俄罗斯方块段码液晶屏驱动

网上入手了一个俄罗斯方块掌机，想取其屏幕用于DIY，但找遍全网均没有屏幕面板资料。经过几个月的摸索，已经能够点亮，记录全过程。

## 段码液晶

相关资料：
* [知乎·段码液晶屏学习应用笔谈](https://zhuanlan.zhihu.com/p/443527392?utm_id=0)
* [CSDN·段式LCD原理](https://blog.csdn.net/xiebingsuccess/article/details/91876306)

段码式液晶屏一种古老的显示屏，早期主要用来替代数码管，显示的笔段可以制作成不同的形状，因此演变成各种各样的样式。

![seg segpowerstyle={max-width: 80%;min-width=300px}](/notebook/publish/i/caoliang.net/img/75aea405d724a53a82ea170b696a9045.jpg)

#### 1. 段码液晶屏（Segment LCD）基本结构:

* 由两片平行玻璃基板构成，中间填充液晶材料
* 每片玻璃内表面镀有透明导电电极（通常为氧化铟锡ITO）
* 上下基板外侧各贴有一层偏光片，两者的偏振方向呈90°正交
* 液晶分子在未加电时呈现自然螺旋排列（TN型液晶的典型特性）

#### 2. 光学原理

* 未加电压时：
 液晶分子的螺旋结构会使光线偏振方向旋转90°，与下层偏光片匹配而透光（显示亮态）
* 施加电压时（>阈值电压Vth，通常2-3V）：
 电场迫使液晶分子沿电场方向排列，失去旋光性，光线被下层偏光片阻挡而遮光（显示暗态）
* 必须使用交流驱动（通常30-200Hz方波）以避免液晶电解老化

![seg segpowerstyle={max-width: 80%;min-width=300px}](/notebook/publish/i/caoliang.net/img/a5dc7e65f67be7f0e112b9a0a1b17726.jpg)

段码屏的每一个显示段，可以看作是一个特殊形状的像素。每个显示段都由两个电极控制，当施加适当电压时就能改变其显示状态。

在实际制造中，为了减少所需的驱动引脚数量，多个像素的某一侧电极会连接在一起，形成公共端。这样就构成了类似网格的行列结构，这些公共端即COM端和SEG端。COM端和SEG端的组合可以驱动不同的像素，映射关系即为真值表:

![seg segpowerstyle={max-width: 95%;min-width=300px}](/notebook/publish/i/caoliang.net/img/ad6d112666dc4313b462ee1a2ebdb19c.jpg)
![seg2 segpowerstyle={max-width: 95%;min-width=300px}](/notebook/publish/i/caoliang.net/img/8f5639d8f7bc35b9cc539c54cb8a654a.jpg)

这种设计思路和LED点阵屏的行列扫描方式很相似，都是通过行列交叉的方式来控制各个显示单元，但在驱动方式上，段码屏和LED点阵有本质区别。

## LED点阵驱动方式

LED点阵屏采用逐行点亮的方式工作。由于LED只能单向导电，控制起来很简单：给要点亮的那一行施加正向电压，同时给其他行施反向电压。这样就能确保每次只点亮目标行的LED，其他行都保持熄灭，通过快速轮换实现整体显示效果。

以一个例子说明，假如要点亮第一行第一个像素，同时关闭其他像素，可以按下述策略设置行（R）和列(C)的电压：
```text

C1       C2
       │         │
R1 ────┼────┬────┼────┬─── +5v
       │    │    │    │
       ├─|◀─┘    ├─|◁─┘   ...
       │ +5V     │ 0V
       │         │
R2 ────┼────┬────┼────┬─── 0V
       │    │    │    │
       ├─|◁─┘    ├─|◁─┘   ...
       │ 0V      │ -5V
       │         │
      ...       ...
       │         │
      0V       +5v
```

四个像素的压差均在二极管下发用数字标明，可以看到：
* 左上角的像素为正向电压，且超过LED发光的阈值，像素点亮；
* 右上、左下的像素没有压差，像素不点亮；
* 右下的像素，虽然有5V压差且超过阈值，但因为是反向电压，像素不点亮。

