顯示器件驅動實驗箱的設計

漆 強, 蔣 泉, 劉 爽

(電子科技大學 光電科學與工程學院, 四川 成都 610054)

隨著顯示技術的發展,新型顯示器件在人類的生產生活中大量使用,比如戶外的大屏幕LED(發光二極管)顯示屏、手機的液晶顯示屏、柔性顯示器件及OLED(有機發光二極管)電視[1-2]。對于光電專業的學生,掌握這些新型顯示器件的顯示原理,并設計出對應的驅動電路,編寫驅動程序和應用程序,是必備的基本技能。

目前市面上常見的顯示器件驅動實驗系統,基本采用成品的顯示模組,將驅動芯片和顯示屏封裝在一起,用戶無法了解驅動電路的設計細節,也無法利用示波器觀察驅動顯示屏所需的信號時序,如行信號、場信號和點時鐘等。學生最后只能掌握軟件的開發,而無法掌握顯示驅動電路的設計方法。為此,本文設計了顯示器件驅動實驗箱,它包含了兩種常用顯示器件：矩陣LED顯示屏和段式液晶屏。在硬件電路的設計上,使用微控制器和可編程邏輯器件為主控單元,利用常用的數字集成電路和專用驅動芯片作為顯示驅動電路。在軟件設計上,提供了從底層驅動代碼到各種動態顯示效果,以及圖形用戶界面的相關程序[3]。

1 實驗箱整體設計方案

顯示器件驅動實驗箱采用了模塊化設計理念,分成了主控系統模塊、矩陣LED顯示屏驅動模塊和段式液晶屏驅動模塊3個模塊,其系統框圖如圖1所示。

顯示器件驅動實驗箱的實物圖見圖2,整個實驗箱大小為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,定制了金屬的實驗箱體，起到了比較好的保護作用。手提箱式的設計,也便于實驗箱的移動和搬運。

圖1 顯示器件驅動實驗箱系統框圖

圖2 顯示器件驅動實驗箱實物圖

2 實驗箱硬件電路設計

2.1 主控系統電路

主控系統采用了宏晶科技的51內核單片機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試[4]。在電路設計時,將單片機功能引腳(P0—P3)全部引入到可編程邏輯器件EPM240。利用EPM240內部的邏輯電路進行切換,可以實現單片機和可編程邏輯器件分別控制矩陣LED顯示屏和段式液晶屏。具體實現原理如下：當單片機單獨控制時,EPM240內部邏輯進行引腳直連,將單片機的功能引腳短接到對應的控制接口；當可編程邏輯器件控制時,直接利用其內部邏輯完成控制,此時單片機引腳不起作用。同時擴展了32KB的靜態存儲器(SRAM)用于存放顯示時的圖片和字庫等信息。

主控系統的電路原理圖如圖3所示。

圖3 主控系統電路原理圖

2.2 矩陣LED顯示屏驅動電路

矩陣LED顯示屏的驅動方式一般分為靜態掃描和動態掃描。靜態掃描對每一個顯示像素點都使用單獨的控制引腳進行驅動,當像素點較多時,需要使用大量的控制引腳。動態掃描方式則使用行掃描或列掃描方法,復用行、列控制引腳,讓每行或每列的顯示像素輪流發光,節省了控制引腳,但是需要在軟件上循環調用顯示程序[5]。

本實驗箱的矩陣LED顯示屏設計為48行×64列,利用8×8的共陽極LED模塊組合而成。顯示屏的像素點為3072個,無論是單片機還是可編程邏輯器件都沒有這么多控制引腳來驅動每一個像素點,因此驅動方式選擇行掃描方式。

基本原理：列信號在移位時鐘的作用下逐列送出顯示數據,當一行的64列數據送完后,利用鎖存信號將該行數據同時輸出到輸出寄存器(避免在移位過程中出現顯示內容的變化)；同時行掃描信號選中該行,將該行的64列像素點同時顯示,然后開始下一行顯示數據的移位輸出和顯示。利用人眼的視覺暫留效果,只要一屏顯示數據在20 ms之內完成顯示(掃描頻率大于50 Hz),則將會看到靜止無閃爍的畫面[6]。

驅動電路主要的控制信號如下：

CSDI：列信號,即每一行的顯示數據,高電平時對應的象素點顯示；

CCLK：列數據移位時鐘,即點時鐘,上升沿觸發；

COE：亮度控制信號,低電平有效；

CST：列數據鎖存,上升沿觸發；

RRST：清屏信號；

RSDI：行選通信號,低電平時對應的行選通；

RCLK：行掃描時鐘,上升沿觸發。

驅動電路設計選擇了常見的數字電路。列驅動電路使用68595移位寄存器,1片68595可以將8位串行數據轉換為8位并行數據,利用8片68595的級聯就可以實現64位串行數據轉換為64位并行數據同時輸出。行驅動電路每次選中1行數據進行顯示,使用了8位的移位寄存器CD4015,將6片CD4015進行級聯,形成48位的移位寄存器。每一屏顯示時,送出1個行選通信號,該選通信號在行移位時鐘的作用下依次選中每一行進行顯示。每一行顯示時,行驅動電路需要提供64個LED同時顯示時所需的電流,因此還利用MOS管APM4953提供足夠的行驅動電流[7]。

