LCD屏控制：你需要掌握的理论基础

一、LCD介绍

1. 发展历程

2. 核心优势

3. 主要缺点

二、LCD屏幕工作原理

1. 核心结构

2. 工作原理

三、LCD屏分类

1. 信号类型划分

2. 材质分类

3. 接口类型分类

四、LCD屏常用接口

1. TTL(RGB)接口

2. LVDS接口

3. EDP接口

4. MIPI接口

（1）PHY Layer

（2）Lane Management

（3）Low Level Protocol

（4）Application

5. MCU接口

6. VGA接口

7. HDMI接口

五、RGB和YUV

1. RGB格式

2. YUV格式（方便图像处理）

3. YUV与YCbCr颜色空间的区别

4. YUV采样方式

一、LCD介绍

LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器） 是一种利用液晶分子光学特性控制光线通过量的平面显示技术。

1. 发展历程

1888年：奥地利植物学家Friedrich Reinitzer发现液晶材料
1968年：美国RCA公司研制出首块LCD面板
1990年代：TFT-LCD技术突破，成为主流显示方案

2. 核心优势

低功耗（背光可调）
无闪烁、长寿命（5万小时以上）
成本低于OLED

3. 主要缺点

对比度较低（依赖背光）
响应速度较慢（GTG 1-5ms）
可视角度受限（TN屏）

二、LCD屏幕工作原理

1. 核心结构

偏光片（垂直偏振）
彩色滤光片（RGB子像素）
液晶层（受电场控制旋转角度）
TFT基板（薄膜晶体管阵列）
背光模组（LED/CCFL光源）

2. 工作原理

电场控制：
TFT基板施加电压 → 液晶分子旋转 → 改变光线偏振方向 → 与上层偏光片干涉 → 调节透光量
灰度实现：
通过电压大小控制液晶旋转角度，实现256级灰度（8bit色彩深度）
彩色显示：
每个像素由RGB三个子像素组成，通过滤光片混合颜色

分辨率是指显示器可以显示的像素数量，通常表示为每行像素数乘以每列像素数。例如，1024×768的屏幕可以显示768行，每行1024个像素，总共786*432个像素点。每个像素由红、绿、蓝三个子像素组成，因此总共有235,929,600个子像素。分辨率越高，屏幕显示的像素越多，图像也就越清晰

三、LCD屏分类

LCD接口的选择主要取决于LCD的驱动方式和控制方式。目前彩色LCD的连接方式主要有以下几种：

MCU（Micro Control Unit，微控制单元）接口，也称为MPU（Micro Processor Unit，微处理器单元）接口。
RGB接口。
SPI接口。
VSYNC接口。
MIPI接口。
MDDI接口。
DSI接口等。

1. 信号类型划分

信号类型	特点	应用场景
TTL(RGB)接口	并行传输，TTL电平信号，包含RGB信号，时钟和控制信号	- 24位色深（RGB888） - 时钟频率≤85MHz - 适合小尺寸屏（<7寸）
MCU接口	针对单片机领域，控制简单方便，无需时钟和同步信号，但耗费GRAM，难以做大屏	常用于小尺寸设备，如手机、单片机开发板等
LVDS接口	低压差分信号技术接口，具有低功耗、低噪声、高速传输，抗干扰性号的特点	适用于中大尺寸、对传输速率要求高的产品，如笔记本电脑屏幕
EDP	嵌入式DisplayPort	- 支持4K@120Hz - 整合供电与控制信号 - 笔记本/高端显示器使用
MIPI接口	串行差分总线	- 高带宽（4 Lane可达10Gbps） - 低功耗（LPDT技术） - 手机/平板主流

2. 材质分类

材质	特点	应用场景
TFT-TN	薄膜场效应晶体管，亮度好、对比度高、层次感强，但可视角度较小	常见于中低端显示器、手机屏幕
TFT-IPS	由TFT升级而来，可视角度大、色彩还原准确、触摸无水纹、环保省电	广泛应用于高端显示器、手机屏幕，如iPhone
TFT-VA	垂直配向面板，能够提供更高的对比度以及在静态下提供相对较高的色彩还原度	适用于对对比度要求较高的场景，如高端显示器

