Kā izveidot statisku LCD draiveri ar I²C saskarni: 12 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Šķidro kristālu displeji (LCD) tiek plaši izmantoti komerciālos un rūpnieciskos nolūkos, jo tiem ir labas vizuālās īpašības, zemas izmaksas un zems enerģijas patēriņš. Šo īpašību dēļ LCD ir standarta risinājums ar baterijām darbināmām ierīcēm, piemēram, pārnēsājamiem instrumentiem, kalkulatoriem, pulksteņiem, radioaparātiem utt.

Tomēr, lai pareizi kontrolētu to, ko parāda LCD, LCD elektroniskajam draiverim jārada atbilstošas sprieguma viļņu formas LCD tapām. Viļņu formām vajadzētu būt maiņstrāvai (maiņstrāvai), jo līdzstrāvas (līdzstrāvas) spriegumi neatgriezeniski sabojās ierīci. Atbilstošais draiveris šos signālus piegādā LCD ekrānam ar minimālu enerģijas patēriņu.

Pastāv divu veidu LCD, statiskais, ar tikai vienu aizmugures plati un vienu tapu atsevišķu segmentu kontrolei, un multipleksēts, ar vairākiem aizmugurējiem plāniem un vairākiem segmentiem, kas savienoti katrai tapai.

Šajā pamācībā tiks prezentēts viena statiska LCD draivera dizains ar SLG46537V GreenPAK ™ ierīci. Izstrādātais LCD draiveris darbinātu līdz pat 15 LCD segmentiem, izmantojot dažus mikropamperus strāvas no barošanas avota, un piedāvātu I²C saskarni vadībai.

Tiks parādītas šādas sadaļas:

● pamatzināšanas par LCD;

● detalizēts SLG46537V GreenPAK LCD draivera dizains;

● kā vadīt septiņu segmentu četrciparu statisko LCD ar divām GreenPAK ierīcēm.

Tālāk mēs aprakstījām nepieciešamās darbības, lai saprastu, kā risinājums ir ieprogrammēts, lai izveidotu statisku LCD draiveri ar I²C saskarni. Tomēr, ja vēlaties tikai iegūt programmēšanas rezultātu, lejupielādējiet GreenPAK programmatūru, lai apskatītu jau pabeigto GreenPAK dizaina failu. Pievienojiet GreenPAK attīstības komplektu datoram un nospiediet programmu, lai izveidotu statisku LCD draiveri ar I²C saskarni.

1. darbība. Šķidro kristālu displeju pamati

Šķidro kristālu displeji (LCD) ir tehnoloģija, kas neizstaro gaismu, tā tikai kontrolē ārējā gaismas avota caurbraukšanu. Šis ārējais gaismas avots varētu būt pieejamā apkārtējā gaisma atstarojošā displeja veidā vai gaisma no aizmugurgaismojuma gaismas diodes vai lampas caurlaidīga displeja veidā. LCD ir izgatavoti no divām stikla plāksnēm (augšējā un apakšējā), starp tām ir plāns šķidro kristālu (LC) slānis un divi gaismas polarizatori (pielietojuma piezīme AN-001-LCD tehnoloģijas pamati, Hitachi, lietošanas piezīme AN-005-displejs Režīmi, Hitachi). Polarizators ir gaismas elektromagnētiskā lauka gaismas filtrs. Tikai gaismas komponenti pareizajā elektromagnētiskā lauka virzienā iziet cauri polarizatoram, bet pārējie komponenti ir bloķēti.

Šķidrais kristāls ir organisks materiāls, kas pagriež gaismas elektromagnētisko lauku par 90 grādiem vai vairāk. Tomēr, kad LC tiek pielietots elektriskais lauks, tas vairs negroza gaismu. Pievienojot caurspīdīgus elektrodus displeja augšējā un apakšējā stiklā, ir iespējams kontrolēt, kad gaisma iet cauri, un kad ne - ar ārēju elektriskā lauka avotu. Šo darbības vadību ilustrē 1. attēls (skatīt lietojumprogrammas piezīmi AN-001-LCD tehnoloģijas pamati, Hitachi). 1. attēlā displejs ir tumšs, ja nav elektriskā lauka. Tas ir tāpēc, ka abi polarizatori filtrē gaismu vienā virzienā. Ja polarizatori ir ortogonāli, displejs būs tumšs, kad ir elektriskais lauks. Šī ir visizplatītākā atstarojošo displeju situācija.

