基于MST703的TFT-LCD驱动方案研究与设计*

张 旭，张红娟*，靳宝全，王 东*

（1.太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024；2.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，太原 030024）

自进入信息时代以来，人们在社会活动和日常生活中越来越多的用到了信息显示技术。液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）显示技术发明于20世纪70年代，并迅速得到了广泛应用和发展。它具有易集成、功耗小、额定工作电压低、便携性好、寿命长、显示信息量大和电磁辐射污染小等优点，已在当今信息时代显示技术领域占据主流地位。其中薄膜场效应晶体管TFT-LCD（Thin Film Transis⁃tor-LCD）技术又以其大容量、高清晰度和全彩色的视频显示成为LCD显示的主导技术，现已广泛应用于倒车影像、便携式计算机、彩色液晶电视、数码像机及其各种仪器仪表等电子设备之中［1-3］。

近年来随着新型TFT-LCD不断推出，不同的驱动电路和系统也在进行配套开发，形成了多种TFTLCD测试系统和液晶显示产品驱动方案。但目前的小尺寸TFT-LCD驱动方案普遍基于独立的图像处理IC和微处理器技术，电路复杂、体积庞大、成本较高［4-5］。因此，本文基于单片式视频解决方案MST703，设计出了一种适用于小尺寸TFT-LCD的驱动方案，极大的简化了电路结构，并降低了成本和电路损耗，具有广阔的发展前景。

1 总体方案

所设计的基于MST703的小尺寸TFT-LCD驱动方案由电源电路、模拟量输入单元、主控电路、外围电路、I/O输入输出电路、TFT-LCD等部分组成。其中外围电路包括程序存储器、程序写入口、晶振等，另外还设计了OSD（On-Screen Display）电路，能够实现对显示屏的亮度、对比度、灰度的控制和调节，其中电源电路主要由DC/DC转换器PS5101、PT4181及线性稳压芯片AMS1117-3.3、AMS1117-1.2组成，可提供系统需要的多种工作电压，其中主控电路是以MST703为核心的视频处理系统，主要完成模拟视频信号的模数转换、视频信号的解码处理以及对输出信号的时序控制。工作过程是：从广角摄像头接入的视频信号经过输入单元进入视频处理芯片MST703，经过处理后产生R、G、B各8位共24路视频信号以及4位显示控制信号，最后输入TFT-LCD显示出实时影像。该驱动方案组成结构如图1所示。

图1 系统总体方案框图

2 装置硬件设计

2.1 视频处理IC的选择

视频处理芯片采用晨星半导体公司的MST703，是一个用于NTSC/PAL/SECAM制式显示器的高质量的专用集成电路，内部集成了模数转换器、视频解码器、MCU等功能，可完全满足视频接收、处理与逻辑控制。MST703的驱动电路简单、便于开发，通过编写高效的程序和算法对模拟视频数据进行处理，可以输出24 bitR、G、B数据并进行时序控制，最终实现视频的清晰显示［6］。

2.2 MST703供电电路设计

MST703的工作需要多级电压：5 V、3.3 V、1.2 V。本设计方案采用12 V直流电源给系统供电，因此需要搭建电压转换电路给芯片供电，应用于PCB电路板上的电源转换主要是DC-DC方式。普通的DC-DC转换器具有可输出电流大、静态电流小、效率高等优点，但同时其具有较大的开关噪声，且体积庞大、外围电路复杂。而线性稳压器反应速度快、输出纹波小，工作产生的噪声低，但其效率较低、发热量大。根据两种芯片的特点，本方案设计了两级电压转换，第1级采用DC-DC方式，第2级采用线性稳压器，具体电路如图2所示。

图2 两级电压转换电路

第1级电压转换电路基于一体化开关电源芯片PS5101，将12 V直流电压转换为5 V。它是一款单片式、降压型开关稳压器，转换效率高、电路简单。C30是输出端滤波电容。第2级电压转换采用线性稳压芯片AMS1117-3.3和AMS1117-1.2，分别将5 V电压转换为3.3 V和1.2 V。AMS1117普遍应用在在PCB板电路设计中，性能稳定、成本低、而且外围电路简单。在稳压电路的输出端，C31、C33、R25和C32、C34、R26分别构成了π型RC滤波电路，经过多重滤波作用，降低了谐波分量，进而降低了线路对视频信号的电磁干扰。