3. 接口类型分类

接口类型	特点	应用场景
RGB模式	以RGB（TTL信号）并行数据线传输，适用于5寸及以上的TFT-LCD	常用于较大尺寸的TFT-LCD屏幕
SPI模式	标准SPI接口，分为SPI控制信号+RGB数据线和SPI控制/DATA两种，传输速率受限	适用于传输速率要求不高的小尺寸屏幕
MDDI模式	高通公司推出的接口，在嵌入式中应用不多	特定的嵌入式设备
VSYNC模式	在MCU模式基础上加上了一个VSYNC信号，应用于动画更新	适用于需要动画更新的场景
DSI模式	即MIPI-DSI模式，差分信号，适用于高速场合	广泛应用于移动设备的高速数据传输
MCU模式	即I80（I8080）模式，因广泛应用于单片机领域而得名，控制简单，无需时钟同步，但受限于内部GRAM，很难做到大屏	常用于单片机控制的小尺寸屏幕

四、LCD屏常用接口

1. TTL(RGB)接口

TTL（RGB）接口是液晶显示领域常见的并行数字接口标准，主要用于驱动TFT-LCD屏幕其核心功能是将RGB颜色数据、同步信号和时钟信号直接传输至显示屏，具有结构简单、实时性强的特点。

由于TTL接口信号电压高，连线多，传输线缆长，所以电路的抗干扰能力比较差，且容易产生电磁干扰（EMI）。TTL最高像素时钟只有28MHz。主要信号包括：

引脚	说明
R[0:x]	RGB 的 R 信号5/6/8
G[0:x]	RGB 的 G 信号5/6/8
B[0:x]	RGB 的 B 信号5/6/8
CLK	又称DotCLK信号，像素时钟信号
DE	控制信号，数据有效性信号
HSYNC	控制信号，行同步信号
VSYNC	控制信号，帧同步信号

数据信号：RGB三基色数据线（如R0-R7、G0-G7、B0-B7），位数决定色彩深度。
同步信号：
- HSYNC（行同步）：标记一行数据的起始。（告诉你一行像素点传输完成，接着下一行）
- VSYNC（场同步）：标记一帧图像的起始。（告诉你一整个屏幕像素点传完了，接着下一个屏幕）
时钟信号（DOTCLK）：像素时钟，控制数据传输速率。
数据使能信号（DE）：指示有效数据区间，部分接口替代HSYNC/VSYNC。

2. LVDS接口

LVDS，即Low Voltage Differential Signaling，是一种低压差分信号技术接口。克服以TTL电平方式传输宽带高码率数据时功耗大、EMI电磁干扰大等缺点而研制的一种数字视频信号传输方式。

LVDS输出接口利用非常低的电压（约350mV）在两条PCB走线或一对平衡电缆上通过差分进行数据的传输，即低压差分信号传输。采用LVDS输出接口，可以使得信号在差分PCB线或平衡电缆上以几百Mbit/s的速率传输，由于采用低压和低电流驱动方式，因此，实现了低噪声和低功耗。

LVDS信号的分为单路6位LVDS，双路6位LVDS，单路8位LVDS和双路8位LVDS。特点对比如下表：

类别	单路6bit LVDS	双路6bit LVDS	单路8bit LVDS	双路8bit LVDS
传输方式	单路传输	双路传输	单路传输	双路传输
基色信号的位数	6位	6位	8位	8位
RGB数据位	18位RGB	奇路数据为18位，偶路数据为18位，共36位RGB	24位RGB	奇路数据为24位，偶路数据为24位，共48位RGB
接口标称	18bit LVDS接口	36bit LVDS接口	24bit LVDS接口	48bit LVDS接口

单通道6位数据线常称“单6线”，该线有3组信号线，每个基色采用6位数据，共18位RGB数据。

单通道8位数据线常称“双8线”，该线4组信号线，每个基色采用8位数据，共24位RGB数据。

3. EDP接口

eDP（Embedded DisplayPort）是一种基于DisplayPort架构和协议的一种内部数字接口，可以用较简单的连接器以及较少的引脚来传递高分辨率信号，并能够实现多数据同时传输，所以它的传输速率也要远高于LVDS。适用于平板电脑、笔记本、一体机、大屏幕高分辨率手机。

