显示器件驱动实验箱的设计

2019-04-03漆强,蒋泉,刘爽

实验技术与管理 2019年3期

漆强, 蒋泉, 刘爽

(电子科技大学光电科学与工程学院, 四川成都 610054)

随着显示技术的发展,新型显示器件在人类的生产生活中大量使用,比如户外的大屏幕LED(发光二极管)显示屏、手机的液晶显示屏、柔性显示器件及OLED(有机发光二极管)电视[1-2]。对于光电专业的学生,掌握这些新型显示器件的显示原理,并设计出对应的驱动电路,编写驱动程序和应用程序,是必备的基本技能。

目前市面上常见的显示器件驱动实验系统,基本采用成品的显示模组,将驱动芯片和显示屏封装在一起,用户无法了解驱动电路的设计细节,也无法利用示波器观察驱动显示屏所需的信号时序,如行信号、场信号和点时钟等。学生最后只能掌握软件的开发,而无法掌握显示驱动电路的设计方法。为此,本文设计了显示器件驱动实验箱,它包含了两种常用显示器件：矩阵LED显示屏和段式液晶屏。在硬件电路的设计上,使用微控制器和可编程逻辑器件为主控单元,利用常用的数字集成电路和专用驱动芯片作为显示驱动电路。在软件设计上,提供了从底层驱动代码到各种动态显示效果,以及图形用户界面的相关程序[3]。

1 实验箱整体设计方案

显示器件驱动实验箱采用了模块化设计理念,分成了主控系统模块、矩阵LED显示屏驱动模块和段式液晶屏驱动模块3个模块,其系统框图如图1所示。

显示器件驱动实验箱的实物图见图2,整个实验箱大小为40 cm×20 cm,采用220 V市电供电。为防止外界的冲击和碰撞损坏显示屏,定制了金属的实验箱体，起到了比较好的保护作用。手提箱式的设计,也便于实验箱的移动和搬运。

图1 显示器件驱动实验箱系统框图

图2 显示器件驱动实验箱实物图

2 实验箱硬件电路设计

2.1 主控系统电路

主控系统采用了宏晶科技的51内核单片机STC89C52和Altera公司的可编程逻辑器件EPM240,并提供了在线下载(ISP)接口,用于程序的下载和调试[4]。在电路设计时,将单片机功能引脚(P0—P3)全部引入到可编程逻辑器件EPM240。利用EPM240内部的逻辑电路进行切换,可以实现单片机和可编程逻辑器件分别控制矩阵LED显示屏和段式液晶屏。具体实现原理如下：当单片机单独控制时,EPM240内部逻辑进行引脚直连,将单片机的功能引脚短接到对应的控制接口；当可编程逻辑器件控制时,直接利用其内部逻辑完成控制,此时单片机引脚不起作用。同时扩展了32KB的静态存储器(SRAM)用于存放显示时的图片和字库等信息。

主控系统的电路原理图如图3所示。

图3 主控系统电路原理图

2.2 矩阵LED显示屏驱动电路

矩阵LED显示屏的驱动方式一般分为静态扫描和动态扫描。静态扫描对每一个显示像素点都使用单独的控制引脚进行驱动,当像素点较多时,需要使用大量的控制引脚。动态扫描方式则使用行扫描或列扫描方法,复用行、列控制引脚,让每行或每列的显示像素轮流发光,节省了控制引脚,但是需要在软件上循环调用显示程序[5]。

本实验箱的矩阵LED显示屏设计为48行×64列,利用8×8的共阳极LED模块组合而成。显示屏的像素点为3072个,无论是单片机还是可编程逻辑器件都没有这么多控制引脚来驱动每一个像素点,因此驱动方式选择行扫描方式。

基本原理：列信号在移位时钟的作用下逐列送出显示数据,当一行的64列数据送完后,利用锁存信号将该行数据同时输出到输出寄存器(避免在移位过程中出现显示内容的变化)；同时行扫描信号选中该行,将该行的64列像素点同时显示,然后开始下一行显示数据的移位输出和显示。利用人眼的视觉暂留效果,只要一屏显示数据在20 ms之内完成显示(扫描频率大于50 Hz),则将会看到静止无闪烁的画面[6]。