Minimālo elektrisko lauku vai spriegumu, lai kontrolētu LCD, sauc par ON slieksni. LC ietekmē tikai spriegums, un LC materiālā gandrīz nav strāvas. LCD elektrodi veido nelielu kapacitāti, un tā ir vienīgā vadītāja slodze. Tas ir iemesls tam, ka LCD ir mazjaudas ierīce, lai parādītu vizuālu informāciju.

Tomēr ir svarīgi atzīmēt, ka LCD nevar darboties ar līdzstrāvas (DC) sprieguma avotu pārāk ilgi. Līdzstrāvas sprieguma pielietošana izraisīs ķīmiskas reakcijas LC materiālā, to neatgriezeniski sabojājot (Lietošanas piezīme AN-001-LCD tehnoloģijas pamati, Hitachi). Risinājums ir izmantot alternatīvo spriegumu (maiņstrāvu) LCD elektrodos.

Statiskajos LCD diskos elektrods ir iebūvēts vienā stiklā, bet atsevišķi stikla segmenti jeb pikseļi ir ievietoti otrā stiklā. Šis ir viens no vienkāršākajiem LCD veidiem un labākais kontrasta koeficients. Tomēr šāda veida displejam parasti ir nepieciešams pārāk daudz tapas, lai kontrolētu katru atsevišķu segmentu.

Parasti vadītāja kontrolieris avota plaknei iegūst kvadrātveida viļņu pulksteņa signālu un priekšējā plaknē esošajiem segmentiem pulksteņa signālu. Ja aizmugurējā plaknes pulkstenis ir vienā fāzē ar segmenta pulksteni, vidējais kvadrāta (RMS) spriegums starp abām plaknēm ir nulle un segments ir caurspīdīgs. Pretējā gadījumā, ja RMS spriegums ir augstāks par LCD ieslēgšanas slieksni, segments kļūst tumšs. Viļņu formas aizmugures plaknei, ieslēgta un izslēgta segments ir parādītas 2. attēlā. Kā redzams attēlā, ON segments ir ārpus fāzes attiecībā pret aizmugures plaknes signālu. Izslēgtais segments ir fāzē attiecībā pret aizmugures plaknes signālu. Piemērotais spriegums var būt no 3 līdz 5 voltiem zemu izmaksu un mazjaudas displejiem.

Pulksteņa signāls LCD aizmugures plaknei un segmentiem parasti ir diapazonā no 30 līdz 100 Hz, kas ir minimālā frekvence, lai izvairītos no vizuāla mirgošanas efekta LCD. Izvairieties no augstākām frekvencēm, lai samazinātu visas sistēmas enerģijas patēriņu. Sistēma, kas sastāv no LCD un draiveriem, patērētu nelielu strāvu mikroamperu secībā. Tas padara tos ideāli piemērotus mazjaudas un akumulatora barošanas avota lietojumiem.

Turpmākajās sadaļās ir detalizēti parādīts LCD statiskā draivera dizains ar GreenPAK ierīci, kas var ģenerēt aizmugurējā paneļa pulksteņa signālu un atsevišķa segmenta pulksteņa signālu komerciālajam LCD.

2. darbība: GreenPAK dizaina pamata blokshēma

Bloķēšanas diagramma, kas ilustrē GreenPAK dizainu, ir parādīta 3. attēlā. Dizaina pamata bloki ir I²C saskarne, izejas segmenta draiveris, iekšējais oscilators un aizmugurējā pulksteņa avota atlasītājs.

