營銷團(tuán)隊日益迫切地希望工程部門能夠在下一代產(chǎn)品中采用提供更大且圖像質(zhì)量更優(yōu)的顯示器。對于咖啡機、烤箱、工廠自動化設(shè)備及家用熱水器等諸多應(yīng)用而言這一需求確實存在，當(dāng)然對于工程團(tuán)隊來說也這會是一項有趣的新挑戰(zhàn)。
如何在應(yīng)用中配置顯示器
       讓我們先來看一下選擇顯示器時會有哪些選項。這個產(chǎn)業(yè)通常會用到很多三個字母的縮寫詞（TLA），它們雖然很簡單，但有時也容易引起混淆。
        相信工程界的每位從業(yè)者都已經(jīng)熟知液晶顯示器這一概念；即使以后轉(zhuǎn)到其他工作崗位，從事“銷售”工作，他們?nèi)詴浀迷趯嶋H工作中使用過帶LCD顯示屏的設(shè)備。
        其實它的基本原理很簡單。兩個極化層中間有一個液晶層(夾角90度)，如果沒有液晶，就不會有光線穿過。
       然而，晶體被置于一種螺旋模式中，它可以對兩個極化層中間光的偏振進(jìn)行調(diào)整，這意味著所有光線可以從中穿過。當(dāng)把電荷引入液晶時，液晶會展開或得到調(diào)和，從而不再對光振進(jìn)行調(diào)整，此時液晶會呈現(xiàn)黑色。
       這種“扭曲”方向是液晶顯示器常見的內(nèi)部構(gòu)造模式，這便是扭曲向列型液晶顯示器(TN-LCD)的來源。“向列型”只是用來描述液晶物理狀態(tài)的一種表達(dá)方式。
       彩色顯示器可以以這種模式進(jìn)行配置，每個像素使用三個單獨的LCD液晶單元，每個單元配置一個紅色、綠色或藍(lán)色的過濾器。然后像素會排成列和行，對列施加電壓并且使行觸底，一個特定的像素就可以被打開或關(guān)閉。
       然而，這種方法的問題是，在大顯示屏上，當(dāng)同一列及同一行的幾個像素同時被切換時，電荷通過矩陣傳播會有很長的延遲，電荷分布到這個矩陣中也會導(dǎo)致對比度較差的情況發(fā)生。
       通過使用STN-LCD模塊，在一定程度上可以解決這個問題。在這種情況下，STN代表超扭曲向列型液晶屏。在STN屏中，90度旋轉(zhuǎn)的液晶將由一個“超級扭曲”—或通常270度的扭曲液晶所取代。
       然而，這仍是在建立一個具有帶電列和觸底行的矩陣，也稱為被動模式，它仍帶有前面所述及的固有限制。
       主動控制提供了更好的對比度且響應(yīng)時間更短。在主動式液晶顯示系統(tǒng)中，每一個液晶單元都配置專用的晶體管，晶體管控制著電池或像素的切換。這時“薄膜晶體管液晶顯示屏（TFT-LCD）”便應(yīng)運而生，它是一種由薄膜晶體管控制的液晶屏，是當(dāng)今圖形顯示應(yīng)用中常見的顯示屏。
        OLED不是該市場中流行的顯示技術(shù)，只是一種替代品。基本上它的每個像素都帶有LED矩陣。與其他以液晶顯示為基礎(chǔ)的產(chǎn)品相比，它功率低，更輕便，可以放在柔性表面上。但是，代價昂貴的制造工藝和顯示器中藍(lán)色部件相對有限的壽命遲緩了他們被大規(guī)模引入市場的進(jìn)程。
       當(dāng)然，還有一些其他的替代品沒有得到廣泛應(yīng)用，但應(yīng)該被了解，在這里將其介紹如下：
       EPD：即電子紙，在電子閱讀器和一些手表中得到應(yīng)用，但不適用于嵌入式非消費品。
       LCOS：硅基液晶，用于“近眼”設(shè)備或投影儀，但尚未在產(chǎn)業(yè)市場中得到應(yīng)用。
       PDP(或等離子)：用于老式的大顯示屏，但正在迅速被LCD或LED屏取代。
顯示器驅(qū)動
