利用虛擬仿真技術(shù)改進(jìn)顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

漆 強(qiáng), 劉 爽

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院, 四川 成都 610054)

利用虛擬仿真技術(shù)改進(jìn)顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

漆 強(qiáng), 劉 爽

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院, 四川 成都 610054)

傳統(tǒng)的顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量、便攜性和可修改性等方面存在一定的問題。將虛擬仿真技術(shù)和硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,利用Proteus軟件設(shè)計(jì)七段數(shù)碼管、點(diǎn)陣液晶和點(diǎn)陣LED等多種顯示器件的驅(qū)動(dòng)電路,在每一種顯示器件的設(shè)計(jì)中還增加了不同的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案,讓學(xué)生能夠比較不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn),提高工程實(shí)踐能力。這種設(shè)計(jì)方式解決了傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)存在的問題,同時(shí)改變了實(shí)踐教學(xué)的模式,使學(xué)生不再局限于在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn),擴(kuò)展了實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度,提高了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的使用率和受益面。

虛擬仿真技術(shù)； 顯示器件； 驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)； Proteus

顯示器件驅(qū)動(dòng)技術(shù)是信息顯示和光電技術(shù)專業(yè)方向的一門核心課程,要求學(xué)生能夠利用前期學(xué)習(xí)的電路知識(shí),根據(jù)不同顯示器件的顯示原理,設(shè)計(jì)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路,并利用微控制器,編寫驅(qū)動(dòng)程序,在顯示器件上顯示所需的信息[1]。該課程和工程實(shí)踐緊密結(jié)合,對(duì)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力要求較高,在實(shí)踐教學(xué)上存在一定的困難。因此創(chuàng)新教學(xué)手段,將虛擬仿真技術(shù)和硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,“以實(shí)為本,虛實(shí)結(jié)合”,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,深入理解本課程的難點(diǎn)和重點(diǎn)有很大的幫助[2]。

1 現(xiàn)狀及存在的問題

我院的信息顯示和光電技術(shù)專業(yè)是國家級(jí)特色專業(yè),在長期的教學(xué)實(shí)踐中,設(shè)計(jì)了從顯示材料的制備、顯示器件的研制、顯示驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)等相關(guān)的配套實(shí)驗(yàn)。針對(duì)顯示器件驅(qū)動(dòng)電路,將多年的科研成果和教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合,研發(fā)了顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱,如圖1所示。

圖1 顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物圖

該實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)了針對(duì)段式液晶和矩陣LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路,并且利用8051單片機(jī)和可編程邏輯器件完成驅(qū)動(dòng)電路的控制,顯示相關(guān)的信息。該實(shí)驗(yàn)箱接口豐富,除了可以進(jìn)行顯示器件驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)外,對(duì)于單片機(jī)和可編程邏輯器件的應(yīng)用也可以得到相應(yīng)的練習(xí)，同時(shí)設(shè)計(jì)了相關(guān)的多個(gè)配套實(shí)驗(yàn)和完善的實(shí)驗(yàn)文檔[3]。該實(shí)驗(yàn)箱是市面上第一款針對(duì)顯示器件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,相關(guān)高校如濟(jì)南大學(xué)、沈陽理工大學(xué)和電子科技大學(xué)成都學(xué)院都使用該實(shí)驗(yàn)箱,取得了良好的社會(huì)效益。用這種設(shè)備進(jìn)行傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生直觀了解驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),利用實(shí)驗(yàn)儀器測試驅(qū)動(dòng)波形,從而深刻理解顯示器件的驅(qū)動(dòng)原理有很大的幫助。

然而,近年來,隨著顯示技術(shù)的不斷發(fā)展,新的顯示器件層出不窮,傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)已經(jīng)逐漸跟不上時(shí)代的發(fā)展。在目前的教學(xué)實(shí)踐中存在以下的一些問題:

