基于LCD器件實(shí)現(xiàn)便攜式儀器儀表的設(shè)計(jì)

頻率特性測(cè)試儀又稱(chēng)為掃頻儀，或頻率響應(yīng)分析儀，它利用矩形具有內(nèi)刻度的示波管作為顯示器，來(lái)直接顯示被測(cè)電路的幅頻特性曲線(xiàn)。但由于示波管的使用，使得整個(gè)儀器在外形上顯得龐大，笨重，如BT-3GII型的掃頻儀重量達(dá)到10kg，不方便移動(dòng)式測(cè)量。為此，本設(shè)計(jì)針對(duì)其顯示部分，將示波管用LCD代替。適用于便攜式儀器儀表中。

硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所選的液晶顯示器是深圳天馬微電子公司的TM320240 EFG，它是一款內(nèi)藏SED1335控制器的點(diǎn)陣式圖形液晶顯示模塊。LCD控制器選用的是EPSON公司的SED1335，內(nèi)部擁有一個(gè)160種5×7點(diǎn)陣字符的字符發(fā)生器，能分區(qū)管理64K的顯示存儲(chǔ)器，并同時(shí)能管理自定義字符發(fā)生器。模塊TM320240EFG的對(duì)外接口實(shí)質(zhì)上就是控制器SED1335與MCU的接口。在單片機(jī)的選型上，考慮到系統(tǒng)功能與電路的簡(jiǎn)潔，采用Atmel 公司推出的AVR 單片機(jī)AT90S8535，內(nèi)嵌8路10位ADC，可直接輸入模擬電壓信號(hào)。

AT90S8535與TM320240EFG接口采用間接訪(fǎng)問(wèn)方式進(jìn)行連接。單片機(jī)通過(guò)控制SED1335完成對(duì)圖形液晶模塊的控制。所謂間接訪(fǎng)問(wèn)方式，就是把TM320240EFG作為終端接在AT90S8535的某個(gè)并行I/O接口上，AT90S8535通過(guò)對(duì)該I/O接口的操作，間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)TM320240EFG的控制。間接訪(fǎng)問(wèn)方式的接口電路與時(shí)序無(wú)關(guān)。

在電路中，AT90S8535使用8位并行PC口作為數(shù)據(jù)線(xiàn)與模塊的數(shù)據(jù)線(xiàn)DB0~DB7連接，另外還需要一個(gè)3位并行接口作為時(shí)序控制信號(hào)線(xiàn)/RD，/WR和A0。把PB口中的PB0作為寫(xiě)信號(hào)接至TM320240 EFG的寫(xiě)控制信號(hào)/WR上；PD口中的PD3作為讀信號(hào)接至TM320240EFG的讀控制信號(hào)/RD上；PD4作為數(shù)據(jù)類(lèi)型選擇信號(hào)與模塊的A0連接。由于這些并行接口在MCU系統(tǒng)中有自己的專(zhuān)用地址，所以TM320240EFG的片選信號(hào) /CS可以不使用，直接接地選通。液晶驅(qū)動(dòng)電源VEE取值為－20V，利用單片DC-DC轉(zhuǎn)換器MC34063從邏輯電源轉(zhuǎn)換生成負(fù)電源。電路中LCD電源控制端V0用來(lái)調(diào)節(jié)顯示屏灰度，電位器R3作為調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度使用。

ADC的0通道輸入經(jīng)過(guò)檢波后的采樣信號(hào)，帶寬為10KHz ，經(jīng)RC濾波去除交流分量。5.1V穩(wěn)壓管起保護(hù)作用，高于5.1V的輸入信號(hào)被限幅在5.1V之內(nèi)。該輸入波形的X軸方向掃描頻率為50Hz，周期為20ms，12ms工作期，8ms消隱期。外部中斷管腳INT0輸入50Hz的方波，作為同步脈沖。MCU的晶振選為6M。

