用于LCD測(cè)試系統(tǒng)的程控驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

摘 要:為了制作一款用于LCD測(cè)試系統(tǒng)的程控驅(qū)動(dòng)器，采用基于嵌入式系統(tǒng)ARM7實(shí)現(xiàn)程序控制，內(nèi)建DC/DC升壓電路和DC/AC轉(zhuǎn)換電路，以提供直流電源和產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，電源內(nèi)建/外接可選，其信號(hào)輸出端按一定時(shí)序產(chǎn)生特定的連續(xù)脈沖， 供給LCD 屏的行列電極作驅(qū)動(dòng)源， 從而使被選行與被選列交叉位置上的液晶像素或筆段在電場作用下呈現(xiàn)顯示狀態(tài)(遮光或透光) 。該系統(tǒng)輸出的工作電壓峰值、頻率、占空比均可調(diào)，是一款低功耗、低輸出阻抗的LCD程控驅(qū)動(dòng)器。關(guān)鍵詞:嵌入式ARM7; 液晶顯示; 程控驅(qū)動(dòng); DC/DC升壓電路

中圖分類號(hào):TN919-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)22-0184-03

Design of Program-controlled Driver Used for LCD Test System

LI Bing-bing， HUANG Zi-qiang

(Institute of Optoelectronic Information， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054， China)

Abstract: Main task of this design is to create a program-controlled driver for the LCD test system. The program-controlled driver achieves the process control based on embedded ARM7， built-in DC / DC boost circuit and DC / AC conversion circuit are used to provide a DC power supply and generate the drive pulse signal， the built-in power / external optional can be selected. Its output signals generate the pulses by the certain specific timing， and provide the row/column electrodes of the LCD screen as the drivers so that the LCD pixels or strokes on the cross-listed location of the row and column elected are at the display status (Shading or translucent) in the electric field. The system's output voltage peak and frequency， duty cycle can be transferred. The system is a LCD program-controlled driver with the low-power consumption and the low output impedance.Keywords: embedded ARM7;LCD; program-controlled driver; DC/DC boost circuit

0 引 言

液晶顯示器是一種電壓型非主動(dòng)發(fā)光顯示器，典型液晶顯示器利用液晶材料的介電常數(shù)各向異性和折射率各向異性的物理特性，通過改變加在液晶盒上的電壓來改變液晶分子的排列方式，從而改變液晶盒的透光率這一原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制，通過反射(無背光型)或透射(有背光型)光來實(shí)現(xiàn)顯示[1-3]。液晶盒透過不同的強(qiáng)度和不同顏色的光，然后再使用空間混色法，就可以實(shí)現(xiàn)全彩色顯示[4]。

試驗(yàn)室用于LCD的測(cè)試系統(tǒng)就是在液晶盒中注入不同的液晶材料，用電極引線做成筆段式或矩陣型的LCD ， 然后在電極上加上所要求的驅(qū)動(dòng)脈沖，使被選行與被選列交叉位置上的液晶像素或筆段在電場作用下呈現(xiàn)顯示狀態(tài)(遮光或透光)，以此測(cè)試LCD的性能，所需的各種驅(qū)動(dòng)脈沖由驅(qū)動(dòng)電源提供。液晶顯示從無源到有源，由于其所用材料、形式、結(jié)構(gòu)的不同，其驅(qū)動(dòng)方法也比較復(fù)雜[1，5-6]。目前試驗(yàn)室的測(cè)試只能用簡單的方波作為驅(qū)動(dòng)脈沖，然而LCD的驅(qū)動(dòng)必須采用交流驅(qū)動(dòng)，以減少直流分量。為了使測(cè)試方便、快捷，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源有要求:要使驅(qū)動(dòng)電源能夠提供各種所需驅(qū)動(dòng)脈沖;要使驅(qū)動(dòng)電源使用方便快捷。本設(shè)計(jì)目的就是制作一款用于LCD測(cè)試系統(tǒng)的程控驅(qū)動(dòng)器。該程控驅(qū)動(dòng)器基于嵌入式系統(tǒng)ARM7實(shí)現(xiàn)程序控制，內(nèi)建DC/DC升壓電路和DC/AC轉(zhuǎn)換電路以提供直流電源和產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，電源內(nèi)建/外接可選。該系統(tǒng)輸出的脈沖電壓峰值、頻率、占空比均可調(diào)。其中，電壓峰值通過I2C總線調(diào)節(jié)，頻率和占空比由脈寬調(diào)制器PWM調(diào)節(jié)，所有參數(shù)的設(shè)定均由串口通信發(fā)送到ARM7程序中[7-8]。

