顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)

漆 強(qiáng), 蔣 泉, 劉 爽

(電子科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610054)

隨著顯示技術(shù)的發(fā)展,新型顯示器件在人類的生產(chǎn)生活中大量使用,比如戶外的大屏幕LED(發(fā)光二極管)顯示屏、手機(jī)的液晶顯示屏、柔性顯示器件及OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)電視[1-2]。對(duì)于光電專業(yè)的學(xué)生,掌握這些新型顯示器件的顯示原理,并設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路,編寫驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序,是必備的基本技能。

目前市面上常見的顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),基本采用成品的顯示模組,將驅(qū)動(dòng)芯片和顯示屏封裝在一起,用戶無法了解驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),也無法利用示波器觀察驅(qū)動(dòng)顯示屏所需的信號(hào)時(shí)序,如行信號(hào)、場(chǎng)信號(hào)和點(diǎn)時(shí)鐘等。學(xué)生最后只能掌握軟件的開發(fā),而無法掌握顯示驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法。為此,本文設(shè)計(jì)了顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱,它包含了兩種常用顯示器件：矩陣LED顯示屏和段式液晶屏。在硬件電路的設(shè)計(jì)上,使用微控制器和可編程邏輯器件為主控單元,利用常用的數(shù)字集成電路和專用驅(qū)動(dòng)芯片作為顯示驅(qū)動(dòng)電路。在軟件設(shè)計(jì)上,提供了從底層驅(qū)動(dòng)代碼到各種動(dòng)態(tài)顯示效果,以及圖形用戶界面的相關(guān)程序[3]。

1 實(shí)驗(yàn)箱整體設(shè)計(jì)方案

顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱采用了模塊化設(shè)計(jì)理念,分成了主控系統(tǒng)模塊、矩陣LED顯示屏驅(qū)動(dòng)模塊和段式液晶屏驅(qū)動(dòng)模塊3個(gè)模塊,其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)物圖見圖2,整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱大小為40 cm×20 cm,采用220 V市電供電。為防止外界的沖擊和碰撞損壞顯示屏,定制了金屬的實(shí)驗(yàn)箱體，起到了比較好的保護(hù)作用。手提箱式的設(shè)計(jì),也便于實(shí)驗(yàn)箱的移動(dòng)和搬運(yùn)。

圖1 顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)框圖

圖2 顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)箱硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控系統(tǒng)電路

主控系統(tǒng)采用了宏晶科技的51內(nèi)核單片機(jī)STC89C52和Altera公司的可編程邏輯器件EPM240,并提供了在線下載(ISP)接口,用于程序的下載和調(diào)試[4]。在電路設(shè)計(jì)時(shí),將單片機(jī)功能引腳(P0—P3)全部引入到可編程邏輯器件EPM240。利用EPM240內(nèi)部的邏輯電路進(jìn)行切換,可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和可編程邏輯器件分別控制矩陣LED顯示屏和段式液晶屏。具體實(shí)現(xiàn)原理如下：當(dāng)單片機(jī)單獨(dú)控制時(shí),EPM240內(nèi)部邏輯進(jìn)行引腳直連,將單片機(jī)的功能引腳短接到對(duì)應(yīng)的控制接口；當(dāng)可編程邏輯器件控制時(shí),直接利用其內(nèi)部邏輯完成控制,此時(shí)單片機(jī)引腳不起作用。同時(shí)擴(kuò)展了32KB的靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)用于存放顯示時(shí)的圖片和字庫等信息。

主控系統(tǒng)的電路原理圖如圖3所示。

圖3 主控系統(tǒng)電路原理圖

2.2 矩陣LED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路

矩陣LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)方式一般分為靜態(tài)掃描和動(dòng)態(tài)掃描。靜態(tài)掃描對(duì)每一個(gè)顯示像素點(diǎn)都使用單獨(dú)的控制引腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng),當(dāng)像素點(diǎn)較多時(shí),需要使用大量的控制引腳。動(dòng)態(tài)掃描方式則使用行掃描或列掃描方法,復(fù)用行、列控制引腳,讓每行或每列的顯示像素輪流發(fā)光,節(jié)省了控制引腳,但是需要在軟件上循環(huán)調(diào)用顯示程序[5]。

本實(shí)驗(yàn)箱的矩陣LED顯示屏設(shè)計(jì)為48行×64列,利用8×8的共陽極LED模塊組合而成。顯示屏的像素點(diǎn)為3072個(gè),無論是單片機(jī)還是可編程邏輯器件都沒有這么多控制引腳來驅(qū)動(dòng)每一個(gè)像素點(diǎn),因此驅(qū)動(dòng)方式選擇行掃描方式。