(1) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)有限,基本按照30人的規(guī)模配置,而“顯示器件驅(qū)動(dòng)技術(shù)”作為本專業(yè)的核心課程,選課人數(shù)眾多,導(dǎo)致一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要重復(fù)多輪才能完成,不僅增加了實(shí)驗(yàn)教師的工作量,也無法讓學(xué)生更深入了解實(shí)驗(yàn)原理和掌握相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技能[3]。

(2) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境固定,實(shí)驗(yàn)箱笨重,缺乏便攜性和靈活性。由于設(shè)計(jì)了點(diǎn)陣LED的顯示,顯示驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱體積較大,占用較大的實(shí)驗(yàn)桌空間。如果再加上示波器、信號(hào)發(fā)生器和萬用表等實(shí)驗(yàn)儀器,留給學(xué)生的操作空間很小,不利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行和教師的指導(dǎo)。同時(shí)學(xué)生只能在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn),無法在其他的空間進(jìn)行,限制了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)深度和廣度的發(fā)揮。

(3) 實(shí)驗(yàn)硬件電路固化,不利于修改。硬件類實(shí)驗(yàn)的一個(gè)主要問題是硬件電路固化,而對(duì)于顯示器件的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)而言,在工程實(shí)踐中往往會(huì)有不同的設(shè)計(jì)方案。例如，對(duì)于16行×16列的點(diǎn)陣LED顯示,就可以用譯碼器來設(shè)計(jì)行驅(qū)動(dòng)電路,而不必采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案的多個(gè)8位移位寄存器相級(jí)聯(lián)。因此傳統(tǒng)的硬件類實(shí)驗(yàn),在學(xué)生掌握多種設(shè)計(jì)方案和最新的顯示技術(shù)方面存在一定的困難[4-5]。

2 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

為了解決傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)存在的上述問題,我們?cè)陲@示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)中引入了虛擬仿真技術(shù),將傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合,二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),互相共存,形成系統(tǒng)化、模塊化、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)新模式[6-8]。

在選擇虛擬仿真軟件時(shí),我們對(duì)比了市面上多款軟件,最終選擇了Proteus虛擬仿真軟件。該軟件集成了原理圖設(shè)計(jì)、印制板電路設(shè)計(jì)和電路仿真等3個(gè)功能,除了能夠仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬電路和數(shù)字電路以外,它還提供了種類眾多的仿真模型,如液晶顯示模塊、按鍵、交直流電機(jī)、溫度傳感器等,用戶可以利用這些仿真模型搭建一個(gè)和實(shí)際硬件電路一致的硬件仿真平臺(tái),其運(yùn)行效果和真實(shí)的電路幾乎完全一致。同時(shí)Proteus還提供了大量的虛擬儀器,如示波器、信號(hào)發(fā)生器和邏輯分析儀等,用戶可以利用這些儀器完成對(duì)相關(guān)信號(hào)的波形分析和測量[9-10]。用戶利用Proteus設(shè)計(jì)出仿真電路圖后,還可以結(jié)合Keil軟件編寫基于51單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序,進(jìn)行軟硬件的聯(lián)合調(diào)試[11]。

2.1 七段數(shù)碼管的顯示

七段數(shù)碼管是基于發(fā)光二極管(LED)封裝的顯示器件,分為共陽極和共陰極2種結(jié)構(gòu),在設(shè)計(jì)顯示驅(qū)動(dòng)時(shí),又分為靜態(tài)掃描和動(dòng)態(tài)掃描2種方式。如果采用傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)不同種類,不同顯示方式的七段數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn),不僅硬件電路復(fù)雜,而且成本較高。采用虛擬仿真技術(shù)后,就可以輕易的完成多種設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐中,講授了七段數(shù)碼管的顯示原理后,以共陽極、動(dòng)態(tài)掃描為例,介紹一個(gè)基本的驅(qū)動(dòng)電路,然后讓學(xué)生自行發(fā)揮,設(shè)計(jì)其他不同的七段數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)方案,可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。圖2為基于8051單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的2位共陽極七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描電路仿真圖。