1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)核心采用Philips的LPC2132，一方面通過其2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件I2C接口傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)字電位器，以實(shí)現(xiàn)通過程控來半自動(dòng)化調(diào)節(jié)升壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器的負(fù)反饋，而升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器能在芯片操作時(shí)調(diào)整輸出電壓;另一方面通過脈寬調(diào)制器PWM輸出脈沖來驅(qū)動(dòng)光電耦合繼電器中的LED，使其實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，一路PWM輸出控制2個(gè)光電耦合繼電器的開與關(guān)來選擇所需電壓，一路PWM輸出控制4個(gè)橋式光電耦合繼電器的開與關(guān)來實(shí)現(xiàn)直流轉(zhuǎn)換交流。

考慮到內(nèi)部產(chǎn)生的電壓范圍可能達(dá)不到所需電壓的范圍，巧妙地接入了外部電壓輸入端，并用一個(gè)雙道雙擲開關(guān)內(nèi)外互換;另外，由于PWM輸出脈沖達(dá)不到LED工作所需的電壓電流，因此增加了LED的驅(qū)動(dòng)電路模塊;該程控驅(qū)動(dòng)器有2個(gè)輸出。一是如圖1所示的交流電壓輸出;二是將2個(gè)升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端也作為輸出，以提供直流電壓輸出[9-10]。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體框架圖

1.1 0～90 V可調(diào)直流電源設(shè)計(jì)

采用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件I2C接口傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)字電位器X9241，通過程控來半自動(dòng)化調(diào)節(jié)升壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器LT3482的負(fù)反饋，而LT3482能在芯片操作時(shí)調(diào)整輸出電壓。整個(gè)設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2 可調(diào)直流電源設(shè)計(jì)電路圖

電路中，將X9241的4個(gè)電位器串聯(lián)起來，以實(shí)現(xiàn)254級(jí)可調(diào)，同時(shí)與一122 kΩ的電阻串聯(lián)到5 V電壓上，根據(jù)分壓原理，該電位器的輸出電壓可達(dá)0～1.235 V。將X9241的SCL和SDA連接到LPC2132的I2C總線上進(jìn)行串口通信，通常在SCL和SDA線上需要設(shè)置上拉電阻，由于LPC2132的I2C總線上已具有上拉電阻，故此處的上拉電阻可以省略。將X9241的4位地址A0～A1引腳都連接到地，此時(shí)編程地址定義為0000。

數(shù)字電位器X9241的滑動(dòng)輸出端連接到LT3482的13腳(CTRL引腳)，以提供輔助基準(zhǔn)輸入電壓0～1.235 V。當(dāng)輔助基準(zhǔn)輸入電壓在0～1.235 V時(shí)，LT3482將調(diào)節(jié)輸出電壓Vout2(4腳)，使負(fù)反饋端(14腳)電壓Vref與輔助基準(zhǔn)輸入電壓匹配。由圖2可以看出，Vout2 與Vref存在以下關(guān)系:

Rl1=Rl3(Vout2/Vref-1)(1)

為了實(shí)現(xiàn)Vout2輸出0～90 V可調(diào)電壓，設(shè)計(jì)中取RL1，RL2的值分別為1 MΩ，14 kΩ。

1.2 頻率、占空比可調(diào)的正負(fù)脈沖電路設(shè)計(jì)