I²C saskarnes bloks kontrolē katru atsevišķu segmenta izvadi un LCD ekrāna aizmugurējā pulksteņa avotu. I²C saskarnes bloks ir vienīgā sistēmas ievade segmenta izejas kontrolei.

Kad ir iestatīta iekšējā segmenta vadības līnija (augsts līmenis), attiecīgais LCD segments ir tumši necaurspīdīgs. Kad iekšējā segmenta vadības līnija tiek atiestatīta (zems līmenis), attiecīgais LCD segments ir caurspīdīgs.

Katra iekšējā segmenta vadības līnija ir savienota ar izejas draiveri. Izejas segmenta draivera bloks ģenerēs fāzes pulksteņa signālu, kas ir saistīts ar aizmugurējā plāna pulksteni, lai iegūtu caurspīdīgus segmentus. Tumšiem segmentiem šis signāls ir ārpus fāzes ar saistību ar aizmugures plāksnes pulksteni.

Aizmugurējā pulksteņa avots ir izvēlēts arī ar I²C saskarni. Kad ir izvēlēts iekšējais aizmugurējā pulksteņa avots, tiek ieslēgts iekšējais oscilators. Iekšējais oscilators ģenerēs 48Hz pulksteņa frekvenci. Šo signālu izmantos izejas segmenta draivera bloks, un tas ir adresēts aizmugurējās plāksnes pulksteņa izejas tapai (GreenPAK pin 20).

Kad ir izvēlēts ārējais aizmugurējā pulksteņa avots, iekšējais oscilators tiek izslēgts. Izejas segmenta draivera atsauce ir ārējā aizmugurējā pulksteņa ievade (GreenPAK 2. tapa). Šajā gadījumā aizmugurējās plāksnes pulksteņa izejas tapu varētu izmantot kā papildu segmenta vadības līniju - segmentu OUT15.

Tajā pašā I²C līnijā varēja izmantot vairākas GreenPAK ierīces. Lai to izdarītu, katrai ierīcei jābūt ieprogrammētai ar atšķirīgu I²C adresi. Tādā veidā ir iespējams palielināt izmantoto LCD segmentu skaitu. Viena ierīce ir konfigurēta, lai ģenerētu aizmugurējā plāna pulksteņa avotu, vadot 14 segmentus, bet pārējās ir konfigurētas, lai izmantotu ārēju aizmugures plaknes pulksteņa avotu. Katra papildu ierīce šādā veidā varētu vadīt vairāk nekā 15 segmentus. Tajā pašā I²C līnijā ir iespējams pieslēgt līdz 16 ierīcēm un pēc tam ir iespējams kontrolēt līdz 239 LCD ekrāna segmentiem.

Šajā pamācībā šī ideja tiek izmantota, lai kontrolētu 29 LCD segmentus ar 2 GreenPAK ierīcēm. Ierīces pinout funkcionalitāte ir apkopota 1. tabulā.

3. solis: projektējiet pašreizējo patēriņu

Svarīga problēma šajā dizainā ir pašreizējais patēriņš, kam vajadzētu būt pēc iespējas zemākam. GreenPAK ierīces aprēķinātā mierīgā strāva ir 0,75 µA 3,3 V barošanas darbībai un 1,12 µA 5 V barošanas darbībai. Iekšējā oscilatora pašreizējais patēriņš ir 7,6 µA un 8,68 µA attiecīgi 3,3 V un 5 V barošanas avota darbībai. Paredzams, ka no pārslēgšanās zudumiem būtiski nepalielināsies pašreizējais patēriņš, jo šī konstrukcija darbojas ar zemu pulksteņa frekvenci. Šim dizainam paredzētā maksimālā patērētā strāva ir zemāka par 15 µA, kad iekšējais oscilators ir ieslēgts, un 10 µA, kad iekšējais oscilators ir izslēgts. Abās situācijās patērētā izmērītā strāva ir parādīta sadaļā Testa rezultāti.