液晶显示屏中EDP接口特点：

微封装结构，能够实现多数据的同时传输
无需LVDS转换电路，电路简洁。
较小的EMI（电磁干扰），并具有强大的版权保护功能（本身的数据保护功能）。

举个例子，以分辨率为1920x1200、24bit彩色的液晶显示屏为例，如采用LVDS接口，则数据传输线需10对（一路8位需要四队信号线，两路8位需要8对信号线，每一路时钟信号线需要一对，加在一起就是10对信号线）；若采用EDP接口，则只需要4对线。由此可见，EDP接口的优势相当明显，特别是在高清屏中。近年来，为了提高面板及处理器间的数据传输速度，在工控机及工业平板电脑中已大量采用EDP接口，EDP接口正迅速成为主流接口。

（1）如上图所示，为eDP接口的典型连接框图。整个eDP接口信号由四部分组成：

Main Link：主通道；1-4对差分线组成（具体几对取决于LCD），用来传输视频数据和音频数据；速率1.6/2.7/5.4Gbps；没有时钟线；
AUX CH：辅助通道；双向半双工；用于传输低带宽需求的数据，以及链路管理和设备控制信号；（这是翻译的，个人理解是可以读取屏的一些信息，如厂家、分辨率等）
HPD：热插拔检测通道，单向；
BLC Control：背光控制引脚，对于1.2及以上版本，这个是可选的，如果LCD支持1.2及以上，硬件接口连接是可以不用背光控制引脚，直接通过AUX来控制背光。

（2）EDP接口屏分析

（2）EDP和LVDS对比

特性	eDP	LVDS
数据&时钟线	1-4对数据线<br>没有单独的时钟线	较多的数据线单独的时钟线
每对位速率	1.6，2.7，5.4Gbps	945Mbps
总容量	1.6-21.6Gbps	7.56Gbps
时钟	嵌入式的	每个通道有单独的时钟线
传输类型	封包的视频音频和其它传输数据，可扩展格式	仅限未压缩的视频信号（只传视频信号）
双向数据通道	1Mbps or 720Mbps	100 kbps
信道编码	ANSI 8B/10B	Serialized at 7x pixel clock rate
内容保护	HDCP	None

4. MIPI接口

MIPI (Mobile Industry Processor Interface) 是2003年由ARM、Nokia、ST、TI等公司成立的一个联盟，目的是把手机内部的接口如摄像头、显示屏接口、射频/基带接口等标准化，从而减少手机设计的复杂程度和增加设计灵活性。

MIPI 联盟下面有不同的WorkGroup，分别定义了一系列的手机内部接口标准，比如摄像头接口CSI、显示接口DSI、射频接口DigRF、麦克风/喇叭接口SLIMbus等。统一接口标准的好处是手机厂商根据需要可以从市面上灵活选择不同的芯片和模组，更改设计和功能时更加快捷方便。下图是按照 MIPI 的规划下一代智能手机的内部架构。

MIPI是一个比较新的标准，其规范也在不断修改和改进。目前比较成熟的接口应用有DSI（显示接口）和CSI（摄像头接口）。CSI/DSI分别是指其承载的是针对Camera或Display显示应用，都有复杂的协议结构。

MIPI-DSI是一个应用于显示技术的串行接口。它以串行方式向外围设备(实际上是液晶显示器)发送像素信息或指令，并从外围设备读取状态信息或像素信息。在传输过程中，它享有自己独立的通信协议，包括数据包格式和纠错检测机制。下图是MIPI-DSI接口的简单示意图。

