一種基于單片機控制的LCD人機界面方案

施 凱，徐培鳳，黃文新，陳建鋒

(1.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

(2.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016)

隨著工控技術的發(fā)展，對具有顯示內容豐富和操作簡單可靠的人機界面的需求越發(fā)迫切。而LCD以其微功耗、無輻射和顯示清晰等優(yōu)點，在工業(yè)控制人機界面上的應用已越來越廣泛［1-2］。

本文設計的LCD人機界面方案以飛思卡爾公司的MC9S08GT60型單片機作為主控芯片，結合點陣液晶模塊CA320340B，通過與控制系統(tǒng)MCU的串口通訊實現(xiàn)監(jiān)控參數(shù)的獲取及發(fā)送，了解和學習當前主流點陣液晶模塊的工作及實現(xiàn)。該設計對于學生的課程教學實踐與課外科技活動、電子設計競賽以及將來就業(yè)都有幫助。

1 系統(tǒng)構成與工作原理

1.1 系統(tǒng)構成

LCD人機界面由控制部分、通訊部分和顯示部分三部分構成，其硬件連接結構框圖如圖1所示。其中最主要的是控制部分，MC9S08GT60是飛思卡爾公司的一款44引腳QFP封裝的八位單片機，總共可提供36個I/O口，具備4kRAM和60kFlash存儲，無論是對于程序的讀寫還是數(shù)據(jù)的存儲都很足夠，滿足該液晶顯示系統(tǒng)的控制要求，且其具備BDM后臺調試電路。通過BDM接口，實現(xiàn)了在線編程及動態(tài)調試［3-4］。

圖1 LCD人機界面硬件連接結構框圖

通訊部分采用簡單有效的SCI串口通訊，使用單片機SCI接口與控制系統(tǒng)DSP微處理器交換需要監(jiān)控的系統(tǒng)參數(shù)。

顯示部分為帶有RA8835圖形顯示控制芯片的點陣液晶屏。該屏外擴32K顯示RAM，具有強大的作圖功能，支持文本顯示、圖形顯示以及圖形和文本混合顯示。

通過電路設計，將通訊接口、液晶控制器以及單片機控制板整合為一個液晶顯示的人機界面，實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。

1.2 系統(tǒng)工作原理

單片機控制板和液晶屏之間可以通過控制口WR(寫)、RD(讀)、RS(片選)、CD(指令數(shù)據(jù)寄存器選擇)以及DB0-DB7八位數(shù)據(jù)口相連。通過編寫程序，單片機發(fā)出高低電平信號控制寄存器的選擇、讀寫口的開閉以及數(shù)據(jù)或指令的傳輸。在片選選定后，選取指令寄存器并打開寫控制口，寫入的八位數(shù)據(jù)會被當作指令送入液晶控制器中，此時控制器打開相應的功能，選取數(shù)據(jù)寄存器及寫控制口便可從數(shù)據(jù)口送入對應指令的數(shù)據(jù)，控制器便會依據(jù)上一步的指令進行處理送入的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)液晶屏上諸如光標的顯示和移動，字符和圖形顯示等功能。薄膜開關功能是LCD顯示人機界面系統(tǒng)運行工作的重要環(huán)節(jié)，在開關的控制下，可以實現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測面板的顯示、參數(shù)設置面板的切換及參數(shù)的設置和返回等。

在對數(shù)據(jù)處理成顯示圖像的過程中，分為文本顯示和圖形顯示兩種方式:當選取文本顯示時，需要在存儲區(qū)中建立字符庫，在訪問顯示RAM區(qū)中的每個字節(jié)的數(shù)據(jù)都認為是字符代碼，控制器經該代碼確定字符庫中字符的位置，然后將相應的字模數(shù)據(jù)送至液晶顯示屏模塊上;當選取圖形顯示時，RAM區(qū)專用于圖形方式顯示，在該RAM區(qū)中每個字節(jié)的數(shù)據(jù)將直接被送到液晶模塊上顯示，每個位的電平狀態(tài)決定顯示屏上一個點的顯示狀態(tài)，“1”為亮，“0”為暗，所以圖形顯示RAM的一個字節(jié)對應顯示屏上的8×1個點陣。通過指令的選取，可以實現(xiàn)圖形和文本的獨立顯示或者兩者的混合顯示，以達到最好的顯示效果。