矩陣LED顯示屏驅動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8×8共陽極LED模塊的驅動電路)。

圖4 矩陣LED顯示屏驅動電路原理圖

2.3 段式液晶屏驅動電路

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動的方式顯示,一共有4個行電極,56個列電極。4個行電極共用,采用類似矩陣的形式來控制各個段的顯示,實際顯示的字段如圖5所示。

圖5 段式液晶顯示字段示意圖

根據液晶屏的特點,驅動電路的設計選擇了恩智浦公司的PCF8566芯片。該芯片可以輸出24路段驅動,背電極提供靜態、2路、3路或4路的驅動方式,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據的傳遞。芯片內部集成了24×4 bit的顯示RAM,待顯示的內容通過I2C接口寫入顯示RAM即可顯示[8]。 設計時,利用2片PCF8566級聯,并做以下電路設計：

(1) 將2個芯片的4個背電級并聯,設置為4路驅動方式,作為液晶屏的行電極驅動；

(2) 將2個芯片的24個段驅動串聯后驅動48個列電極(最后8個列電極不驅動)；

(3) 將所有的段驅動和背電級引腳引出到擴展的插針,以便于示波器觀測,進而深入了解液晶驅動的原理和相關驅動波形。

段式液晶屏驅動電路的原理圖見圖6。

圖6 段式液晶屏驅動電路原理圖

3 實驗箱配套實驗項目設計

結合顯示器件驅動實驗箱的硬件設計,設計了顯示器件驅動原理實驗、驅動電路設計實驗、底層驅動程序編寫實驗和上層應用程序開發實驗,涵蓋顯示器件工程應用的各個方面。

(1) 基礎實驗：相關工程應用軟件的使用。進行顯示器件驅動的工程開發,必須要掌握相關工程應用軟件的用法,如微控制器編程軟件Keil C51,可編程邏輯器件開發軟件Quartus、電路設計軟件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習,基本掌握電路原理圖的設計、印制板圖的設計、驅動程序的編寫和仿真調試,以及顯示信息的提取等基本工程技能[9]。

(2) 驗證性實驗：顯示器件的顯示原理驗證。利用顯示驅動實驗箱引出的測試插針,借助萬用表和示波器等工具觀測段式液晶屏各個段的驅動波形,計算液晶顯示屏的偏壓比、像素的均方根電壓；觀測矩陣LED顯示屏的行驅動和列驅動波形,深入理解動態掃描的驅動方式；觀測矩陣LED顯示屏的多級灰度顯示效果,驗證LED顯示屏亮度和導通時間占空比之間的關系。驗證性實驗讓學生理論聯系實際,更好地理解顯示器件的顯示原理和驅動技術。

(3) 設計性實驗：常用顯示器件驅動電路的設計。根據顯示器件的顯示原理進行驅動電路的設計,并利用電路設計軟件Altium Designer繪制原理圖和印制板圖。學生在理解矩陣LED顯示屏和液晶顯示屏驅動技術的基礎上,選擇不同的驅動芯片來完成驅動電路的設計,并進一步嘗試設計8段數碼管、點陣式液晶屏和小尺寸OLED顯示屏等顯示器件的驅動電路[10]。

(4) 設計性實驗：顯示器件底層驅動程序的設計。在完成顯示器件驅動電路的基礎上進行底層驅動程序的設計,利用微控制器或者可編程邏輯器件作為主控單元,根據顯示原理編寫底層驅動程序,完成固定顯示數據的顯示。在此基礎上,利用取模軟件提取字符、漢字和圖片等顯示信息,并以數組形式存放在主控系統的存儲器中進行顯示。

(5) 設計性實驗：顯示器件應用程序的設計。顯示器件應用程序的設計主要是基于底層驅動程序,進行一些顯示效果的設計：如圖片的動畫顯示,顯示內容的上下左右移動,灰度顯示,圖形用戶界面設計等應用層的開發,培養學生應用程序的開發和設計能力[11]。

4 實驗箱特點及成效

顯示器件驅動實驗箱將顯示器件驅動開發的工程技術和實踐教學相融合,突出產學結合的特點,加深了學生對各類顯示器件的理解,提升了學生的工程實踐能力[12-13]。實驗箱除了完成顯示器件驅動電路的開發外,還可以作為單片機應用和可編程邏輯器件開發的綜合實踐教學平臺,具備跨學科融合的特點[14-16]。

目前基于顯示器件驅動實驗箱的實驗課程已累計開課10余次,受益人數1 000余人。在第三屆高等學校自制實驗教學儀器設備評選中獲優秀獎；獲第八屆電子科技大學教學成果二等獎。濟南大學、沈陽理工大學、天津工業大學和電子科技大學成都學院等高校將實驗箱用于本科實踐教學。

5 結語

本文設計的顯示器件驅動實驗箱以微控制器和可編程邏輯器件為主控單元,針對常用的顯示器件設計了對應的驅動電路,并設計了配套的實驗項目。經過多年的實踐教學證明,該實驗箱加深了學生對各類顯示器件顯示原理的理解,提高了學生的工程實踐能力和應用程序的開發能力。