應(yīng)用于儀器儀表的背光可控液晶管理系統(tǒng)

馮 燕 易龍強(qiáng) 熊 政

(威勝集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引言

伴隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品使用的便捷性與人性化設(shè)計(jì)已逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的高端電子式電能表采用分辨率為160×80的點(diǎn)陣圖形液晶屏，其畫面的清晰度、保真度、直觀性均有待提高，特別是背光亮度的控制。液晶屏的亮度受制造材料的影響較大，導(dǎo)致各液晶屏的亮度不一致，且液晶顯示模塊的電源不可控或者控制不可靠，顯示對比度也不能隨溫度的變化而自動調(diào)節(jié)。

電子式電能表作為電網(wǎng)重要的儀器儀表設(shè)備，其重要數(shù)據(jù)可通過液晶屏幕直接查看，液晶顯示的清晰度、直觀性與易操作性從很大程度上體現(xiàn)了電表的性能與品質(zhì);同時，動態(tài)畫面的保真度為電表顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時性提出了新要求［1－2］。為克服傳統(tǒng)電能表液晶顯示的不足，滿足用戶對電子產(chǎn)品的新需求，新生代電能表液晶顯示管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 液晶模塊簡介

系統(tǒng)采用分辨率為320×240的點(diǎn)陣式雙圖層混合顯示液晶模塊，其核心芯片采用臺灣瑞佑科技(RAIO)的RA8806。RA8806是一種具備文字與繪圖模式的點(diǎn)矩陣液晶顯示控制器。

RA8806內(nèi)建雙圖層顯示內(nèi)存以及512 kB ROM的字型碼，可顯示全型的繁體中文字體(BIG5，13 973個字型)或簡體中文字體(GB，9 216個字型)，也可顯示大部分用于英語系和歐洲國家的半型字字母及符號，其中沒有使用的圖層內(nèi)存可作為字型創(chuàng)造內(nèi)存(300全字型)。強(qiáng)大的文字排版功能是RA8806控制器的突出特點(diǎn)，如文字對齊、行距設(shè)置、字型縮放以及文字旋轉(zhuǎn)等;同時，它還支持4灰階顯示，使得液晶模塊背光亮度更有層次感，文字編輯更方便自由［3］?？傊?，相對于傳統(tǒng)應(yīng)用于電子式電能表的液晶屏，該高清晰高性能的液晶模塊具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，能為電能表提供優(yōu)質(zhì)的畫面，便于電能表的功能擴(kuò)展［3］。

2 系統(tǒng)綜述

通過對液晶模塊背光可控的管理系統(tǒng)的研究，研制出高性能的液晶模塊和靈活可靠的控制電路。液晶模塊具有低功耗、高分辨率以及數(shù)據(jù)傳輸速率快的特點(diǎn)，無背光時功耗低于0.1 W，分辨率為320×240，數(shù)據(jù)傳輸線為總線式，傳輸時鐘速率可達(dá)3 MHz［4］?？刂齐娐返谋彻饬炼瓤删幊陶{(diào)節(jié)，主要通過PWM波控制三極管開關(guān)，而三極管控制液晶模塊背光電源的開啟與關(guān)斷，CPU調(diào)節(jié)PWM波可精確地控制液晶屏的背光亮度。

由于計(jì)量模塊與系統(tǒng)主控芯片的數(shù)據(jù)交互采用10 MHz的同步串行通信口，其速率與傳統(tǒng)的RS-232通信相比有了質(zhì)的飛躍。

10 MHz同步串行通信數(shù)據(jù)傳輸模式解決了液晶顯示數(shù)據(jù)的刷新頻率不夠的問題，使得采樣數(shù)據(jù)實(shí)時性更強(qiáng)、圖形顯示更保真。與此同時，液晶顯示對比度可通過負(fù)溫度系數(shù)電阻調(diào)節(jié)，對于工作在各種不同環(huán)境下的電子式電能表而言，此特性顯得尤為突出。綜上所述，新型液晶管理系統(tǒng)可全方位地提升電能表的液晶顯示品質(zhì)，符合電子產(chǎn)品的技術(shù)與市場發(fā)展方向。

3 系統(tǒng)功能模塊說明

管理系統(tǒng)包含多個功能模塊，分別為主控電路、液晶顯示模塊、液晶背光控制與電源管理電路以及顯示對比度自動調(diào)節(jié)電路。其中主控電路(計(jì)量模塊+主控芯片+驅(qū)動芯片)與液晶顯示模塊共同構(gòu)成液晶數(shù)據(jù)顯示通道，包括數(shù)據(jù)的傳輸通道和數(shù)據(jù)的液晶顯示兩大部分。數(shù)據(jù)的傳輸通道主要指計(jì)量模塊將處理后的采樣數(shù)據(jù)上傳給主控芯片的途徑，數(shù)據(jù)的液晶顯示則指主控芯片將數(shù)據(jù)直接或處理后在液晶模塊上進(jìn)行有效顯示。

