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LED顯示器介面電路

LED顯示原理

  LED（Light　Emitting　Diode發光二極體）顯示器是由發光二極體構成的最為常用的顯示器件。數字LED顯示器利用７個發光二極體顯示數字，通常被稱為七段LED顯示器、或者數碼管。另外，數碼管中還有一個圓點型發光二極體，用於顯示小數點。結構圖如圖3.8.１所示。
  LED顯示器有共陽極接法和共陰極接法。共陽極接法的發光二極體的陽極連在一起構成公共陽極。使用時，公共陽極接＋５V電壓。在陰極端輸入低電平，發光二極體就導通發光。共陰極接法的發光二極體的陰極連在一起構成公共陰極。使用時，公共陰極接地，在陽極端輸入高電平時，發光二極體就導通發光。使用時要注意區分這兩種不同接法的LED顯示器。

  LED導通電壓在1.5V左右，工作電流每段約為20mA，直接接在＋5V電平上會使數碼管過亮導致損壞，需接一個100～300Ω的限流電阻。
　　

多位數字顯示控制技術

  利用多個數字LED顯示器可以顯示多位數字。一個N位的LED顯示器有N根位選線和8×N根段選線。根據顯示方式的不同，位選線和段選線的連線方式也不同。段選線控制顯示字元的字形，位選線控制顯示位的亮、暗。
  多個數字LED顯示器顯示控制方式有靜態顯示方式和動態顯示方式兩種形式。
（1）靜態顯示控制技術
  數碼管採用靜態顯示方式時，各位的共陰極（或共陽極）連線在一起並接地（或接電源）；每位的段選線（a ~ dp）分別與控制器的驅動訊號輸出相連。顯示器中的各位相互獨立，而且各位的顯示字元一經確定，控制器的驅動訊號輸出將維持不變，直到顯示另一個字元為止。數碼管採用靜態顯示方式時亮度較高。

  圖3.8.2所示為一個四位靜態LED顯示器電路。該電路各位可獨立顯示，只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能顯示相應的字元。由於各位分別有一個８位輸出口控制段選碼，故在同一時間裡，每一位顯示的字元可以不同。這種顯示方式介面，程式設計容易，管理也容易，付出的代價是佔用埠線資源較多，一個四位靜態LED顯示器需要36個I/O口。所以，在顯示位數較多的時，一般採用的是動態顯示方式。

（2）動態顯示控制技術
  在多位LED顯示時，為了簡化硬體電路，通常將所有的段選線相應的並聯在一起，由一個８位I/O口控制，形成段選線的多路複用。而各位的共陽極或共陰極分別由相應的I/O口線控制，實現各位的分時位選通控制。

  圖3.8.3為一個４位７段LED動態顯示器的電路原理圖。一共佔用12個I/O口。由於各位的段選線並聯，段選碼的輸出對各位來說都是相同的。因此，同一時刻，如果各位位選線都處於選通狀態的話，４位LED將顯示相同的字元。若要各位LED能夠顯示出與本位相應的字元，就必須採用掃描顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位的位選線處於選通狀態，而其他各位的位選線處於截止狀態，同時，段選線上輸出對應顯示位的字元字形碼。４位LED輪流選通，由於人眼的視覺暫留現象，只要每位顯示間隔足夠短，就可得到多位同時亮的效果。

LED顯示驅動電路

  LED顯示器可採用74LS48（共陽）/74LS49（共陰）譯碼驅動電路來控制顯示。由於FPGA和微控制器的驅動功率限制，不提倡由FPGA或者微控制器直接來驅動LED顯示，需要使用放大驅動電路來控制LED的顯示。
  一個利用FPGA組成的動態顯示控制電路如圖3.8.4所示。

  使用74LS245匯流排驅動器驅動LED的動態顯示電路如圖3.8.5所示。

LED顯示器字形程式碼

  LED顯示器字形程式碼如表3.8.1所示。

LCD顯示器的控制

LCD顯示的原理

  在外加電場的作用下，液晶顯示器件的具有偶極矩的液晶棒狀分子在排列狀態上發生變化，使得通過液晶顯示器件的光被調製，從而呈現明與暗或透過與不透過的顯示效果。下面介紹FPGA驅動點陣字元型液晶顯示模組(MDLS)的方法與程式。

MDLS系列電路框圖

  MDLS系列液晶顯示模組的電路方框圖如圖3.8.6所示。

  其中E是使能訊號輸入端。R/W是讀/寫操作，選擇邏輯電平1進行讀操作，選擇邏輯電平0進行寫操作。RS是暫存器選擇操作，1為資料，0為指令。 DB0～DB7是資料匯流排。VDD是+5V邏輯電源，V0是液晶驅動電源，VSS是電源地。

