液晶顯示器的接口技術及其抗干擾措施

江濤　吳祥晟

摘要：介紹了一般LCD與MCU的接口技術及其抗干擾措施，結合最近開發的絕緣油耐壓測試儀中出現的CMOS自鎖現象，提出了一種在強電磁場等特殊環境下，可靠使用液晶顯示器的技術方法。

關鍵詞：液晶顯示器；接口；抗干擾；自鎖現象

1、LCD與微控制器的接口技術

目前市場上的液晶顯示模塊是結合了接口電路、等級驅動和液晶屏幕的專用模塊。模塊中通常有兩個以上的CMOS大規模集成電路，外部和控制器的接口功能只是一些工作模式寄存器，對應點陣RAM的讀寫，而具體的工作模式控制，掃描顯示和驅動均由模塊中的集成電路完成。控制器和LCD以串行通信方式（通過RS232接口）和并行通信方式交換數據信息，液晶顯示器大多采用并行接口方式。

1.1LCD的并行接口方式

顯示模塊的外部接口一般采用并行方式，并行接口外接口線的讀寫時序常見以下兩種模式。

（1）8080模式，這類模式通常有下列接口信號：Vee（工作主電源）、Vss（公共端）、Vee（偏置負電源，常用于調整顯示對比度）/RES，復位線。DB0～DB7，雙向數據線。D/I，數據脂令選擇線（1：數據讀寫，0：命令讀寫）。/CS，片選信號線（如果有多片組合，可有多條片選信號線）。/WR，MPU向LCD寫入數據控制線。/RD，MPU從LCD讀入數據控制線。

（2）6800模式，在這種模式下，Vee、Vss、Vee、/RES、DB0～DB7、D/I的功能同模式（1），其他信號線為：R/W，讀寫控制（1：MPU讀，0：MPU寫）。E，允許信號（多片組合時，可有多條允許信號線）。

1.2Vee的產生

在LCD模塊中，對比度的調整往往是通過調整Vee的數值進行的。對比度的大小會隨著溫度的變化而變化，準確的調整方式是加以溫度傳感器通過補償電路來進行的。大多數使用者是采用在Vcc和一個負電源V之間接一個電位器，通過調整電位器使之輸出一個合適的Vee來調整LCD的對比度。負電源V_可以通過一個直流電源電路產生。

如果在測量控制儀器中設計RS232接口，則需要TTL電平和RS232電平的轉換電路。常用的芯片是MAX202芯片，MAX202是MAXIM的接口芯片，可以轉換TTL電平和RS232電平。該芯片配備了動力提升泵，它只需要一個5V電源，并且在運行期間不需要外部12V電源，其操作簡單，而且可靠性強。MAX202芯片引腳具有負電源輸出，使用該引腳可以替代直流電源電路。

1.3抗干擾措施

LCD顯示屏常置于儀表的面板上，通過一條扁平電纜連接于主控板上。測控儀表內部的電磁干擾對LCD的工作有一定的影響，如果該儀表工作于工業生產過程，惡劣的環境對于液晶屏的工作更為不利，這就需要在設計中采用各種抗干擾措施，一般情況下采用下述措施即可：

（1）主板上與LCD模塊接口的邏輯電路盡可能采用驅動能力強的芯片。（2）LCD模塊的接口中，在Vee和Vss之間接一個0.1μF的濾波電容。（3）LCD模塊的工作電流很小，為幾個mA，但其背光部分所需要的電流遠大于其工作電流，最好將工作電源和背光電源分別走線。（4）定期對液晶屏復位（通過/RES引腳）可以保證液晶顯示屏長期工作的穩定性。如果不允許液晶屏定期復位，可以檢測LCD內部工作寄存器和顯示RAM，一旦發現LCD不正常，可以對LCD復位。

2、CMOS自鎖現象及其抑制

隨著CMOS器件在電子設計領域中應用范圍的日益廣泛，對其性能可靠、抗干擾方面的要求也越來越高，而在特定環境下，其自身特有的自鎖現象嚴重影響了系統的正常工作，因此，如何有效抑制CMOS自鎖現象的產生已成為使用CMOS器件設計電路中一個不可忽視的問題。