除了使用分離元件完成七段數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)之外,還可以采用專用顯示驅(qū)動(dòng)芯片完成設(shè)計(jì),如CD4011譯碼芯片和工程中常用的MAX7219芯片,圖3給出了基于MAX7219設(shè)計(jì)的八位七段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路仿真圖[12]。利用虛擬仿真技術(shù),對(duì)于七段數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)就可以采用不同的方案,學(xué)生可以分析和對(duì)比不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn),了解到在不同的工程要求下采用最簡潔、最方便的設(shè)計(jì)方案,而采用傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn),則會(huì)提高設(shè)計(jì)成本。

圖2 2位共陽極七段數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路仿真圖

2.2 點(diǎn)陣液晶顯示

原來的顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱,設(shè)計(jì)了字段式的液晶顯示電路,它只能顯示固定的字符,無法顯示任意的圖像。近年來,隨著液晶生產(chǎn)線的增加,點(diǎn)陣液晶顯示模塊的成本不斷下降,在工程領(lǐng)域已經(jīng)大量的使用。對(duì)于點(diǎn)陣液晶的顯示一般采用2種接口,一種是基于英特爾的8080總線接口,另一種是基于摩托羅拉的6800總線接口。在采用虛擬仿真技術(shù)后,我們?cè)O(shè)計(jì)了全彩液晶顯示模塊驅(qū)動(dòng)電路原理圖,并編寫了基于英特爾8080總線的顯示驅(qū)動(dòng)程序。利用該虛擬仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生不僅可以掌握點(diǎn)陣液晶顯示模塊驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法,了解點(diǎn)陣液晶的顯示原理,掌握點(diǎn)陣液晶顯示的底層驅(qū)動(dòng)程序編寫以及字符和圖片的顯示方法,還能進(jìn)一步了解圖形用戶界面(GUI)的設(shè)計(jì)方法。圖4給出了全彩點(diǎn)陣液晶的顯示驅(qū)動(dòng)電路仿真圖。

圖3 基于MAX7219的七段數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路仿真圖

圖4 全彩點(diǎn)陣液晶的顯示驅(qū)動(dòng)仿真圖

2.3 點(diǎn)陣LED的顯示

原有的顯示器件驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱中設(shè)計(jì)了48行×64列的點(diǎn)陣LED顯示,顯示的行數(shù)和列數(shù)固定,且行驅(qū)動(dòng)電路和列驅(qū)動(dòng)電路均采用了多個(gè)8位的移位寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成的并行輸出電路。然而在實(shí)際的工程實(shí)踐中,往往會(huì)涉及到16行多列的LED顯示,即顯示一行漢字,漢字采用左右移動(dòng)的方式循環(huán)顯示,這在很多戶外廣告中常常出現(xiàn)。對(duì)于16行的LED顯示,設(shè)計(jì)行驅(qū)動(dòng)電路時(shí)就可以進(jìn)行簡化,顯示數(shù)據(jù)利用單片機(jī)的I/O口直接控制,而行驅(qū)動(dòng)可以利用4線-16線譯碼器來譯碼控制每行的顯示,傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)往往無法完成這種多方案的設(shè)計(jì)。采用虛擬仿真技術(shù)后,我們就可以設(shè)計(jì)多種顯示方案,讓學(xué)生掌握點(diǎn)陣LED設(shè)計(jì)中不同驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)原理。圖5是16行×16列的點(diǎn)陣LED驅(qū)動(dòng)電路仿真圖,其中顯示數(shù)據(jù)由單片機(jī)的16個(gè)I/O口直接控制并同時(shí)輸出,不需要設(shè)計(jì)移位寄存器進(jìn)行串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,而行掃描電路則利用4線-16線譯碼器完成,電路非常簡潔。學(xué)生在此基礎(chǔ)上可自行發(fā)揮和設(shè)計(jì),將數(shù)碼管進(jìn)行級(jí)聯(lián),擴(kuò)展出16行N列的點(diǎn)陣LED驅(qū)動(dòng)電路。

