触摸屏的控制器XPT2046，电阻触摸屏控制器实质上是一个ADC芯片，通过检测电压值来计算触摸坐标。PCB底板与液晶触摸面板通过FPC排线座连接，然后引出到排针，方便与实验板的排母连接。

ILI9341液晶控制器简介

本液晶屏内部包含有一个液晶控制芯片ILI9341，它的内部结构如下图：

        该芯片最主核心部分是位于中间的GRAM(Graphics RAM)，它就是显存。GRAM中每个存储单元都对应着液晶面板的一个像素点。它右侧的各种模块共同作用把GRAM存储单元的数据转化成液晶面板的控制信号，使像素点呈现特定的颜色，而像素点组合起来则成为一幅完整的图像。框图的左上角为ILI9341的主要控制信号线和配置引脚，根据其不同状态设置可以使芯片工作在不同的模式，如每个像素点的位数是6、16还是18位；可配置使用SPI接口、8080接口还是RGB接口与MCU进行通讯。MCU通过SPI、8080接口或RGB接口与ILI9341进行通讯，从而访问它的控制寄存器(CR)、地址计数器(AC)、及GRAM。

        芯片左边也引出了D[17:0]、HSYNC、VSYNC、DOTCLK、和DE信号线，它是用于与STM32通讯的，而不是用来同液晶面板通讯的。控制液晶面板是通过右边的LCD Gate Driver和LCD Source Driver来控制。

        左边的引脚与STM32相连，主要我们是使用黄颜色部分的引脚。数据引脚，板子上只有D0-D15，因为颜色深度可以有6/16/18bit RGB格式来选择。我们正常使用16bit，因为正常情况每个像素点超过两个字节但不够三个字节，会很浪费空间，所以常常使用RGB565的格式，也就是16bit的颜色深度。

        STM32通过这些引出来的引脚与ILI9341控制器通讯，通过控制ILI9341达到控制液晶屏的目的。

        而其它的如SDA、SDO、HSYNC、VSYNC、DOTCLK、和DE等硬件没有用到，它们是用来支持SPI通讯或者IIC通讯的，ILI9341本身是支持这些通讯方式的，但在这里我们没有使用，我们使用的是8080接口，也就是黄色部分的引脚：RESX、CSX、WRX、RDX、D/CX、D[17:0]。

        注：其中D/CS引脚在板子上改了名字，为RS引脚。

在GRAM的左侧还有一个LED控制器(LED Controller)。LCD为非发光性的显示装置，它需要借助背光源才能达到显示功能，LED控制器就是用来控制液晶屏中的LED背光源（通过GPIO控制，低电平点亮，背光灯的强度可以通过PWM占空比来控制）。

3.2寸液晶原理图

 

液晶屏排针对应野火STM32指南者开发板和霸道开发板

液晶屏的信号线及8080时序

        ILI9341控制器根据自身的IM[3:0]信号线电平决定它与MCU的通讯方式，它本身支持SPI及8080通讯方式，本示例中液晶屏的ILI9341控制器在出厂前就已经按固定配置好(内部已连接硬件电路)，它被配置为通过8080接口通讯，使用16根数据线的RGB565格式。内部硬件电路连接完，剩下的其它信号线被引出到FPC排线，最后该排线由PCB底板引出到排针，排针再与实验板上的STM32芯片连接，引出的排针信号线如下图：

        这些引出的信号线即8080通讯接口，带X的表示低电平有效，STM32通过该接口与ILI9341芯片进行通讯，实现对液晶屏的控制。通讯的内容主要包括命令和显存数据，显存数据即各个像素点的RGB565内容；命令是指对ILI9341的控制指令，MCU可通过8080接口发送命令编码控制ILI9341的工作方式，例如复位指令、设置光标指令、睡眠模式指令等等，具体的指令在《ILI9341.pdf》数据手册均有详细说明。

实现控制液晶屏实际上就是往GRAM里面写入内容。

向ILI9341写命令的时序图：

最后两个表示数据传输的方向，不是信号线

从ILI9341读命令的时序图：