2.1自鎖現象

自鎖現象也稱為SCR現象。這是因為器件內部的pnpn結構形成了雙結寄生晶閘管，其電路結構與SCR完全相同。在測試和使用過程中，當外部電壓或電流信號觸發CMOS器件的漏極Vdd和源極Vss之間的較大導通電流時，一旦電流開始流動，即使電流消失，外部觸發信號也不會中斷，只有當電源關閉或電壓降至某個值以下時才會釋放電流。此時，設備處于自鎖狀態，理論和實驗結果表明，CMOS電路的自鎖效應是由于內部存在寄生雙極型晶閘管。自鎖有很多原因，具體分為外部和內部原因：內部原因是因其內部雙寄生晶體管的特殊構造引起的，其制造工藝在出廠后已確定，在此不做詳述。外部原因主要由以下幾方面構成：

（1）輸入或輸出端的電平下降到比Vss還低，或者上升到比Vdd還高；（2）接到Vdd端的電源有異常的浪涌電壓或噪聲干擾侵入；（3）電源電壓瞬間跳動引起反偏下p阱-襯底結電容出現較大的充放電電流，該電流的大小與電源電壓變化速度呈正比；（4）受到電離輻射，如α射線或γ射線輻照，使襯底、阱等處有異常的電流流過。

2.2CMOS自鎖現象的抑制措施

為了避免自鎖現象的發生，一方面從CMOS器件的制造工藝上改進其基本結構，另一方面在電路設計中，針對具體產生自鎖的原因采取相應的措施，具體為以下幾種方案：

（1）輸入輸出電源端有浪涌電壓或電流出現時，可在輸入端、輸出端串聯電阻以限制觸發電流，或者加粗電源線。（2）當電源線阻抗較高時，系統內集成電路開關引起的動態壓降也易引起自鎖。此時可在Vdd和Vss間接人電容，提供動態電流，減小電源線上的動態壓降。（3）由于大多數自鎖現象是外來噪聲和系統暫態過程引起的，只是瞬間產生，可在由浪涌電壓或電流引起的強磁場形成前斷開系統內CMOS器件的供電，躲過強磁場后繼續上電工作。

3、絕緣油耐壓測試儀LCD顯示中的CMOS自鎖現象的抑制措施

3.1絕緣油耐壓測試儀設計中自鎖現象的產生

絕緣油壓測試儀是電力行業廣泛用于測量變壓器絕緣油抗壓強度的儀器。其工作原理是：在電絕緣油的測試過程中，需要可調的高壓電壓。電壓施加到絕緣油杯的端部，并且電壓從零逐漸升高。當電壓在任何時候發生故障時，電流電壓值就是油的絕緣值。其中，系統的高壓發生部分是通過交流電機驅動自耦變壓器（可調），產生0-220V交流電，并通過1：400高壓變壓器產生0-88kV交流電壓。在具體的設計和調試中，我們發現每當絕緣油發生故障時，用于顯示系統加壓狀態的LCD屏幕都會導致屏幕出現，導致系統無法正常工作。經過反復實驗，發現該系統的故障是由絕緣油破裂時油杯擊穿電流為10至20mA引起的。由于變壓器變比為1：400，升壓變壓器的初級線圈會有4～8A的大電流流過，這樣一個大電流突然在電路周圍產生強烈的電磁場干擾，嚴重干擾了暴露的液晶顯示模塊中的CMOS器件，并觸發器件的自鎖現象。

3.2抑制方法

由于本系統中CMOS器件集成在液晶模塊中，因此不能采用傳統方法直接增加限流電阻抗干擾，只能采用第三種方法抑制自鎖現象。具體實現是：一方面系統中的大電流導線遠離計算機控制電路，兩根大電流導線絞合成雙絞線，以減少外部空間干擾；另一方面，考慮到大部分自鎖現象是外部噪聲，并且系統瞬態只能瞬間發生，并且系統中的CMOS器件的功率可以在形成由浪涌引起的強磁場之前斷開電壓或電流，強磁場消除后電源繼續打開。

3.3試驗結果

實驗表明，該方法能有效控制絕緣油擊穿時高壓的通斷，能夠準確測量變壓器絕緣油的耐壓值，并且在絕緣油擊穿時斷開液晶顯示模塊的電源供電，有效避免了液晶屏內CMOS器件自鎖現象的產生。