應用于儀器儀表的背光可控液晶管理系統

馮 燕 易龍強 熊 政

(威勝集團有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引言

伴隨著現代電子產品的飛速發展，電子產品使用的便捷性與人性化設計已逐漸成為人們關注的焦點。傳統的高端電子式電能表采用分辨率為160×80的點陣圖形液晶屏，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節。

電子式電能表作為電網重要的儀器儀表設備，其重要數據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了電表的性能與品質;同時，動態畫面的保真度為電表顯示數據的實時性提出了新要求［1－2］。為克服傳統電能表液晶顯示的不足，滿足用戶對電子產品的新需求，新生代電能表液晶顯示管理系統應運而生。

1 液晶模塊簡介

系統采用分辨率為320×240的點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矩陣液晶顯示控制器。

RA8806內建雙圖層顯示內存以及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存可作為字型創造內存(300全字型)。強大的文字排版功能是RA8806控制器的突出特點，如文字對齊、行距設置、字型縮放以及文字旋轉等;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］。總之，相對于傳統應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厚的優勢，能為電能表提供優質的畫面，便于電能表的功能擴展［3］。

2 系統綜述

通過對液晶模塊背光可控的管理系統的研究，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、高分辨率以及數據傳輸速率快的特點，無背光時功耗低于0.1 W，分辨率為320×240，數據傳輸線為總線式，傳輸時鐘速率可達3 MHz［4］。控制電路的背光亮度可編程調節，主要通過PWM波控制三極管開關，而三極管控制液晶模塊背光電源的開啟與關斷，CPU調節PWM波可精確地控制液晶屏的背光亮度。

由于計量模塊與系統主控芯片的數據交互采用10 MHz的同步串行通信口，其速率與傳統的RS-232通信相比有了質的飛躍。

10 MHz同步串行通信數據傳輸模式解決了液晶顯示數據的刷新頻率不夠的問題，使得采樣數據實時性更強、圖形顯示更保真。與此同時，液晶顯示對比度可通過負溫度系數電阻調節，對于工作在各種不同環境下的電子式電能表而言，此特性顯得尤為突出。綜上所述，新型液晶管理系統可全方位地提升電能表的液晶顯示品質，符合電子產品的技術與市場發展方向。

3 系統功能模塊說明

管理系統包含多個功能模塊，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節電路。其中主控電路(計量模塊+主控芯片+驅動芯片)與液晶顯示模塊共同構成液晶數據顯示通道，包括數據的傳輸通道和數據的液晶顯示兩大部分。數據的傳輸通道主要指計量模塊將處理后的采樣數據上傳給主控芯片的途徑，數據的液晶顯示則指主控芯片將數據直接或處理后在液晶模塊上進行有效顯示。

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

本管理系統的顯示數據主要源自經計量模塊處理后的采樣數據，通過SSC同步串行口上傳給主控芯片，數據上傳的時鐘速率可達10 MHz，提升了電能表管理平臺與計量模塊的數據交互速度，增強了采樣數據的實時性。主控芯片將獲得的數據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，液晶模塊將數據以數字、漢字、圖標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的精髓所在，主控電路通過該電路實現對液晶顯示模塊的背光亮度的控制與供電電源的管理。顯示對比度自動調節電路則使液晶顯示模塊可隨環境特別是溫度的變化自動調節對比度，從而使液晶畫面更清晰可見。各模塊相輔相成、相得益彰，以構建清晰度高、保真度高、性能穩定、控制靈活的液晶管理系統，從而提升產品品質，滿足不同客戶的需求。

4 系統工作原理

系統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管 Q1、Q2、Q3、Q4構成，主控芯片、計量模塊以及驅動芯片形成主控電路，高精密電阻R1與負溫度系數電阻R2構成顯示對比度自動調節電路。顯而易見，液晶管理系統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］，故驅動芯片除了增強總線驅動能力外，還兼顧電平轉換的功能。

主控芯片通過I/O復用腳控制液晶屏的背光電源，當I/O口配置為PWM波輸出時，可平滑控制背光亮度，將其調節至視覺最佳狀態。如電表進入低功耗狀態時，主控芯片可關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，進而控制Q1與Q3的柵極電壓，從而有效地控制系統供電電源的導通與關斷。此設計充分利用MOS管飽和區管壓降低且穩定的特點，同時利用三極管實現電平的轉換以及有效關斷MOS管(MOS管不易被關斷)，實現對液晶供電部分的靈活有效控制［5］。

液晶顯示數據傳輸通道包含數據源端與顯示終端。數據源于以下兩部分:①A/D采樣獲取的數據，經計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控信息和數據。液晶顯示模塊為顯示終端，其通過8 bit并行數據總線與主控芯片相連，實際設計中傳輸時鐘速率可達3 MHz。

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

5 結束語

隨著電子式電能表功能的日益強大，液晶顯示模塊顯示內容的清晰度與豐富多樣性已成為設計者必需關注的問題。背光亮度可控的液晶管理系統是典型的工業液晶顯示控制電路，它從背光、對比度、顯示數據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節能力，同時也從很大程度上提升了液晶顯示畫面品質、屏幕操作的便捷性以及顯示內容的直觀性與實時性。

本設計引入低功耗的設計理念，主控芯片的總線采用1.8 V供電，選用低功耗設計的液晶模塊，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計思路，不僅可以應用于電能計量系統，而且對于其他工業液晶顯示應用場所也具有借鑒意義。

［1］胡愛華，楊郁池，劉院英，等.液晶顯示模塊及其在智能儀表中的應用［J］.計算機測量與控制，2007，15(2):275－277.

［2］陳鼐，于盛林.基于S3C2410X的液晶屏接口設計與實現［J］.測控技術，2006，25(12):68－71.

［3］于華芳，劉健.單片機與液晶顯示模塊的軟硬件接口技術［J］.液晶與顯示，2003，18(2):2－5.

［4］天馬微電子股份有限公司.液晶顯示裝置［P］.中國，CN200910109111.5，2009－07－27.

［5］王洪波，樸燕，王瑞光.S-8330在液晶顯示技術中的應用［J］.液晶與顯示，2002，17(2):312－317.

［6］李占宏，彭熙偉，王洪.圖形液晶顯示模塊在平衡機中的應用［J］.自動化儀表，2003，24(9):63－65.

［7］蔣偉，戴義保，何偉.基于ARM9的便攜式測力儀設計［J］.自動化儀表，2008，29(12):54－57.

［8］王成.基于ARM9處理器的嵌入式開發平臺的設計與實現［D］.大連:大連理工大學，2005.