屏幕規(guī)劃

該液晶屏為320×240點(diǎn)陣，將坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0）定在整個(gè)液晶屏的左上角，向右為X坐標(biāo)，向下為Y坐標(biāo)。為美觀起見(jiàn)，四周邊框留出空白區(qū)域，實(shí)際顯示曲線(xiàn)的區(qū)域?yàn)閄方向從第24點(diǎn)到264點(diǎn)，共240個(gè)點(diǎn)距，30字節(jié)；Y方向從第16點(diǎn)到208點(diǎn)，共192個(gè)點(diǎn)距， 24字節(jié)。為方便觀測(cè)，在顯示區(qū)內(nèi)繪制坐標(biāo)軸，用虛線(xiàn)等間距地將橫向分作10小格，豎向分作8小格。

在進(jìn)行圖形顯示時(shí)，起初我們采用的是單層顯示方法，但由于要求實(shí)時(shí)顯示，必須考慮屏幕的刷新問(wèn)題。由于此液晶屏屬多點(diǎn)陣，刷新滿(mǎn)屏需花費(fèi)很長(zhǎng)一段時(shí)間，刷新完后還要在屏幕上重新繪制出坐標(biāo)軸，增加了MCU的操作負(fù)擔(dān)，而且頻繁的滿(mǎn)屏刷新還會(huì)引起屏幕的閃爍現(xiàn)象發(fā)生。因此采取的解決方法為：顯示時(shí)分作兩層顯示，第一層為文本屬性，第二層為圖形屬性。將不需刷新的坐標(biāo)軸、漢字顯示在文本層，首地址$0000。將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新的幅頻特性曲線(xiàn)顯示在圖形層，首地址$1000，并通過(guò)兩層的邏輯“或”操作進(jìn)行合成顯示，以達(dá)到圖文并茂的顯示效果。這樣，在刷新時(shí)，文本層上的坐標(biāo)軸和漢字可以保持不變，所需刷新的僅為圖形層上的曲線(xiàn)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，分層顯示的設(shè)計(jì)思路是正確的。

軟件設(shè)計(jì)

繪制曲線(xiàn)在軟件設(shè)計(jì)上關(guān)鍵是畫(huà)點(diǎn)和消點(diǎn)的程序。

ADC采用單次轉(zhuǎn)換模式，總的轉(zhuǎn)換周期數(shù)為14，總的轉(zhuǎn)換時(shí)間70~280ms，預(yù)分頻器的分頻因子選為32，故ADC時(shí)鐘頻率為6M/32=187.5KHz。所以每一次的轉(zhuǎn)換時(shí)間是14/187.5K=74.666ms，此ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間是在6M的晶體振蕩頻率下最快的采樣時(shí)間。若選小于32的分頻因子，則總的轉(zhuǎn)換時(shí)間太快，將小于70ms，不能實(shí)現(xiàn)?？紤]到實(shí)際需要，ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間越快越適宜，故不采用64以上分頻。

用ox來(lái)記錄X方向字節(jié)數(shù)，初始值為$00，隨點(diǎn)的右移從1到30遞增。當(dāng)ox=30時(shí)，說(shuō)明X方向已到達(dá)有效顯示區(qū)的尾部。code記錄點(diǎn)在字節(jié)中所處位置，畫(huà)奇數(shù)點(diǎn)時(shí)code從$80開(kāi)始右移，畫(huà)偶數(shù)點(diǎn)時(shí)code從$40開(kāi)始右移，每次移動(dòng)2位，移完一字節(jié)后，ox加1。

ADC能轉(zhuǎn)換的最大量程電壓是電路基準(zhǔn)電壓Vre f的值，這里調(diào)節(jié)的是4V。1V占48個(gè)點(diǎn)距。某一時(shí)刻，輸入信號(hào)Z V（Z≤4），則其在屏幕上Y向的位置是208-Z×48。MCU內(nèi)嵌的ADC為10位精度，采樣結(jié)果轉(zhuǎn)化成點(diǎn)的高度的計(jì)算表達(dá)式為：