驱动电路主要的控制信号如下：

CSDI：列信号,即每一行的显示数据,高电平时对应的象素点显示；

CCLK：列数据移位时钟,即点时钟,上升沿触发；

COE：亮度控制信号,低电平有效；

CST：列数据锁存,上升沿触发；

RRST：清屏信号；

RSDI：行选通信号,低电平时对应的行选通；

RCLK：行扫描时钟,上升沿触发。

驱动电路设计选择了常见的数字电路。列驱动电路使用68595移位寄存器,1片68595可以将8位串行数据转换为8位并行数据,利用8片68595的级联就可以实现64位串行数据转换为64位并行数据同时输出。行驱动电路每次选中1行数据进行显示,使用了8位的移位寄存器CD4015,将6片CD4015进行级联,形成48位的移位寄存器。每一屏显示时,送出1个行选通信号,该选通信号在行移位时钟的作用下依次选中每一行进行显示。每一行显示时,行驱动电路需要提供64个LED同时显示时所需的电流,因此还利用MOS管APM4953提供足够的行驱动电流[7]。

矩阵LED显示屏驱动电路的电路原理图如图4所示(由于原图较大,这里只给出了一个8×8共阳极LED模块的驱动电路)。

图4 矩阵LED显示屏驱动电路原理图

2.3 段式液晶屏驱动电路

段式液晶屏采用了定制的12位14段液晶屏,所有的字段通过行列电极驱动的方式显示,一共有4个行电极,56个列电极。4个行电极共用,采用类似矩阵的形式来控制各个段的显示,实际显示的字段如图5所示。

图5 段式液晶显示字段示意图

根据液晶屏的特点,驱动电路的设计选择了恩智浦公司的PCF8566芯片。该芯片可以输出24路段驱动,背电极提供静态、2路、3路或4路的驱动方式,外部接口采用I2C接口,只需要2根线就可以和主控单元完成显示数据的传递。芯片内部集成了24×4 bit的显示RAM,待显示的内容通过I2C接口写入显示RAM即可显示[8]。设计时,利用2片PCF8566级联,并做以下电路设计：

(1) 将2个芯片的4个背电级并联,设置为4路驱动方式,作为液晶屏的行电极驱动；

(2) 将2个芯片的24个段驱动串联后驱动48个列电极(最后8个列电极不驱动)；

(3) 将所有的段驱动和背电级引脚引出到扩展的插针,以便于示波器观测,进而深入了解液晶驱动的原理和相关驱动波形。

段式液晶屏驱动电路的原理图见图6。

图6 段式液晶屏驱动电路原理图

3 实验箱配套实验项目设计

结合显示器件驱动实验箱的硬件设计,设计了显示器件驱动原理实验、驱动电路设计实验、底层驱动程序编写实验和上层应用程序开发实验,涵盖显示器件工程应用的各个方面。

(1) 基础实验：相关工程应用软件的使用。进行显示器件驱动的工程开发,必须要掌握相关工程应用软件的用法,如微控制器编程软件Keil C51,可编程逻辑器件开发软件Quartus、电路设计软件Altium Designer、虚拟仿真软件Protues、显示取模软件ZIMO和串口通信软件SecureCRT。通过这些工具软件的学习,基本掌握电路原理图的设计、印制板图的设计、驱动程序的编写和仿真调试,以及显示信息的提取等基本工程技能[9]。

(2) 验证性实验：显示器件的显示原理验证。利用显示驱动实验箱引出的测试插针,借助万用表和示波器等工具观测段式液晶屏各个段的驱动波形,计算液晶显示屏的偏压比、像素的均方根电压；观测矩阵LED显示屏的行驱动和列驱动波形,深入理解动态扫描的驱动方式；观测矩阵LED显示屏的多级灰度显示效果,验证LED显示屏亮度和导通时间占空比之间的关系。验证性实验让学生理论联系实际,更好地理解显示器件的显示原理和驱动技术。

(3) 设计性实验：常用显示器件驱动电路的设计。根据显示器件的显示原理进行驱动电路的设计,并利用电路设计软件Altium Designer绘制原理图和印制板图。学生在理解矩阵LED显示屏和液晶显示屏驱动技术的基础上,选择不同的驱动芯片来完成驱动电路的设计,并进一步尝试设计8段数码管、点阵式液晶屏和小尺寸OLED显示屏等显示器件的驱动电路[10]。

(4) 设计性实验：显示器件底层驱动程序的设计。在完成显示器件驱动电路的基础上进行底层驱动程序的设计,利用微控制器或者可编程逻辑器件作为主控单元,根据显示原理编写底层驱动程序,完成固定显示数据的显示。在此基础上,利用取模软件提取字符、汉字和图片等显示信息,并以数组形式存放在主控系统的存储器中进行显示。

(5) 设计性实验：显示器件应用程序的设计。显示器件应用程序的设计主要是基于底层驱动程序,进行一些显示效果的设计：如图片的动画显示,显示内容的上下左右移动,灰度显示,图形用户界面设计等应用层的开发,培养学生应用程序的开发和设计能力[11]。