LCD与TFT显示系统开发 - 第1节

1. LCD TFT显示技术基础

TFT-LCD（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，薄膜晶体管液晶显示器）是目前嵌入式设备中最主流的显示技术。其核心原理是利用薄膜晶体管控制每个子像素的电压，从而改变液晶分子的排列方向，控制背光透过率，最终实现图像显示。

TFT 阵列中的每个像素由三个子像素（红、绿、蓝）组成，每个子像素对应一个独立的薄膜晶体管。当栅极驱动电路选中某一行时，源极驱动电路将对应的灰度电压写入该行所有子像素的存储电容中，电压保持到下一帧刷新。液晶分子在电场作用下发生扭转，改变通过偏振光的光强，配合彩色滤光片产生丰富的色彩。

1.2 像素与分辨率

像素是显示图像的最小单位，每个像素由 R、G、B 三个子像素构成。分辨率则指屏幕上像素的总数量，通常以“水平像素数 × 垂直像素数”表示。

1.3 色彩深度：RGB565 与 RGB888

色彩深度决定每个像素能显示的颜色数量。嵌入式 LCD 驱动中最常用的两种格式是 RGB565 和 RGB888。

RGB565 数据排列示例：

// 一个像素的 16 位数据布局（大端模式）
// Bit 15-11: R[4:0]  红色 5 位
// Bit 10-5 : G[5:0]  绿色 6 位
// Bit 4-0  : B[4:0]  蓝色 5 位
uint16_t pixel = (red << 11) | (green << 5) | blue;

// 常用颜色宏定义
#define COLOR_BLACK   0x0000
#define COLOR_WHITE   0xFFFF
#define COLOR_RED     0xF800
#define COLOR_GREEN   0x07E0
#define COLOR_BLUE    0x001F
#define COLOR_YELLOW  0xFFE0

1.4 背光与偏光片

背光系统

TFT-LCD 属于被动发光器件，必须依靠背光提供光源。嵌入式设备中常用 LED 背光，通过 PWM 调节亮度。

• LED 背光类型： 侧入式（Edge-lit）和直下式（Direct-lit）。小尺寸屏几乎全部采用侧入式，通过导光板均匀分布光线。
• PWM 调光： 通过改变占空比控制背光亮度。频率通常设置在 1 kHz ~ 20 kHz，避免人眼可见闪烁。
• 背光驱动芯片： 常用 MP3302、PT4105、TPS61165 等，支持升压和恒流控制。

// 背光 PWM 初始化示例（STM32 HAL）
void Backlight_Init(void) {
    TIM_HandleTypeDef htim;
    htim.Instance = TIM2;
    htim.Init.Prescaler = 84 - 1;          // 84 MHz / 84 = 1 MHz
    htim.Init.Period = 1000 - 1;           // 1 MHz / 1000 = 1 kHz
    htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim);

    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 500;                 // 50% 占空比
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim, TIM_CHANNEL_1);
}

偏光片的作用

偏光片是 TFT-LCD 中不可或缺的光学元件，分为上偏光片和下偏光片，偏振方向相互垂直（正交）。

当液晶层未加电压时，液晶分子扭转 90°，偏振光方向旋转后通过上偏光片，像素呈现亮态。施加电压后，液晶分子直立，偏振光方向不变，被上偏光片阻挡，像素呈现暗态。通过控制电压大小，可以实现 0~255 级的灰度显示。