LCD人機系統(tǒng)能夠以雙工方式收發(fā)數(shù)據(jù)，在通訊的基礎上，結合了液晶屏字符顯示的功能，將所要監(jiān)測的通訊數(shù)據(jù)編排顯示在液晶屏上。同時，通過對薄膜開關進行功能設計，使得液晶顯示系統(tǒng)功能更加豐富，包括參數(shù)顯示，波形顯示，PI參數(shù)調節(jié)反饋等。總體而言，該液晶顯示系統(tǒng)能夠符合任何功能要求，使用要求及安裝要求，且雙向數(shù)據(jù)傳輸設計使操作使用更具人性化特點。

2 液晶圖形顯示原理

控制點陣液晶的顯示本質上就是控制液晶屏上各個點的亮和暗。圖形顯示方式下，液晶屏上每1×8個點依次對應于RAM區(qū)中的一個字節(jié)。初始設定RAM區(qū)的起始地址，光標每移動一位，RAM區(qū)地址則加一，在屏上移動8個像素點，而字節(jié)中的一位對應于8個像素點中的一個點。其原理圖如圖2(a)所示。在顯示控制器的處理下，當RAM區(qū)某字節(jié)中位數(shù)據(jù)為“1”時，則對應的點為亮，為“0”的時候則為暗。

通過單片機引腳編程使能，將控制指令寫入控制器中以打開相應控制功能，在確定寫入漢字的RAM地址之后，寫入相應的字模數(shù)據(jù)，在控制芯片的處理下，即能在屏上得到相應的漢字顯示［5-7］。16×16漢字“天”的顯示如圖2(b)所示。

圖2 點陣液晶系顯示原理圖

在顯示的過程中，控制器會實時接受單片機訪問并及時把單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)和指令就位，因此必須注意一個問題:采用中斷為顯示驅動讀取顯示數(shù)據(jù)的操作，會不可避免的在顯示屏上出現(xiàn)雪花現(xiàn)象。為避免之，RA8835控制器在接口部提供一個狀態(tài)信號——“忙”標志BF，它位于數(shù)據(jù)總線的D6位。在傳送完一行有效顯示數(shù)據(jù)到下一行傳送開始的間歇內BF=0，這段時間RA8835將不讀取顯示數(shù)據(jù)，此時MCU訪問控制器將不會影響顯示效果。通過對忙標志位進行判斷再執(zhí)行指令可以保證顯示不產生雪花。

3 軟件設計

對于飛思卡爾單片機MC9S08GT60，其軟件設計可在專門的PE平臺上進行。該平臺上底層函數(shù)全部打包，軟件設計時可直接調用，十分方便。在硬件設計完好的基礎上，基于液晶顯示的基本原理，以及顯示控制器RA8835的邏輯時序。我們開發(fā)出可靠的能實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控顯示與交互功能的單片機C語言程序。軟件設計主要分為以下幾個部分。

1)SCI串口通訊

這里采用了雙工的串口模式，除了調整波特率、數(shù)據(jù)位、起始/停止位和校驗位這些最基本的通信參數(shù)以外，還要明確上位機和下位機之間的通信協(xié)議。

本系統(tǒng)規(guī)定了以下的通信協(xié)議:確定好一次收發(fā)的數(shù)據(jù)為10個，當下位機收到0x81時，確認之后的數(shù)據(jù)才予接收，如果不是該數(shù)則重新等待下一個0x81的到來。在上位機發(fā)送之前，對數(shù)據(jù)先做一步處理，即將發(fā)送的數(shù)組的最后一位設定為校驗位該位為前面每一個數(shù)據(jù)之間相互異或的結果。而下位機在接收時也將每一個數(shù)據(jù)相互異或并保存。當下位機計數(shù)標志達到10后，比較最后一位數(shù)據(jù)和校驗位數(shù)值，若兩者一致，表明接收的數(shù)據(jù)是正確的，否則判斷為錯誤而重新接收。具體的接收和發(fā)送程序流程圖如圖3所示。

圖3 SCI串口通信流程圖

2)字符顯示

首先使用取模軟件將所要顯示的字符進行譯碼，得到字符的點陣數(shù)據(jù)，不同的字符格式下字模數(shù)據(jù)不同，對字符的解碼過程需與所編程序的讀寫順序相同。其次，基于顯示控制芯片的時序邏輯，通過調用子程序，完成對字符數(shù)據(jù)的讀寫操作，實現(xiàn)字符的顯示。