基本原理：列信號(hào)在移位時(shí)鐘的作用下逐列送出顯示數(shù)據(jù),當(dāng)一行的64列數(shù)據(jù)送完后,利用鎖存信號(hào)將該行數(shù)據(jù)同時(shí)輸出到輸出寄存器(避免在移位過程中出現(xiàn)顯示內(nèi)容的變化)；同時(shí)行掃描信號(hào)選中該行,將該行的64列像素點(diǎn)同時(shí)顯示,然后開始下一行顯示數(shù)據(jù)的移位輸出和顯示。利用人眼的視覺暫留效果,只要一屏顯示數(shù)據(jù)在20 ms之內(nèi)完成顯示(掃描頻率大于50 Hz),則將會(huì)看到靜止無閃爍的畫面[6]。

驅(qū)動(dòng)電路主要的控制信號(hào)如下：

CSDI：列信號(hào),即每一行的顯示數(shù)據(jù),高電平時(shí)對(duì)應(yīng)的象素點(diǎn)顯示；

CCLK：列數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘,即點(diǎn)時(shí)鐘,上升沿觸發(fā)；

COE：亮度控制信號(hào),低電平有效；

CST：列數(shù)據(jù)鎖存,上升沿觸發(fā)；

RRST：清屏信號(hào)；

RSDI：行選通信號(hào),低電平時(shí)對(duì)應(yīng)的行選通；

RCLK：行掃描時(shí)鐘,上升沿觸發(fā)。

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)選擇了常見的數(shù)字電路。列驅(qū)動(dòng)電路使用68595移位寄存器,1片68595可以將8位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù),利用8片68595的級(jí)聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)64位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為64位并行數(shù)據(jù)同時(shí)輸出。行驅(qū)動(dòng)電路每次選中1行數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,使用了8位的移位寄存器CD4015,將6片CD4015進(jìn)行級(jí)聯(lián),形成48位的移位寄存器。每一屏顯示時(shí),送出1個(gè)行選通信號(hào),該選通信號(hào)在行移位時(shí)鐘的作用下依次選中每一行進(jìn)行顯示。每一行顯示時(shí),行驅(qū)動(dòng)電路需要提供64個(gè)LED同時(shí)顯示時(shí)所需的電流,因此還利用MOS管APM4953提供足夠的行驅(qū)動(dòng)電流[7]。

矩陣LED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路的電路原理圖如圖4所示(由于原圖較大,這里只給出了一個(gè)8×8共陽極LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路)。

圖4 矩陣LED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.3 段式液晶屏驅(qū)動(dòng)電路

段式液晶屏采用了定制的12位14段液晶屏,所有的字段通過行列電極驅(qū)動(dòng)的方式顯示,一共有4個(gè)行電極,56個(gè)列電極。4個(gè)行電極共用,采用類似矩陣的形式來控制各個(gè)段的顯示,實(shí)際顯示的字段如圖5所示。

圖5 段式液晶顯示字段示意圖

根據(jù)液晶屏的特點(diǎn),驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)選擇了恩智浦公司的PCF8566芯片。該芯片可以輸出24路段驅(qū)動(dòng),背電極提供靜態(tài)、2路、3路或4路的驅(qū)動(dòng)方式,外部接口采用I2C接口,只需要2根線就可以和主控單元完成顯示數(shù)據(jù)的傳遞。芯片內(nèi)部集成了24×4 bit的顯示RAM,待顯示的內(nèi)容通過I2C接口寫入顯示RAM即可顯示[8]。 設(shè)計(jì)時(shí),利用2片PCF8566級(jí)聯(lián),并做以下電路設(shè)計(jì)：

(1) 將2個(gè)芯片的4個(gè)背電級(jí)并聯(lián),設(shè)置為4路驅(qū)動(dòng)方式,作為液晶屏的行電極驅(qū)動(dòng)；

(2) 將2個(gè)芯片的24個(gè)段驅(qū)動(dòng)串聯(lián)后驅(qū)動(dòng)48個(gè)列電極(最后8個(gè)列電極不驅(qū)動(dòng))；

(3) 將所有的段驅(qū)動(dòng)和背電級(jí)引腳引出到擴(kuò)展的插針,以便于示波器觀測(cè),進(jìn)而深入了解液晶驅(qū)動(dòng)的原理和相關(guān)驅(qū)動(dòng)波形。

段式液晶屏驅(qū)動(dòng)電路的原理圖見圖6。

圖6 段式液晶屏驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3 實(shí)驗(yàn)箱配套實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