208-（AD值）×（4/1024）×48=208-（AD值）×3/16 （1）

考慮到輸入信號(hào)的掃描時(shí)間和MCU的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間，整個(gè)屏幕在X方向要顯示240點(diǎn)，只能采取隔列掃描的方法，分兩幀畫(huà)完全屏，第一幀畫(huà)奇數(shù)點(diǎn)，第二幀畫(huà)偶數(shù)點(diǎn)。先在工作期12ms內(nèi)采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行120次AD轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換結(jié)果按順序存入片內(nèi)SRAM中，所以需要100ms啟動(dòng)ADC一次。同時(shí)，把信號(hào)的消隱期8ms加以利用，在整個(gè)20ms周期內(nèi)畫(huà)120個(gè)奇數(shù)點(diǎn)，20ms/120=166.666ms，我們?cè)O(shè)定每隔161.333ms畫(huà)一個(gè)點(diǎn)。畫(huà)點(diǎn)的具體方法為：從SRAM中取出AD值，將每組的AD采樣結(jié)果用式（1）進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)化成Y方向坐標(biāo)，得到點(diǎn)的高度值，送入寄存器oy中。由于屏幕上一橫行是320個(gè)點(diǎn)，即40字節(jié)，顯示區(qū)距離左邊框?yàn)?字節(jié)，可計(jì)算出該點(diǎn)的地址，結(jié)果存于寄存器r7： r6中，表達(dá)式為：

r7： r6 = oy*40+3+$1000+ox（2）

接著再確定該點(diǎn)在此字節(jié)中的位數(shù)，調(diào)用繪點(diǎn)程序即可。畫(huà)完一屏的奇數(shù)點(diǎn)后，等待下一個(gè)同步脈沖到來(lái)，然后，在同樣的掃描時(shí)間內(nèi)，用同樣的方法繪制出120個(gè)偶數(shù)點(diǎn)。這樣，全屏顯示的時(shí)間僅為40ms，人的肉眼觀測(cè)到的是一條連續(xù)的曲線(xiàn)，不會(huì)出現(xiàn)隔列的效果。另外，考慮到屏幕的刷新問(wèn)題，每次畫(huà)點(diǎn)前，都要在此列先消點(diǎn)。消點(diǎn)和畫(huà)點(diǎn)的方法類(lèi)似，程序中用ox1和code1與畫(huà)點(diǎn)加以區(qū)別，這里不再累述。

程序中用寄存器r25作標(biāo)志狀態(tài)寄存器，各標(biāo)志位說(shuō)明如下：

整個(gè)程序應(yīng)用4個(gè)中斷。20ms同步脈沖上升沿觸發(fā)外部中斷EXT_INT0，在中斷服務(wù)程序中，清r25（4，5）=0，并使能兩定時(shí)器T/C0和T/C1。采用T/C0定時(shí)中斷，每100us中斷一次，在中斷服務(wù)程序中，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。同時(shí)采用T/C1輸出比較匹配A中斷，每161.333 us中斷一次，置位畫(huà)點(diǎn)時(shí)間到達(dá)的標(biāo)志。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取采樣值A(chǔ)D，置位r25（5）。

復(fù)位時(shí)間問(wèn)題

在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，程序調(diào)試用的是AVR單片機(jī)的在線(xiàn)仿真器ICE 200。但將調(diào)試好的程序經(jīng)編譯后燒到片子里，液晶屏卻不能正常顯示了。查找原因，主要是單片機(jī)和液晶屏的復(fù)位時(shí)間相差太大引起的。對(duì)于AT90S8535來(lái)說(shuō)，超過(guò)50ns的低電平就會(huì)引起系統(tǒng)復(fù)位；而LCD的控制器SED1335，復(fù)位需要1ms以上的復(fù)位電平。所以需在程序的初始化部分，加一定的延時(shí)，以使LCD正常工作?；剡^(guò)頭來(lái)再思考一下在線(xiàn)仿真能通過(guò)的原因。仿真器上電和液晶屏上電同步，在調(diào)試環(huán)境里，下載程序所花時(shí)間較長(zhǎng)，能夠滿(mǎn)足LCD的復(fù)位時(shí)間要求，故在程序運(yùn)行以后，可使LCD正常顯示。

目前，兼顧功能和價(jià)格兩方面，大量中、高檔儀器儀表已經(jīng)廣泛使用LCD 作為其顯示輸出設(shè)備。本文將點(diǎn)陣式圖形液晶顯示模塊和AVR單片機(jī)AT90S8535相結(jié)合，使頻率特性測(cè)試儀的顯示輸出由原來(lái)的示波管改為液晶屏，符合現(xiàn)階段傳統(tǒng)儀器向智能儀器轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢(shì)，很有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

責(zé)任編輯：gt