       現(xiàn)在，我們了解顯示屏顯示圖片的原理以及各種顯示技術(shù)的差異。接下來讓我們看看如何實現(xiàn)驅(qū)動顯示屏。對于較小的顯示屏，往往采用被動控制系統(tǒng)，經(jīng)常可以看到采用新的COG(玻璃上芯片)技術(shù)，其中液晶顯示器的驅(qū)動芯片實際上是被集成到面板玻璃里面了。
       這樣能夠有效降低較小顯示屏的成本。大多數(shù)情況下，這些顯示屏包括一個附加的印刷電路板，其中包含顯示屏的控制裝置，另外還可以包含一個觸摸界面控制器。
       在顯示方面還有兩個選項：顯示模塊和標(biāo)準(zhǔn)顯示器。正如你想象的那樣，該完整模塊帶有保存顯示屏圖像數(shù)據(jù)所需的內(nèi)存，通常是一個簡單的SPI接口。
       我們此處對更多細(xì)節(jié)不作詳細(xì)探討，但可以肯定地說，雖然它們的價格比標(biāo)準(zhǔn)顯示器略高，但卻能為初級用戶提供更簡單的解決方案。
標(biāo)準(zhǔn)顯示器有2個標(biāo)準(zhǔn)接口
       RGB信號或LVDS信號。對于超過一定量級的(關(guān)于WVGA)情況將提供一個LVDS接口，較小量級的情況將提供一個RGB接口。當(dāng)然，這并非是一成不變的規(guī)則，但顯示屏越大，越有可能只有一個LVDS接口。
       RGB是一個并行接口，每種顏色(紅、綠、藍(lán))由并行總線代表。因此，對于一個24位的彩色顯示器來說，將會有24個“數(shù)據(jù)”位。
       這是簡單的接口，因為每個像素數(shù)據(jù)都會以標(biāo)準(zhǔn)的一對一傳輸?shù)姆绞奖淮鎯Φ絉AM上。有幾種不同的RGB標(biāo)準(zhǔn)符號，如RGB666、RGB565，這僅僅表明了每種顏色所擁有的位數(shù)。對于RGB666來說，每種顏色都擁有6個數(shù)位，因此它擁有18bpp的顏色。除了這些數(shù)據(jù)信號，還有在面板上同步傳輸?shù)臅r鐘信號。
       面板時鐘(或像素時鐘)會對整個接口的傳輸速度進(jìn)行設(shè)定并對隨后發(fā)生的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行設(shè)置。還有一種Hsync時鐘(或水平同步時鐘)，當(dāng)跳到下一行時會在多個像素時鐘之后顯示。
       然后以更慢的頻率，以Vsync(垂直同步)信號的方式依次顯示何時所有的行被寫入，并且為顯示下一張圖片或下一個畫面創(chuàng)造了條件。
       當(dāng)然，顯示器越大，滿足顯示屏的刷新率所需的像素時鐘速度會更高。因為當(dāng)外部信號頻率變高時，信號錯亂的風(fēng)險也會隨之增大。
       由于這個原因，更大的顯示屏現(xiàn)在傾向于使用LVDS接口而不是標(biāo)準(zhǔn)的并行RGB模式。LVDS代表低電壓差分信號。LVDS技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，對于這種技術(shù)來說，信號的完整性是非常重要的，尤其在高頻率情況下。
       LVDS信號傳輸采用雙線接口模式(每通道)，擁有一個常用電壓(通常為1.2 V)。在此條件下，如果要創(chuàng)建“高頻”信號，一條線上的電壓需要升高100 mV，另一條線上支持信號的電壓需要降低100 mV。從而為實現(xiàn)低功耗，高頻率，高可靠性的信號傳輸創(chuàng)造了條件。
       顯示器通常有四個LVDS通道，分別用于傳輸紅色、綠色、藍(lán)色和時鐘信號，這樣數(shù)據(jù)便會以串行方式傳輸，而不是以并行方式傳輸。
管理內(nèi)容
       現(xiàn)在我們已經(jīng)知道這些顯示屏是如何設(shè)置的，接下來我們把視線轉(zhuǎn)移到這一應(yīng)用的另一層面，來看看圖像內(nèi)容是如何形成的。首先，讓我們先來看一下這些圖像是如何儲存的。相信大家一定會對自家電腦中儲存的JPEG格式度假照片非常熟悉。