2.3 SPI通信接口设计

MST703内部集成有MCU，通过SPI接口与外接闪存进行通信［6］。SPI是一种高速的全双工通信总线，在芯片的管脚上只占用4根线，当前已经有很多芯片集成了这种通信协议，其连接方式如图3所示，图中U10为闪存，4个接口SDI（数据输入）、SDO（数据输出）、SCLK（时钟）、CSN（片选）分别与MST703的4个SPI接口连接，用于完成程序的下载和调用。

图3 SPI接口电路

2.4 TFT-LCD供电电路设计

2.4.1 背光电压的设计

TFT-LCD的背光源大都采用白光LED，其数目由液晶屏的尺寸大小决定。试验采用群创公司AT070TN92款液晶屏，分辨率达到800×480，背光源由6个串联白光LED组成，每个白光LED的额定工作电压是1.2 V，额定工作电流是20 mA。本设计将小尺寸TFT-LCD专用驱动芯片PT4181作为电源芯片，其最大优点是具有恒流输出特性，背光源电路如图4所示。

图4 TFT-LCD的背光源电路

电路采用PS5101的5 V输出电压作为输入电压，经过PT4181调压后输出9.0 V电压和20 mA电流，电路中L1、C2构成输入滤波电路，R3、R4组成的分压电路用来给4脚（使能端）提供工作电压，D7是肖特基整流二极管、C9是输出滤波电容，能够减少输出的纹波电压。利用本电路可提供给6个白光LED平滑的恒定电流源，完全满足背光要求。

2.4.2 显示电压的设计

TFT-LCD的显示电压由VA，DD、VGH和VGL等组成。VA，DD是TFT-LCD内部的模拟电路所需的电压，大概10 V左右。VGH是TFT（Thin Film Transistor）的开启电压，VGL是TFT的关闭电压。TFT-LCD由许多像素单元构成，需要通过改变加在每个像素的TFT上的电压来驱动其显示不同的数据。VGH和VGL的取值范围：

为防止芯片出现过热，本次设计另选一片PT4181用于提供TFT-LCD的液晶分子的开、断电压及模拟电路电压，电路图如图5所示。

电源电路中，L11和C10构成输入滤波电路，R13和R12组成开关电源芯片的反馈电路，能够调整输出电压的大小。本电路同时提供3路电压输出，一路经过L19和C20组成的LC滤波电路后输出VA，DD；另外两路分别经过开关二极管BAV99的调压作用后输出VGH和VGL，其中R25、C29和R23、C28分别构成RC滤波电路，D8和D9是稳压二极管，可以达到限制输出电压的大小和降低电磁干扰的目的。所设计的方案采用VGH=16 V，VGL=-7 V，AVDD=10 V。与用普通DC/DC变换电路相比，此电路中没有变压器等大体积元件，所需外围器件少，调试方便。

图5 TFT-LCD的电源电路

3 软件设计

3.1 TFT-LCD电源时序设计

TFT-LCD有多个工作电压，各种电压信号在上电和断电时都有其特定的顺序，从而保证TFT-LCD正常稳定的工作［7-9］。针对该款TFT-LCD进行了电源时序设计，如图6所示。可以看到，其上电顺序依次为VD，DD→VGL→VA，DD→VGH→Data→B/L。其中t1＞10 ms，t2＞5 ms，t3＞20 ms，t4＞10 ms，t5＞5 ms。VD，DD是数字电压；VA，DD是模拟电压；B/L是背光电压；VGH和VGL分别为门极开通和关断电压。Data包括24 bit视频数据信号和4位控制信号。当TFT-LCD停止工作时，各个信号关断顺序与上电时相反，依次为B/L→

图6 TFT-LCD的上电和断电顺序

3.2 视频信号时序设计

TFT-LCD的驱动过程是给TFT的Scan line（栅极总线）提供扫描电路的寻址信号，给Data line（数据总线）提供数据电路的显示数据信号，先用Scan line选通一行像素，再从Data line上输入视频数据信号。TFT-LCD驱动采用的是“逐行扫描”，按照选择的顺序依次选通所有的栅极总线，即可实现完整画面的显示。因此，为了正常完成扫描过程，关键是编程控制MST703内部的TCON模块产生正确的时序信号来匹配VData信号、行同步信号HS、场同步信号VS、时钟DCLK等的时序［8-10］。所设计的信号时序关系如图7所示。