圖5 16行×16列的點(diǎn)陣LED驅(qū)動(dòng)電路仿真圖

3 虛實(shí)結(jié)合的顯示驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真技術(shù)在顯示器件驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)上體現(xiàn)了很多的優(yōu)勢(shì):

(1) 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供了新的顯示器件,也提供了更多的顯示驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案,節(jié)省了硬件電路設(shè)計(jì)所花費(fèi)的成本和時(shí)間。學(xué)生可以在Proteus軟件的仿真環(huán)境下反復(fù)練習(xí),嘗試不同的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案,對(duì)于學(xué)生掌握顯示器件的驅(qū)動(dòng)原理、培養(yǎng)創(chuàng)造性思維有很大的幫助。

(2) 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展了實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度。原來的硬件實(shí)驗(yàn)只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,并且是2人一組或者3人一組完成實(shí)驗(yàn)。采用了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后,學(xué)生可以利用仿真軟件搭建和硬件實(shí)驗(yàn)幾乎一樣的實(shí)驗(yàn)電路,并利用相關(guān)的編程軟件編寫驅(qū)動(dòng)程序,進(jìn)行軟硬件聯(lián)合仿真觀測顯示效果,達(dá)到和硬件實(shí)驗(yàn)一樣的效果。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不再局限于實(shí)驗(yàn)室,可以在理論課的課堂上,完成理論教學(xué)后就可以讓學(xué)生自帶筆記本計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。也可以課后在寢室里進(jìn)行練習(xí)。

(3) 虛擬仿真技術(shù)可以和大規(guī)模在線課程(慕課)相結(jié)合,將優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源共享,提高其使用率和受益面。信息顯示和光電技術(shù)專業(yè)作為我院的國家級(jí)特色專業(yè),每年都有很多高校來我院進(jìn)行交流和學(xué)習(xí)。將傳統(tǒng)的顯示器件驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真技術(shù)結(jié)合后,可以進(jìn)行網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)教學(xué),提供了一個(gè)教學(xué)資源共享和交流的平臺(tái),從而擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的受益面。

4 結(jié)語

基于虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)形式,將硬件實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合,取長補(bǔ)短,有利于學(xué)生將理論和實(shí)踐相結(jié)合,提高學(xué)生的工程素養(yǎng),改變實(shí)踐教學(xué)的模式,擴(kuò)展實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度。同時(shí)顯示器件驅(qū)動(dòng)部分的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為我院成功申報(bào)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心——“光電信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”的四大模塊之一,其實(shí)踐教學(xué)效果也得到了專家的一致好評(píng)。

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Improving driving experiment of display device by virtual using simulation technology

Qi Qiang, Liu Shuang

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

The traditional driving experiment of display device has some problems such as the quantity of experimental equipment, portability and modification. With the combination of virtual simulation technology and hardware experiment, and using Proteus software, it can design a series of driving experiments of display device such as seven-segment display, dot matrix LED, etc. Also it can make some kinds of design scheme for each display device. Students can compare the advantages and disadvantages of different design schemes and improve their practical ability. This innovative method solves some problems which exist in traditional hardware experiments and change the mode of practical teaching that students will not confined to the laboratory to complete the experiment. It expands the depth and breadth of practical teaching and improves utilization ratio and benefit of quality teaching resources.

virtual simulation technology；display device；driving experiment; Proteus

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.002

2016-10-14

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(61307102);電子科技大學(xué)2015年本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2015XJYYB028)

漆強(qiáng)(1978—)，男，四川成都，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)樾畔@示和光電技術(shù)器件驅(qū)動(dòng)和光電系統(tǒng)集成.

E-mail：ytqiqiang@163.com

TP391.9；TN873

A

1002-4956(2017)2-0007-04