       但這并非圖像所采用的格式，圖像以光柵圖像或位圖的格式進(jìn)行保存。當(dāng)然，這比你度假照片的JPG格式要大得多，現(xiàn)在我們來探究一下這些圖像是如何保存在內(nèi)存中的，以及你對這些圖像的實際需求程度。
       正如我們所言，基本圖片儲存為位圖，所有圖片像素經(jīng)由數(shù)據(jù)來實現(xiàn)儲存和顯示。和其他格式一樣，不存在數(shù)據(jù)壓縮。它可以是16位或24位色深；若為24位顏色，則每一像素由三個字節(jié)來表示。
       此時你就能立即明白，這意味著很大一部分內(nèi)存空間將被占用。例如，一個640x480像素的VGA顯示屏?xí)?07,000個像素，顯示屏上的每個圖像約有900KB的數(shù)據(jù)。但除此之外，內(nèi)存的使用問題仍未完結(jié)。
       一個典型的GUI(圖形用戶界面)應(yīng)用程序由若干圖層組成。這些圖層會在另一層頂部顯示。例如，某一層可能是整體的背景圖像，而下一層則可能是圖片外圍的幀，這一圖片上顯示一些數(shù)據(jù)，如氣溫和時間。
       第三層可能是一個圖表，用以顯示應(yīng)用程序中實時測量的數(shù)據(jù)。將這些圖片存儲于不同的層，并因此分布在RAM的不同區(qū)域，正是因為你僅需要更改某一小圖片，而不用重新計算整個圖像。若每次圖表更新或氣溫變化你都需要修改整個GUI的話，將會耗費太多CPU功率。
       這些圖層到時會通過硬件加速或軟件、使用大量各種各樣的機制來實現(xiàn)整合。
       這里有兩個關(guān)鍵概念，一個是阿爾法混合，另一個是色度鍵控。阿爾法混合定義已知的阿爾法通道。阿爾法通道是額外的8位值，用以加入每一像素的24位色彩信號。
       這種阿爾法值定義每一像素的透明度，以使得圖層能夠在背景層的頂部設(shè)為半透明狀態(tài)。色度鍵控在內(nèi)存方面稍微不那么密集，但對圖片整合非常有用。色度鍵控是一種為我們所有人都熟悉，它在電影中廣泛應(yīng)用，又被稱作“綠光屏”。演員站在一副綠色簾幕的前方，然后綠色被一段播放著氣急暴躁的恐龍追逐他的畫面所代替。
       在電影制作中，人類膚色通常采用綠色或藍(lán)色，這兩種色調(diào)沒有變過。但實際上，也可以使用紅色。這種效果對于創(chuàng)作不同形態(tài)的對象大有裨益，只需使用一個正方形，然后在需要去色的對象的周圍區(qū)域進(jìn)行著色。
       在前面的例子中，我們使用了一個24位色深的VGA顯示屏，并且需要900kB的圖像數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，讓我們設(shè)想一下，這一圖像僅僅是圖像的背景，而且在它的頂部還顯示有另外兩張圖片。
       圖表有一個，幀將會是其他的層。這些無須全屏，所以在這種情況下，我們只能使用較小尺寸的圖像，大概為QVGA尺寸的，每張需要225KB，而且現(xiàn)在所需的總內(nèi)存大概為1.3MB。         因此，你擁有1.3MB的數(shù)據(jù)內(nèi)存來支撐你在展示于銀幕之上的現(xiàn)有數(shù)據(jù)。然而，遺憾的是，你還需要比1.3MB更大一點的內(nèi)存。這里的問題就易如反掌了。比如，如果一個顯示屏中的背景與下一個顯示屏中的背景不一致，因而你要更改某一張圖片，在該圖片仍然顯示于顯示屏上時，你就必須通過CPU來更改內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。