图7 数据和控制信号输入接口时序

图7（a）所示为行同步信号HS与数据时钟DCLK、数据信号Data和使能信号DE间的时序关系。整个行扫描周期为1 056个时钟周期，其中有效区域是800个时钟周期，有效区域前后的Thb和Thfp都是关闭区。当使能端有效时，开始扫描R、G、B信号，有效视频信号同样是800个时钟周期，其余时间的数据信号为空白信号。图7（b）是行、场同步信号之间的关系。一个垂直扫描周期TV是525行，其中有效区域为480行，有效区域前后的Tvb和Tvfp都是关闭区。按照上述时序，每完成一组行扫描和垂直扫描，就可完成800×480像素的画面的显示。

4 试验显示结果

使用上述方法进行软、硬件设计，通过制板、编程、调试，成功实现视频显示。图8所示为在CMOS广角摄像头视频信号条件下的显示结果，图中有12 V直流电源、广角摄像头、驱动控制电路板和24位数字TFT-LCD，其中驱动控制电路板和TFT-LCD通过FPC接口相连接。

该系统具有如下特点：（1）控制电路采用单片式视频处理芯片，明显简化了设计电路，并提供屏幕菜单，由图8中OSD按键进行控制。（2）供电电路采用DC/DC变换器和线性稳压芯片结合的方式，可以实现可靠供电并降低系统损耗。（3）图8中显示部分采用分辨率为800×480的数字显示屏，可以应用于各类高档产品。

图8 TFT-LD显示结果

5 结束语

结合TFT-LCD驱动系统的控制原理，提出一种基于单片式视频解决方案的小尺寸TFT-LCD驱动方案，给出硬件电路和软件的设计方法。主要采用集成化的视频芯片MST703作为主芯片实现模拟视频信号的接收、转换、处理、输出，并通过两级调压电路实现降低系统功耗、提高系统稳定性。试验结果表明，在输入CMOS广角摄像头视频信号条件下，利用该方案可以实现一个分辨率为800像素×400像素的7 inch液晶屏的快速、准确显示。与传统方法相比，该方案具有结构简单、功耗小、成本低等特点，可以广泛应用于倒车影像及各种仪器仪表等电子设备中。

［1］夏炎，吴金，常昌远，等.TFT-LCD显示驱动技术的发展［J］.电子器件，2001，24（4）：346-350.

［2］黄泽锷.小尺寸液晶屏驱动技术研究［J］.科学之友，2013（8）：6-7.

［3］张志伟，荆海，黄金英，等.小尺寸TFT-LCD驱动电路的设计［J］.长春理工大学学报，2005，28（1）：10-13.

［4］任光，叶斌，杨大春，等.数字TFT-LCD驱动电路实验研究［J］.液晶与显示，2006，21（1）：87-90.

［5］汪艳彬，冯炳军，袁国顺.一个通用LCD驱动电路设计［J］.电子器件，2008，31（6）：1730-1734.

［6］MStar Semiconductor.Small Size LCD TV Processor with Video Decoder Preliminary Data Sheet Version 0.1［R］.深圳：MStar Semiconductor，2010

［7］张芝贤，王明贺，张正吉，等.LCD显示模块并行接口驱动程序设计［J］.国外电子测量技术，2009，28（10）：64-68.

［8］黄丽萍.车载可视倒车雷达预警系统的研制［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［9］Innolux.Innolux Display Corporation Lcd Module Specification［R］.Innolux，2004.

［10］TIANMA.中尺寸TFT模块接口电路设计规范［S］.深圳：TIAN⁃MA，2010.

张 旭（1990-），男，汉族，河南省驻马店市，太原理工大学，在读研究生，研究方向为电气智能控制，zhx15198858616@163.com；

张红娟（1974-），女，太原理工大学，副教授、博士，研究方向为电气智能控制，zhanghongjuan@tyut.edu.cn。