智能儀表中彩色液晶驅動電路的設計與實現*

劉 翠 ，楊海馬 ，劉 瑾 ，倪漢華

（1.上海理工大學 光電學院，上海 200093；2.中科院上海技術物理研究所，上海 200083）

在現實生活中，液晶屏是一種具有良好人機交互性能的可視化人機接口，被廣泛地應用于智能儀器、家用電子產品、工業生產和手持設備中。在高新技術企業，液晶屏顯示已經成為顯示技術的主要方式之一[1-2]。隨著電子技術和智能儀表的不斷發展以及信息量的不斷增加，單色液晶屏的應用越來越受到限制。彩色液晶屏以其信息量大、畫面生動美觀等優點逐漸獲得人們的喜愛。目前，驅動彩色液晶屏的電路比較復雜，價格比較貴，限制了它的廣泛使用。因此，本文設計了一種結構簡單、功能齊全的電路驅動彩色液晶屏，實現曲線、圖文的動態顯示功能，拓展了彩屏在低端智能儀器設計中的使用。

1 控制器和液晶模塊

1.1 C8051F060單片機簡介

C8051F060單片機是Cygnal公司完全集成的混合信號系統級器件 SoC（System on chip）。其 CIP-51內核運行速度可達25 MIPS，除具有標準的8051數字外設外，內部還集成了常用的模數和數模轉換模塊，具有2個16 bit分辨率的 SAR（逐次逼近寄存器型）ADC，轉換速率可達1 Ms/s，1個 10 bit的 SAR ADC，轉換速率可達200 ks/s，2個12 bit DAC，可用于產生無抖動的模擬電壓輸出。豐富的外設資源和高速指令運算能力大大簡化了系統設計[3-5]。

1.2 液晶模塊TFT0305-A

TFT0305-A是由恒方電子有限公司生產的，屏幕尺寸為3.5寸，可顯示256種顏色，顯示分辨率為320×240，自帶標準的中文字庫，顯示漢字和字符極為方便。字庫芯片采用GT23L32S4W，支持GB2312國標漢字（含有國家信標委合法授權）及ASCII字符，用戶通過字符內碼，利用GT23L32S4W手冊提供的方法計算出該字符點陣在芯片中的地址，把地址信息送入地址寄存器就可從該地址中連續讀出字符點陣信息。液晶屏控制板采用嵌入式CPLD電路控制漢字以及字符的讀寫，不占用主控制器的機時，字庫芯片和CPLD之間采用PLII總線方式，控制更方便、傳輸數據更快。

1.3 TFT液晶驅動電路原理

TFT 液晶屏顯示器件是靠鑲嵌在顯示器件玻璃上的薄膜場效應晶體管來完成顯示功能，一個場效應管驅動一個像素。TFT液晶顯示驅動電路的工作原理是采用逐行掃描的方式完成顯示功能。當選通一行的地址時，該行場效應管將全部處于導通狀態；此時，列地址將顯示信號分別施加給該行的每個晶體管上，實現顯示功能。當選通下一行地址時，該行的場效應管將全部進入無效狀態，無論列驅動器如何變化，該行都保持不變，即該行的電壓將保持一段時間，而這段時間與掃描的行數無關[6]。

2 液晶屏與C8051F060的接口設計

2.1 硬件電路設計

在實際應用中，液晶屏與單片機有多種連接方式。從占用I/O口的多少可以分為串行方式和并行方式，其中，串行方式雖然占用的I/O口少，但是速度較并行方式來說比較慢[7]。因此，結合液晶屏在實際應用中的顯示速度，本文采用并行方式，計算機以訪問I/O口設備的方式直接對液晶屏顯示模塊進行操作。接口電路圖如圖1所示。C8051F060的供電電壓一般為3.3 V，而液晶屏所需供電電壓為5 V，為了使液晶屏正常工作，在單片機與液晶屏之間加入兩片控制電壓轉換的芯片SNC74LVC4245DB。如圖1所示，P7.0～P7.7端口通過電壓轉換芯片與TFT液晶屏的數據線DB0～DB7相連，P3.1～P3.7分別和液晶屏的控制引腳相連。