MIPI-DSI应用层、协议层，信道管理层特点：

（1）PHY Layer

1. 物理层功能：

将通道管理层并行数据转换成串行数据发送；
将接收到的串行数据转换成并行数据，传输给通道管理层。

2. 信号接口：

一个时钟Lane，两根线一个Dp、Dn；
数据lane，两根线一个差分对。数据lane的数量从1开始，其中只有lane0是双向的（低速模式双向，高速模式也只能是单向），其他的都只能是单向（高速模式单向）。（解释一下，为什么lane0是双向的，因为有些时候需要向LCD读取一些LCD相关的数据信息）。

3. 信号电平：

信号有两种工作状态，高速模式状态（HS）和低速模式状态（LP）。在每一个状态下，信号电平不一样。

（2）Lane Management

主要功能是将要发送的数据，按照字节为单位（MIPI-DSI是按照字节传输的，从低位到高位），分配到各个数据lane上；将lane上接收到的数据，恢复成原来的字节顺序。

（3）Low Level Protocol

主要功能是将打包数据和解包数据，将数据通道管理层传来的数据包解包，传输到应用层；将应用层送来的数据，打包成数据包的形式传输到通道管理层。

（4）Application

应用层是直接连接到LCD的，负责与LCD之间的通信。对于LCD来说，协议层是将来自MIPI控制器的数据转化成DPI（Display Pixel Interface）或者DBI（Display Bus Interface）供给显示模组。

MIPI DSY接口分析：

5. MCU接口

因为主要针对单片机的领域在使用，因此得名。后在中低端手机大量使用，其主要特点是价格便宜。MCU-LCD接口的标准术语是Intel提出的8080总线标准，因此在很多文档中用I80来指MCU-LCD屏。主要又可以分为8080模式(Intel)和6800模式(Moto)，这两者之间主要是时序的区别。信号线有CS/、RS、RD、WR/、数据线。

MCU接口LCD的Driver IC 都带GRAM(数据先写到它内部的GRAM中然后再显示到屏幕上)，Driver IC作为MCU的一个协议处理，接收MCU发过来的Command/Data，可以相对独立的工作。对于MCU接口的LCM(LCD Module)，其内部的芯片就叫LCD驱动器。主要功能是对主机发过来的数据/命令，进行变换，变成每个像素的RGB数据，使之在屏上显示出来。这个过程不需要点、行、帧时钟。

（1）优点是：控制简单方便，无需时钟和同步信号。

（2）缺点是：要耗费GRAM，所以难以做到大屏（3寸以上）

MCU接口标准名称是I80，控制管脚有5个：

CS 片选信号
RS (置1为写数据, 置0为写命令)
/WR (为0表示写数据) 数据命令区分信号
/RD (为0表示读数据)
RESET 复位LCD (用固定命令系列 0 1 0 来复位)

6. VGA接口

Video Graphics Array视频图形阵列是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。VGA接口即电脑采用VGA标准输出数据的专用接口。VGA接口共有15针，分成3排，每排5个孔。它传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)。

7. HDMI接口

HDMI接口，全名叫做高清晰度多媒体接口（英文：High Definition Multimedia Interface, HDMI），是一种数字化视频/音频接口技术，是适合影像传输的专用型数字化接口，可以同时传送音频和视频信号，最高数据传输速度为2.25GB/S，同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换。

8. IIC/SPI接口

IIC/SPI接口的屏一般都是小尺寸的LCD屏，通过SPI/I2C总线把命令和数据传输到LCD屏的驱动IC里面，驱动IC自带显存，只需要把数据写入，然后发送命令让其显示即可。

五、RGB和YUV

1. RGB格式

RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的。常见的RGB像素格式有RGB565, RGB888等。

2. YUV格式（方便图像处理）

YUV：与RGB编码方式类似，是一种颜色编码方法，主要用于电视系统以及模拟视频领域。它是指将亮度参量（Y：Luminance或Luma）和色度参量（UV：Chrominance或Chroma）分开进行表示的像素编码格式。将一幅图像中的亮度信息和色彩信息分开可以更好的进行相关图像处理算法的实现，同时还可以通过减少色度的采样降低视频的传输带宽。

YUV使用RGB的信息，它从全彩色图像中产生一个黑白图像，然后提取出三个主要的颜色变成两个额外的信号来描述颜色。把这三个信号组合回来就可以产生一个全彩色图像。