4. darbība. GreenPAK ierīces shēma

GreenPAK programmatūrā izstrādātais projekts ir parādīts 4. attēlā. Šī shēma tiks aprakstīta, kā atsauci izmantojot pamata bloku diagrammas.

5. darbība: I²C saskarne

I²C saskarnes bloks tiek izmantots kā ierīces darbības vadības galvenais vadības bloks. Blīvsavienojumu un konfigurēto rekvizītu tuvs skats ir parādīts 5. attēlā.

Šis bloks ir savienots ar PIN 8 un PIN 9, kas ir attiecīgi I²C SCL un SDA tapas. I²C blokā ir 8 virtuālās ieejas. Sākotnējā vērtība katrai virtuālajai ievadei tiek parādīta rekvizītu logā (skat. 5. attēlu). Virtuālās ieejas no OUT0 līdz OUT6 tiek izmantotas kā segmenta vadības līnijas. Šīs vadības līnijas atbilst segmenta izejai 1 līdz segmenta izejai 7 un ir savienotas ar segmenta izejas draiveri. Virtuālā ievade OUT7 tiek izmantota kā aizmugurējā pulksteņa avota atlasītāja līnijas vadība ar tīkla nosaukumu BCKP_SOURCE. Šo tīklu projektēšanā izmantos citi bloki. I²C vadības kods ir konfigurēts ar atšķirīgu vērtību katrai projekta IC.

Asynchronous State Machine (ASM) izejā ir pieejamas vēl 8 iekšējā segmenta vadības līnijas, kā parādīts 6. attēlā iepriekš. Segmenta izvades 8. rindu (SEG_OUT_8 rekvizītu logā) līdz 15. segmenta izvades līnijai (SEG_OUT_15) kontrolē ASM izeja 0. stāvoklī. ASM blokā nav nevienas stāvokļa pārejas, tas vienmēr ir stāvoklī 0. ASM izejas ir savienots ar segmenta izejas draiveriem.

Segmenta izejas draiveri ģenerēs ierīces izejas signālu.

6. darbība: izvades segmenta draiveris

Izejas segmenta draiveris būtībā ir uzmeklēšanas tabula (LUT), kas konfigurēta kā XOR loģikas ports. Katram izvades segmentam tam jābūt XOR portam, kas savienots ar segmenta vadības līniju un aizmugures plāksnes pulksteni (BCKP_CLOCK). XOR ports ir atbildīgs par fāzes un ārpusfāzes signāla ģenerēšanu izejas segmentam. Kad segmenta vadības līnija ir augstā līmenī, XOR porta izeja apgriezīs aizmugurējās plāksnes pulksteņa signālu un ģenerēs ārpusfāzes signālu segmenta tapai. Sprieguma starpība starp LCD aizmugurējo plāksni un LCD segmentu šajā gadījumā noteiks LCD segmentu kā tumšu segmentu. Kad segmenta vadības līnija ir zemā līmenī, XOR porta izeja sekos aizmugurējās plāksnes pulksteņa signālam un pēc tam ģenerēs fāzes signālu segmenta tapai. Tā kā šajā gadījumā starp LCD aizmugurējo plāksni un segmentu netiek pielietots spriegums, segments ir caurspīdīgs gaismai.

7. darbība. Iekšējā oscilatora un aizmugurējā pulksteņa avota vadība

Iekšējais oscilators tiek izmantots, ja signāls BCKP_CLOCK no I²C saskarnes ir iestatīts augstā līmenī. Pulksteņa avota vadības diagrammas tuvplāns ir parādīts 7. attēlā iepriekš.

Oscilators ir konfigurēts kā 25 kHz RC frekvence ar augstāko izejas dalītāju, kas pieejams oscilatora OUT0 (8/64) režīmā. Visa konfigurācija ir redzama īpašību logā, kas parādīts 7. attēlā. Šādā veidā iekšējais oscilators ģenerēs 48 Hz pulksteņa frekvenci.