MDLS字元型液晶顯示模組指令集

  MDLS字元型液晶顯示模組指令集見第4章4.3.1節。

MDLS字元型液晶顯示模組的訊號真值表

  MDLS字元型液晶顯示模組的訊號真值表如表3.8.2所示。

MDLS字元型液晶顯示模組的時序圖

  MDLS字元型液晶顯示模組的寫操作時序圖如圖3.8.7所示。

  從圖3.8.7的時序圖可以看到資料寫入的條件：暫存器Rs為高電平，讀/寫標誌R/W為低電平，建立地址，接下來使能訊號E為高電平，資料被寫入，當使能端E為下降沿的時候資料被完全建立。從地址的建立、保持到資料的建立、保持的結束，整個過程需要的時間至少為355ns。關於MDLS系列介面特性及電特性查點陣字元式液晶顯示模組使用手冊。

整體設計原理框圖

  採用專用IC晶片可以實現MDLS字元型液晶顯示模組的驅動，但專用IC晶片的資源有限，設計不靈活。採用FPGA驅動MDLS字元型液晶顯示模組的原理方框圖如圖3.8.8所示，主要由按鍵控制部分、FPGA驅動電路和液晶顯示模組組成。使用者通過按鍵控制電路對FPGA驅動電路進行初始化控制， FPGA控制器驅動液晶顯示模組，實現對字元型液晶顯示的驅動功能。

設計實現

  MDLS字元型液晶顯示模組的FPGA驅動電路如圖3.8.9所示。液晶顯示器譯碼模組（lcd_decoder）是把輸入的時間譯成與之對應的液晶顯示器的專用二進位制程式碼。例如：要在液晶顯示螢幕上顯示數字3，必須把3譯碼成二進位制程式碼"00110011"，才能在顯示螢幕上得到所需顯示的資料。液晶顯示器驅動模組（lcd_driver）的內部有三個程序，分別是資料預置、分頻和控制程序。FPGA驅動電路的工作流程是：首先資料預置，然後被預置的資料通過液晶顯示器譯碼模組（lcd_decoder）譯成液晶顯示器中所對應的二進位制程式碼，送入液晶顯示器驅動模組（lcd_driver），由驅動模組的輸出訊號直接控制液晶顯示器，輸出對應的字元。達到採用FPGA驅動MDLS字元型液晶顯示的目的。

液晶顯示器驅動模組（lcd_driver）的狀態控制

  液晶顯示器驅動模組（lcd_driver）是FPGA控制器設計的主要內容，FPGA控制器內部的三大程序分別是資料預置(loaddata)、分頻(divider)和控制程序(control)。其中分頻程序是為了滿足使能訊號的使能週期的最小時間，這是由於FPGA的頻率太高，要滿足使能週期的最小時間就必須利用分頻來實現。控制程序是利用狀態機來完成的。狀態轉換圖如圖3.8.10所示，STATE0、STATE1…STATE5分別表示set_dlnf狀態(功能設定)、clear_lcd狀態（清屏）、 set_cursor狀態(輸入方式設定)、set_dcb狀態(限制開關控制)、set_location狀態（DDRAM地址設定）和write_data狀態（寫資料）。從圖3.8.10中可知：當復位訊號reset=0時，進入初始化狀態，即set_dlnf狀態(功能設定)。它的輸出為: lcden<=‘0’；　lcdda<=‘0’；lcdrw<=‘0’；data<=“00111100”；lcden為使能訊號，lcdda相當於RS暫存器的輸入訊號，lcdrw是資料讀/寫訊號，data<="00111100"表示該功能方式設定的是8位資料介面，兩行顯示5*10點陣字元。其它的狀態輸出和功能查MDLS字元型液晶顯示模組指令集可知。由程式知道初始化時，使能訊號(lcden)為低電平，然後延遲200μs後使能訊號為高電平“1”，再延遲200μs使能訊號清零，之後再延遲200μs才轉到另一個狀態。因此從一個狀態轉到另一個狀態需要延遲600μs.在滿足條件的情況下,各狀態按照圖3.8.10中所示的關係轉換。

MDLS字元型液晶顯示模組與微控制器的介面

  MDLS字元型液晶顯示模組與微控制器的介面電路見第4章4.3節。

LMA97S005AD點陣液晶顯示模組與微控制器的介面電路

  LMA97S005AD點陣液晶顯示模組與微控制器的介面電路見第4章4.3節。

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