液晶管理功能模塊框圖如圖1所示。

圖1 液晶管理功能模塊Fig.1 LCD management functional module

本管理系統(tǒng)的顯示數(shù)據(jù)主要源自經(jīng)計(jì)量模塊處理后的采樣數(shù)據(jù)，通過SSC同步串行口上傳給主控芯片，數(shù)據(jù)上傳的時鐘速率可達(dá)10 MHz，提升了電能表管理平臺與計(jì)量模塊的數(shù)據(jù)交互速度，增強(qiáng)了采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時性。主控芯片將獲得的數(shù)據(jù)直接或處理后通過時鐘速率為3 MHz的并行總線傳送給液晶模塊，液晶模塊將數(shù)據(jù)以數(shù)字、漢字、圖標(biāo)和波形等型式顯示在屏幕上。

液晶背光控制與電源管理電路是整個管理系統(tǒng)的精髓所在，主控電路通過該電路實(shí)現(xiàn)對液晶顯示模塊的背光亮度的控制與供電電源的管理。顯示對比度自動調(diào)節(jié)電路則使液晶顯示模塊可隨環(huán)境特別是溫度的變化自動調(diào)節(jié)對比度，從而使液晶畫面更清晰可見。各模塊相輔相成、相得益彰，以構(gòu)建清晰度高、保真度高、性能穩(wěn)定、控制靈活的液晶管理系統(tǒng)，從而提升產(chǎn)品品質(zhì)，滿足不同客戶的需求。

4 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的液晶管理工作原理如圖2所示。

圖2 液晶管理工作原理圖Fig.2 Operational principle of LCD management

由圖2可以看出，液晶背光控制與電源管理電路由控制開關(guān)管 Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成，主控芯片、計(jì)量模塊以及驅(qū)動芯片形成主控電路，高精密電阻R1與負(fù)溫度系數(shù)電阻R2構(gòu)成顯示對比度自動調(diào)節(jié)電路。顯而易見，液晶管理系統(tǒng)的核心控件為主控芯片AT91SAM9G20［7］。主控芯片的總線采用 1.8 V 供電［8］，故驅(qū)動芯片除了增強(qiáng)總線驅(qū)動能力外，還兼顧電平轉(zhuǎn)換的功能。

主控芯片通過I/O復(fù)用腳控制液晶屏的背光電源，當(dāng)I/O口配置為PWM波輸出時，可平滑控制背光亮度，將其調(diào)節(jié)至視覺最佳狀態(tài)。如電表進(jìn)入低功耗狀態(tài)時，主控芯片可關(guān)斷液晶模塊的供電電源和液晶背光供電電源，通過配置I/O口的高低電平控制三極管Q2與Q4基極電流的輸出，進(jìn)而控制Q1與Q3的柵極電壓，從而有效地控制系統(tǒng)供電電源的導(dǎo)通與關(guān)斷。此設(shè)計(jì)充分利用MOS管飽和區(qū)管壓降低且穩(wěn)定的特點(diǎn)，同時利用三極管實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換以及有效關(guān)斷MOS管(MOS管不易被關(guān)斷)，實(shí)現(xiàn)對液晶供電部分的靈活有效控制［5］。

液晶顯示數(shù)據(jù)傳輸通道包含數(shù)據(jù)源端與顯示終端。數(shù)據(jù)源于以下兩部分:①A/D采樣獲取的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)量模塊通過算法處理后上傳給主控芯片;②主控芯片從外部電路中獲取的監(jiān)控信息和數(shù)據(jù)。液晶顯示模塊為顯示終端，其通過8 bit并行數(shù)據(jù)總線與主控芯片相連，實(shí)際設(shè)計(jì)中傳輸時鐘速率可達(dá)3 MHz。

以往電能表的主控芯片與液晶模塊采用串口進(jìn)行通信，且計(jì)量與管理間的數(shù)據(jù)傳送采用異步串口RS-232，最高傳輸波特率為115 200 bit/s，在數(shù)據(jù)量大且數(shù)據(jù)實(shí)時性要求高的情況下具有明顯的不足。系統(tǒng)主控芯片與計(jì)量模塊通過同步串口SSC相連，同步時鐘實(shí)際應(yīng)用已達(dá)10 MHz，解決了現(xiàn)有電能表的數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了液晶顯示圖形特別是諧波波形的平滑保真［5－8］。

5 結(jié)束語

隨著電子式電能表功能的日益強(qiáng)大，液晶顯示模塊顯示內(nèi)容的清晰度與豐富多樣性已成為設(shè)計(jì)者必需關(guān)注的問題。背光亮度可控的液晶管理系統(tǒng)是典型的工業(yè)液晶顯示控制電路，它從背光、對比度、顯示數(shù)據(jù)刷新率以及供電管理等多方面提升了電子式電能表對液晶模塊的控制調(diào)節(jié)能力，同時也從很大程度上提升了液晶顯示畫面品質(zhì)、屏幕操作的便捷性以及顯示內(nèi)容的直觀性與實(shí)時性。

本設(shè)計(jì)引入低功耗的設(shè)計(jì)理念，主控芯片的總線采用1.8 V供電，選用低功耗設(shè)計(jì)的液晶模塊，液晶模塊的供電電源與背光電源都可控，有效地提高了主芯片對能效的管理能力。該方案采用較為通用的設(shè)計(jì)思路，不僅可以應(yīng)用于電能計(jì)量系統(tǒng)，而且對于其他工業(yè)液晶顯示應(yīng)用場所也具有借鑒意義。

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