結(jié)合顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的硬件設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了顯示器件驅(qū)動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、底層驅(qū)動(dòng)程序編寫實(shí)驗(yàn)和上層應(yīng)用程序開發(fā)實(shí)驗(yàn),涵蓋顯示器件工程應(yīng)用的各個(gè)方面。

(1) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)：相關(guān)工程應(yīng)用軟件的使用。進(jìn)行顯示器件驅(qū)動(dòng)的工程開發(fā),必須要掌握相關(guān)工程應(yīng)用軟件的用法,如微控制器編程軟件Keil C51,可編程邏輯器件開發(fā)軟件Quartus、電路設(shè)計(jì)軟件Altium Designer、虛擬仿真軟件Protues、顯示取模軟件ZIMO和串口通信軟件SecureCRT。通過這些工具軟件的學(xué)習(xí),基本掌握電路原理圖的設(shè)計(jì)、印制板圖的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序的編寫和仿真調(diào)試,以及顯示信息的提取等基本工程技能[9]。

(2) 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：顯示器件的顯示原理驗(yàn)證。利用顯示驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱引出的測(cè)試插針,借助萬用表和示波器等工具觀測(cè)段式液晶屏各個(gè)段的驅(qū)動(dòng)波形,計(jì)算液晶顯示屏的偏壓比、像素的均方根電壓；觀測(cè)矩陣LED顯示屏的行驅(qū)動(dòng)和列驅(qū)動(dòng)波形,深入理解動(dòng)態(tài)掃描的驅(qū)動(dòng)方式；觀測(cè)矩陣LED顯示屏的多級(jí)灰度顯示效果,驗(yàn)證LED顯示屏亮度和導(dǎo)通時(shí)間占空比之間的關(guān)系。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際,更好地理解顯示器件的顯示原理和驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

(3) 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：常用顯示器件驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)顯示器件的顯示原理進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),并利用電路設(shè)計(jì)軟件Altium Designer繪制原理圖和印制板圖。學(xué)生在理解矩陣LED顯示屏和液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上,選擇不同的驅(qū)動(dòng)芯片來完成驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),并進(jìn)一步嘗試設(shè)計(jì)8段數(shù)碼管、點(diǎn)陣式液晶屏和小尺寸OLED顯示屏等顯示器件的驅(qū)動(dòng)電路[10]。

(4) 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：顯示器件底層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。在完成顯示器件驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì),利用微控制器或者可編程邏輯器件作為主控單元,根據(jù)顯示原理編寫底層驅(qū)動(dòng)程序,完成固定顯示數(shù)據(jù)的顯示。在此基礎(chǔ)上,利用取模軟件提取字符、漢字和圖片等顯示信息,并以數(shù)組形式存放在主控系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中進(jìn)行顯示。

(5) 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：顯示器件應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。顯示器件應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)主要是基于底層驅(qū)動(dòng)程序,進(jìn)行一些顯示效果的設(shè)計(jì)：如圖片的動(dòng)畫顯示,顯示內(nèi)容的上下左右移動(dòng),灰度顯示,圖形用戶界面設(shè)計(jì)等應(yīng)用層的開發(fā),培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用程序的開發(fā)和設(shè)計(jì)能力[11]。

4 實(shí)驗(yàn)箱特點(diǎn)及成效

顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱將顯示器件驅(qū)動(dòng)開發(fā)的工程技術(shù)和實(shí)踐教學(xué)相融合,突出產(chǎn)學(xué)結(jié)合的特點(diǎn),加深了學(xué)生對(duì)各類顯示器件的理解,提升了學(xué)生的工程實(shí)踐能力[12-13]。實(shí)驗(yàn)箱除了完成顯示器件驅(qū)動(dòng)電路的開發(fā)外,還可以作為單片機(jī)應(yīng)用和可編程邏輯器件開發(fā)的綜合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái),具備跨學(xué)科融合的特點(diǎn)[14-16]。

目前基于顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)課程已累計(jì)開課10余次,受益人數(shù)1 000余人。在第三屆高等學(xué)校自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備評(píng)選中獲優(yōu)秀獎(jiǎng)；獲第八屆電子科技大學(xué)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。濟(jì)南大學(xué)、沈陽理工大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)和電子科技大學(xué)成都學(xué)院等高校將實(shí)驗(yàn)箱用于本科實(shí)踐教學(xué)。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱以微控制器和可編程邏輯器件為主控單元,針對(duì)常用的顯示器件設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路,并設(shè)計(jì)了配套的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。經(jīng)過多年的實(shí)踐教學(xué)證明,該實(shí)驗(yàn)箱加深了學(xué)生對(duì)各類顯示器件顯示原理的理解,提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和應(yīng)用程序的開發(fā)能力。