## 段码屏驱动方式

上述的扫描方式若用来驱动段码液晶就完全不可行了。以上为例，若换成段码液晶屏，虽然左上角像素可以点亮，并且右上和左下的像素因为压差未到达阈值电压Vth而不点亮，但右下角的像素却无法关闭！因为段码屏的像素没有单向导电性，只要像素两端压差超过Vth即会点亮。

因此，如果直接采用与LED点阵相同的扫描驱动方式来驱动段码液晶屏，会导致一个严重的问题：在扫描某一行时，其他非扫描行上的像素也会被部分点亮。这种串扰现象会造成屏幕整体呈现全黑或全灰的显示效果，使得原本要显示的图像完全无法辨认，失去了画面应有的对比度和清晰度。

段码液晶需要更精细的电压控制即：
* 选中段电压 Von ≥ Vth
* 非选中段电压 Voff ＜ Vth

有一种方式可以满足上述条件，假设段码屏的驱动电压为3.3V，阈值电压为1V，点亮左上角像素，同时关闭其他像素：
```text
       COM1       COM2
         │         │
SEG1 ────┼────┬────┼────┬─── 1.65V
         │    │    │    │
         ├─||─┘    ├─||─┘ 
         │1.65V    │0.83V
         │         │
SEG2 ────┼────┬────┼────┬─── 3.3V
         │    │    │    │
         ├─||─┘    ├─||─┘ 
         │ 0V      │-0.82V
         │         │
        3.3V       2.48V

可以看到，只有左上角的像素压差超过了阈值Vth。
再查看另一种情况：点亮右上角的像素，同时关闭其他像素，此时只需要将COM1调整为2.48V，将COM2调整为3.3V即可。

由于段码屏需要交流驱动，在扫描完成COM1、COM2之后，下一轮次需要反向压差。
依旧只点亮左上角像素，可以按如下方式：

COM1       COM2
         │         │
SEG1 ────┼────┬────┼────┬─── 1.65V
         │    │    │    │
         ├─||─┘    ├─||─┘ 
         │-1.65V   │-0.82V
         │         │
SEG2 ────┼────┬────┼────┬─── 0V
         │    │    │    │
         ├─||─┘    ├─||─┘ 
         │ 0V      │0.83V
         │         │
         0V      0.83V

效果同上。
```
以上的电压数字中，0.83V（0.82V）、1.65V、2.48V并非为特殊数字，它们分别为驱动电压的1/4、1/2和3/4！总结一下要点：
1. 正向电压扫描时：
 * 选中的行COM设置为VCC，非选中设为3/4 VCC
 * 对于选中的像素 SEG为1/2 VCC，非选中设为 VCC
2. 反向电压扫描时：
 * 选中的行COM设置为GND，非选中设为1/4 VCC
 * 对于选中的像素 SEG为1/2 VCC，非选中设为 GND

只需设计一个电路满足下述条件即可完美驱动屏幕：
1. 使COM产生0/4、1/4、3/4和4/4倍的驱动电压
2. 使SEG产生0/4、2/4和4/4倍的驱动电压

一般来讲，MCU的IO只能产生两种固定电压，要驱动段码液晶屏需要外挂驱动IC，后者的内部有专用的电路可以产生不同档位的电平。但有一种权电阻网络的电路结构，也可以实现类似的功能：
```shell
    VCC
    ─┬─
    ┌┴┐100KΩ
    │A│
    └┬┘ ┌────┐50KΩ
COM ─┼──┤ C  ├─── BIAS
    ┌┴┐ └────┘
    │B│
    └┬┘100KΩ
    ─┴─
    GND
```
其中COM直连MCU的IO，根据电阻分压原理可得：

| 分压| COM | BIAS |
|-------|-------|-------|
| 0/4 | Lo | Hi-Z |
| 1/4 | Hi-Z | Lo |
| 2/4 | Hi-Z | Hi-Z |
| 3/4 | Hi-Z | Hi |
| 4/4 | Hi | Hi-Z |

由于BIAS只在输出1/4和3/4倍的电压时产生作用，对于SEG的电路，可以直接移除BIAS以简化设计。