主要將光耦用于開關(guān)電路，以此來實(shí)現(xiàn)直流變交流，基本思路如圖3所示。它采用4個(gè)光耦構(gòu)成橋式電路，其中1，2，3，4 四個(gè)開關(guān)擬為4個(gè)光耦:a端接入電壓;c端接地;b，d作為輸出端。工作時(shí)，1，3開關(guān)導(dǎo)通，同時(shí)2，4開關(guān)斷開，接著2，4開關(guān)導(dǎo)通，同時(shí)1，3開關(guān)斷開。這樣反復(fù)交替更換即可實(shí)現(xiàn)正負(fù)脈沖。

圖3 橋式光耦簡化電路及光耦結(jié)構(gòu)

光耦的“開”與“關(guān)”實(shí)際上是其內(nèi)部LED的點(diǎn)亮與否，所以用一脈沖驅(qū)動(dòng)LED，即可實(shí)現(xiàn)光耦的“開”與“關(guān)”。本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)LED脈沖由LPC2132的PWM產(chǎn)生。至于如何實(shí)現(xiàn)b，d輸出端的脈沖頻率、占空比可調(diào)，可以轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)PWM輸出的脈沖頻率、占空比。由于光耦內(nèi)部LED的工作電壓為1.0～1.5 V，工作電流為10 mA左右，而PWM輸出脈沖電壓3.3 V電流比較小，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)加入了晶體管、電阻、5 V電壓，以起到減壓增流的效果。考慮到1，3與2，4狀態(tài)正好相反，在電路設(shè)計(jì)時(shí)巧妙加入一反相門。由于需要上下幅值不一樣的正負(fù)脈沖，在設(shè)計(jì)時(shí)多增加了2個(gè)光耦來選擇上下電壓幅值，同時(shí)也增加了2個(gè)外部輸入端口，以避免內(nèi)部電壓不滿足所求。在內(nèi)外電壓的選擇上采用了雙刀雙擲開關(guān)。

2 軟件編程

首先對(duì)要實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)波形進(jìn)行分析。如圖4所示，對(duì)要實(shí)現(xiàn)的脈沖P1，P2進(jìn)行分析。通過PWM4來實(shí)現(xiàn)脈沖電平的轉(zhuǎn)換，將其設(shè)置為雙邊沿輸出;通過PWM2來實(shí)現(xiàn)脈沖的正負(fù)轉(zhuǎn)換，將其設(shè)置為雙邊沿輸出。當(dāng)確定了Vout1，Vout2，t1，t2，t3，t4，T時(shí)，輸出脈沖就確定了。

圖4 波形分析圖

程序設(shè)計(jì)思路如下:上電后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，當(dāng)MCU接收到開始命令時(shí)(0xCD)，開啟串口通信，將Vout1，Vout2，t1，t2，t3，t4，T七個(gè)數(shù)據(jù)設(shè)定好。接著，Vout1，Vout2進(jìn)行公式轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)通過2路I2C總線發(fā)送到數(shù)字電位器來調(diào)節(jié)升壓AD/AD轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，與此同時(shí)PWM2，PWM4 進(jìn)行雙邊沿輸出來調(diào)節(jié)輸出脈沖的電平、頻率和占空比，最后返回到初始化后。

程序編譯器使用ADS1.2，ADS是ARM公司的集成開發(fā)環(huán)境軟件，它的功能非常強(qiáng)大，ADS包括了4個(gè)模塊，分別是SIMULATOR，C編譯器，實(shí)時(shí)調(diào)試器，應(yīng)用函數(shù)庫。所使用語言為C語言，在周立功單片機(jī)提供的工程模板的基礎(chǔ)上，加入自己的主程序，部分程序參考了周立功單片機(jī)所給的例程，經(jīng)測(cè)試無誤后生成HEX文件，然后通過JTAG接口，使用AXD軟件，把程序燒寫入單片機(jī)[7]。