       這會引起顯示屏上的可見閃爍，并且會導(dǎo)致顯示屏顯示某個圖像的一半和下一個圖像的另一半。這看起來明顯欠佳；尤其是當(dāng)我們認(rèn)為顯示屏正用于促進(jìn)為終端客戶創(chuàng)造更高價值的命題時。
       這個問題通過諸如雙重緩沖等概念就可以非常容易地解決。在雙重緩沖區(qū)，你實際上可以折疊系統(tǒng)中的所有內(nèi)存以便于下一張圖片可以設(shè)置在后緩沖區(qū)，然后在圖片準(zhǔn)備好時，你只需從內(nèi)存中某個區(qū)域轉(zhuǎn)換至下一個區(qū)域即可。內(nèi)存的使用空間由此翻了一倍。現(xiàn)在，我們只需2.6MB的內(nèi)存就能搞定了。
       現(xiàn)在，我已為24位色深的VGA顯示屏儲存了2.6MB的圖片數(shù)據(jù)。當(dāng)然，也有方法將其擴大和縮小。
       用個更小一點的顯示屏也是可能的，這會降低內(nèi)存需求。因為每一像素寬越小，你能在縱列中節(jié)省的其他像素就有480。但是，在其他方向也同樣如此。XGA顯示屏的像素為720x1024，其24位色深的背景圖像所需內(nèi)存為2.1MB，而不是VGA顯示屏的900KB。
       另一個可以更改的是每一像素的顏色需要使用多少位。在該例中，我們每像素使用了24位，因  為這是時下流行的選擇。它的靈活性大，而且確保了顯示器在實際操作中能夠展示圖形化團(tuán)隊意欲搬上銀幕的作品。
       當(dāng)然，也能使用設(shè)置的8位色深，但這回帶來一些其他問題。因為只有255種顏色，所以要遇到的問題也會很多。例如，像顯示文本這樣的功能都很難實現(xiàn)。
       現(xiàn)代字體不單單是由白色背景和帶有像素精確數(shù)寬度的黑色字母組成。甚至連簡單字母都是由一連串的黑色和灰色組成，因此很容易為人的眼睛所識別。
       使用小顯示屏和8位色深來顯示一些數(shù)據(jù)也是可能的。
       考慮到這一點，就驅(qū)動顯示屏的處理器或控制器而言，也有很多選擇。一般的經(jīng)驗法則為，微控制器驅(qū)動色神較低、尺寸較小顯示屏的好選擇，其成本低廉；這對于背景圖像只需占用大約150KB(使用16bpp)內(nèi)存的QVGA尺寸的顯示屏(320x240)仍然具有意義。
        然而，MCU的帶寬以及MCU中的內(nèi)核性能常常不足以創(chuàng)造真正豐富的用戶體驗。因此，除了QVGA尺寸，標(biāo)準(zhǔn)選擇更傾向于要么MPU，要么新的嵌入式MPU，各大供應(yīng)商對此均有供貨。實際上，選擇內(nèi)嵌好存儲器的MPU更為普遍。
結(jié)論
        總之，為諸多系統(tǒng)加裝顯示屏的消費潮流正橫掃嵌入式電子產(chǎn)品界。這種簡單的做法促使OEM走上了產(chǎn)品差異化之路并實現(xiàn)了其終端產(chǎn)品的增值，但同時也為剛剛邁入該領(lǐng)域的設(shè)計工程師們提出了新的挑戰(zhàn)。就技術(shù)、色彩和尺寸而言，顯示屏的選擇多種多樣，幾乎每天都在發(fā)生新的變化。因為，移動和消費領(lǐng)域不斷推動顯示技術(shù)朝著日新月異、生動有趣的方向發(fā)展。
       對于新邁入該領(lǐng)域的工程師而言，應(yīng)在初期就確定下來的關(guān)鍵設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是顯示屏的尺寸(單位：像素)，然后根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，剩下的大多數(shù)決策就顯得簡單多了。如果采用大顯示屏，那么就需要配備大量內(nèi)存以及支持該內(nèi)存和界面的控制器或處理器，同時還需要有足夠的性能來驅(qū)動它。