以16×16漢字為例，實現(xiàn)過程如下:用取模軟件按照漢字顯示的順序提取出字模數(shù)據(jù)。設定光標首地址，并將光標屬性修改為自動向下移動，將字模數(shù)據(jù)分兩部分寫入控制芯片。先判斷忙標志位是否空閑，空閑則寫數(shù)據(jù)。先寫表示漢字左半邊的8×16點陣數(shù)據(jù)，即16字節(jié)數(shù)據(jù)，寫完后光標地址加一，再寫右半邊8×16個點陣數(shù)據(jù)。如此，一個16×16點陣漢字的字模數(shù)據(jù)被完全寫入，并在控制器的顯示驅動下在液晶屏的設定位置上顯示出來。同理，對于8×8、8×16或者24×24點陣的字符顯示過程和上述點陣漢字的顯示過程基本一致。

3)波形顯示

由于在RA8835控制器控制下具有光標地址和RAM區(qū)空間地址相一致的特點，如果單純的將數(shù)據(jù)按照接收的順序依次在屏上顯示的話，光標地址最多只能移動40次。而對應一個光標地址的字節(jié)空間如果重復寫入數(shù)據(jù)的話，前面的數(shù)據(jù)將會擦除，因此對數(shù)據(jù)處理時必須對字節(jié)的每個位進行操作。這樣處理的復雜度和時間長度均增加不少，所以必須找到合理的處理方式。

本系統(tǒng)使用320*240點陣液晶，數(shù)據(jù)在數(shù)組中的位置由顯示屏行地址表示，而縱向位置由數(shù)據(jù)大小確定，對完成位置確定的數(shù)據(jù)可以點的方式顯示。在液晶屏上顯示時，每個數(shù)據(jù)的大小通過一定比例關系轉化為液晶屏縱向的高度，而橫向坐標的確定則是由數(shù)據(jù)在數(shù)組中的位數(shù)決定。光標地址即RAM區(qū)地址表示為0X28×Y+X，每行顯示40個字節(jié)的數(shù)據(jù)，Y表示行數(shù)，X表示的是在第(Y+1)行中的位置。

現(xiàn)以顯示數(shù)組中的第60個數(shù)100為例。如果在液晶上顯示的高度是與像素行數(shù)一比一對應的話，則Y值上應該為Y=240－100。而在橫向位置的確定上，由于60/8=7余4，對應寫入的RAM區(qū)行地址X為5，其中，要點亮的是字節(jié)內的第四個點，則在字節(jié)內表示為0X80，相應的在地址中寫入該字節(jié)數(shù)據(jù)，便實現(xiàn)了對第60個數(shù)以點的方式顯示。采用這種方式進行數(shù)據(jù)到波形的轉化，效果達到了設計的要求，不過在細節(jié)上的處理還要有所注意。比如對于相連的大小相等的數(shù)，在同一個字節(jié)中寫入時，由于地址一致只是字節(jié)內的點不同，后面的數(shù)據(jù)會將前一個數(shù)擦除而少了一個點。必須將這些特殊情況另外表示出來，保證波形的連續(xù)性。具體波形顯示流程如圖4所示。

圖4 波形顯示流程圖

4 結語

本文介紹的基于飛思卡爾單片機MC9S08GT60控制的LCD人機界面方案，實現(xiàn)了既定的數(shù)據(jù)通信、字符顯示以及波形監(jiān)測等功能。該方案有助于學生熟練掌握基于SCI通訊的人機界面設計。該培訓科目也可為相關課程設計內容提供參考。

［1］夏莉英，古玉年.基于單片機的全屏幕點陣液晶顯示器的應用［J］.太原:山西電子技術，2007，5:45 －48

［2］殷伯華，方光榮.基于單片機彩色液晶實時顯示系統(tǒng)設計［J］，南京:工業(yè)控制計算機，2004，17(08):41 －42

［3］孫同景.Freescale 9S12十六位單片機原理及嵌入式開發(fā)技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.7

［4］李晶皎，劉天華，丁言鎂編著.液晶顯示器的C語言程序設計:Freescale 8位微控制器［M］.北京:科學出版社，2005.4

［5］楊應平，石城，蔣愛湘，李振華.圖形點陣液晶顯示模塊與51系列單片機的接口設計［J］.北京:現(xiàn)代顯示，2006，63:41－45

［6］張國友，孫萍.圖形點陣液晶顯示器與單片機接口及應用［J］.蕪湖:安徽機電學院學報，2001，16(12):37 －40

［7］李子健.基于51單片機的漢字LCD智能顯示模塊設計［J］.西安:電子元器件應用，2006.9:76－77