3 程控驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試及結(jié)果分析

軟件經(jīng)調(diào)試無誤后，將最終版軟件編譯后生成的HEX(i32)文件通過JTAG仿真接口燒寫到單片機(jī)內(nèi)，通過計(jì)算機(jī)上串口終端軟件發(fā)送7個(gè)數(shù)據(jù)到單片機(jī)，并開始操作單片機(jī)。

首先對(duì)輸出電壓進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所得電壓與期望電壓有一定差別。經(jīng)過分析，可能存在以下幾方面問題:

(1) 數(shù)字電位器的工作電壓為5 V，實(shí)際上沒有真正達(dá)到5 V，經(jīng)測(cè)試為4.8 V，故分壓后輸入的基準(zhǔn)電壓有誤差;

(2) 在程序設(shè)計(jì)中，因電壓公式轉(zhuǎn)換中數(shù)據(jù)在由實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)時(shí)采取四舍五入原則，使數(shù)據(jù)變得不夠準(zhǔn)確;

(3) 電路中存在電阻、電容、電感效應(yīng)等的干擾;

(4) 存在電路設(shè)計(jì)問題，由于個(gè)人水平有限，在電路設(shè)計(jì)及焊接以及裝配的過程中，難免會(huì)出現(xiàn)問題，這也是噪聲的一個(gè)重要來源。

綜上考慮，電阻電容的干擾無法避免，采用數(shù)據(jù)修定方法，即在程序中加入一常量，使數(shù)據(jù)變得更精確。因此，筆者對(duì)測(cè)得電壓與期望電壓作了比較，并畫出了兩個(gè)之間的關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 預(yù)期電壓與實(shí)際電壓對(duì)比圖

采用最小二乘法對(duì)實(shí)際電壓與預(yù)期電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，比例值約為0.957 67，故在程序中加入修定值公式:

RW1=(40 000+RX1)RL3×Vout1(RL1+RL3)×4.8(2)

RW2=(40 000+RX2)RL6×Vout2(RL5+RL6)×4.8(3)

兩式分別除以0.957 67。再修定后重新測(cè)試數(shù)據(jù)，與預(yù)期的電壓就基本相符。

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)主要是為LCD測(cè)試系統(tǒng)提供一款程控驅(qū)動(dòng)器。經(jīng)過測(cè)試，制作出的程控驅(qū)動(dòng)器輸出波形基本符合要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，解決了由于LCD驅(qū)動(dòng)方式的多樣化，復(fù)雜化，而普通函數(shù)發(fā)生器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求的問題。該系統(tǒng)輸出的工作電壓峰值、頻率、占空比均可調(diào)，是一個(gè)低功耗、低輸出阻抗的LCD程控驅(qū)動(dòng)器。

參考文獻(xiàn)

[1]黃子強(qiáng).液晶顯示原理[M].北京:國防工業(yè)出版社，2006.

[2]毛學(xué)軍.液晶顯示技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[3]劉永智，楊開愚.液晶顯示技術(shù)[M].成都:電子科技大學(xué)出版社，2000.

[4]堀浩雄，鈴木幸治.彩色液晶顯示[M].北京:科學(xué)出版社，2003.

[5]郭強(qiáng).液晶顯示的驅(qū)動(dòng)和控制(一)[J].北京:現(xiàn)代顯示，1999(1):46-51.

[6]謝達(dá)勇，初建朋，賴宗聲.液晶顯示驅(qū)動(dòng)/控制電路的設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2001，26(11):40-42.

[7]周立功，張華.深入淺出ARM7-LPC213X/214X(上冊(cè))[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[8]田清奎.ARM/單片機(jī)與外圍器件應(yīng)用設(shè)計(jì)解決方案[M].成都:廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司，2006.

[9]趙廣林.新型電源集成電路應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[10]呂實(shí)誠，郭樹楷.基于ARM的電快速瞬變脈沖群發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息，2010(10):51-53.