2.2 軟件設計

TFT0305-A液晶屏的控制板中有兩個地址寄存器分別用來控制行操作、列操作、頁操作和緩沖區操作，地址寄存器只能寫，不能讀。讀取漢字和液晶屏顯示操作不能同時進行。讀取漢字時，先往字庫芯片的3個地址寄存器內送入所要顯示漢字的地址，然后從地址寄存器中讀取該漢字的內容，放入單片機的內存中。選中液晶屏的片選信號，從單片機的內存中讀出數據到液晶屏上顯示。TFT0305-A液晶屏的引腳狀態及其組合功能如表1所示。液晶控制板的片選信號、字庫芯片的片選信號、讀寫信號和數據信號的時序關系如圖2所示[8]。

表1 TFT0305-A液晶屏的引腳狀態及其組合功能

圖2 液晶控制板與C8051F060控制器的接口時序

軟件編程環境采用的是Silicon Labs集成開發環境IDE （Integrated Development Environment）， 它 是 一 套 完整、獨立的軟件程序，為設計者提供了用于開發和測試項目的所有工具。在IDE編程環境下，系統軟件用C語言編寫，根據液晶屏的讀寫時序以及編程要求編寫程序。程序在調用字庫芯片時，通過CPLD對字庫芯片進行讀寫控制，在讀取數據時數據經過CPLD緩存后送入到單片機的存儲區中。程序經過匯編、調試，燒寫在單片機的外部存儲區中。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3 系統調試和運行結果分析

在完成了系統的硬件設計和軟件設計后，需要對系統進行調試。通過調試不斷地優化程序代碼。干擾比較小的穩定數據的獲取決定了系統設計的質量和可靠性。液晶屏能夠實時顯示采集到的數據，可以快速反映出采集到的數據質量，這就為提高系統的性能提供了可能性。

C8051F060單片機采用的系統晶振頻率為25 MHz，定時器時鐘選擇為系統時鐘的12分頻。顯示動態曲線更新頻率和幀頻計算公式如式（1）和式（2）：

其中，f為系統晶振頻率，M為定時器時鐘分頻數，N為兩次動態掃描時間間隔，S為曲線掃描區域像素值，R為總顯示區域像素值。

經實際測試可獲得以下數據 （TFT-0305液晶屏的顯示分辨率為320×240）：兩次動態曲線掃描時間間隔為 21 588，由式（1）可得動態掃描頻率為 96.5 Hz，由式（2）可得幀頻為 40.2 Hz。

本文介紹了C8051F060單片機與TFT-LCD液晶屏接口方法及顯示設計，可以在智能儀表中實時地顯示波形，硬件電路設計簡單可靠，軟件設計簡單易行，顯示圖形清晰流暢，曲線更新頻率可調。本文設計的特點在于，采用帶字庫型彩色液晶屏，方便、快捷地動態調用字庫內的漢字和字符，無需在程序中寫出漢字的內碼，編程時可為單片機節省大量的空間，為內存比較小的單片機的操作和設計提供了可能，為彩色液晶在低端智能儀表中的使用奠定了良好的基礎。設計單片機與液晶屏接口電路以及軟件調試過程的經驗，可為今后開發研究其他類型的彩色液晶屏控制、驅動和顯示提供一些幫助。

[1]丁建軍，王曦華.基于8051單片機的液晶屏接口設計[J].計算機工程應用技術，2009，5（34）：9839-9840.

[2]孫盛坤，丁昊，宋杰.基于 FPGA和 TFT彩屏液晶屏的便攜 式 示 波 器 設 計[J].電 子 設 計 工 程 ，2011，19（4）：158-161.

[3]李圣昆，張永樂，任勇峰.基于 C8051F060的采集存儲系統的設計[J].電子設計工程，2009，17（2）：14-16.

[4] LiLei， Chen Yangzhen， Zhou Huaping， etal.The application of hall sensors ACS712 in the protection circuit of controller for humanoid robots[C].IEEE Conference on Computer Application and System Modeling， Taiyuan：IEEE CPS， 2010：101-102.

[5] Sun Mingge， Zhu Xilin.Design ofauto disturbance rejection controllerbased on field-bus[C].2010 IEEE InternationalConference on Information and Automation（ICIA）， Piscataway， N.J： IEEE，2010：992-996.

[6]張俊謨.SoC單片機原理與應用：基于C8051F系列[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[7]郭強.液晶顯示模塊應用及調試[M].北京：電子工業出版社，2010.

[8]恒方電子有限公司.液晶模塊TFT0305-A技術規格文件[S].2009.