Oscilators ir aktīvs tikai tad, ja BCKP_SOURCE signāls ir augstā līmenī kopā ar POR signālu. Šo vadību veic, savienojot šos divus signālus ar 4-L1 LUT NAND portu. Pēc tam NAND izeja tiek pievienota oscilatora izslēgšanas vadības tapas ieejai.

Signāls BCKP_SOURCE kontrolē MUX, kas veidots ar 3-L10 LUT. Ja BCKP_SOURCE signāls ir zemā līmenī, aizmugurējā paneļa pulksteņa avots nāk no PIN2. Kad šis signāls ir augstā līmenī, aizmugurējā paneļa pulksteņa avots nāk no iekšējā oscilatora.

8. darbība. Aizmugurējā pulksteņa izeja vai 15. segmenta izejas tapas vadība

Šī dizaina 20. tapai ir divkārša funkcija, kas ir atkarīga no izvēlētā aizmugurējā pulksteņa avota. Šīs tapas darbību kontrolē ar vienu 4 ieejas LUT, kā parādīts 8. attēlā. Izmantojot 4 bitu LUT, XOR porta darbību ir iespējams saistīt ar izeju MUX. Kad BCKP_SOURCE signāls ir augstā līmenī, LUT izeja sekos iekšējam oscilatora pulkstenim. Tad tapa 20 darbojas kā aizmugurējā pulksteņa izeja. Kad BCKP_SOURCE signāls ir zemā līmenī, LUT izeja būs XOR darbība starp SEG_OUT_15, no ASM izejas un aizmugurējā pulksteņa signālu. 4 bitu LUT konfigurācija šīs darbības veikšanai ir parādīta 8. attēlā.

9. solis: LCD sistēmas prototips

Lai demonstrētu GreenPAK dizaina risinājuma izmantošanu, uz maizes dēļa tika samontēts LCD sistēmas prototips. Prototipam septiņu segmentu, 4 ciparu statisko LCD disku vada divas GreenPAK ierīces uz DIP plates. Viena ierīce (IC1) izmanto iekšējo oscilatoru, lai virzītu LCD aizmugures plakni, bet otra ierīce (IC2) izmanto šo signālu kā atskaites ieejas atskaiti. Abus IC kontrolē I²C saskarne, izmantojot STM32F103C8T6 mikrokontrolleru (MCU) minimālajā izstrādes panelī.

9. attēlā parādīta savienojumu shēma starp diviem GreenPAK IC, LCD displeju un MCU plati. Shēmā GreenPAK ierīce ar U1 (IC1) atsauci nodrošina LCD pirmo un otro ciparu (LCD kreisajā pusē). GreenPAK ierīce ar U2 (IC2) atskaiti vada LCD trešo un ceturto ciparu, kā arī COL segmentu (LCD labajā pusē). Barošanas avots abām ierīcēm tiek piegādāts no regulatora, kas atrodas mikrokontrollera izstrādes panelī. Strāvas mērīšanai ar multimetru tiek pievienoti divi noņemami džemperi starp katras GreenPAK ierīces barošanas avotu un VDD tapām.

Samontētā prototipa attēls ir parādīts 10. attēlā.

10. darbība: I²C komandas LCD vadībai

Abas GreenPAK ierīces uz maizes dēļa ir ieprogrammētas ar tādu pašu dizainu, izņemot vadības baita vērtību. IC1 vadības baits ir 0 (I²C adrese 0x00), savukārt I²C kontroles baits ir 1 (I²C adrese 0x10). Savienojumi starp displeja segmentiem un ierīču draiveriem ir apkopoti iepriekšējā tabulā.

Savienojumi tika izvēlēti šādā veidā, lai izveidotu skaidrāku shēmu un vienkāršotu rīvdēļa savienojumu savienošanu.

Segmenta izvadi kontrolē I²C rakstīšanas komandas I²C virtuālajām ieejām un ASM izvades reģistriem. Kā aprakstīts lietojumprogrammas piezīmē AN-1090 vienkāršie I²C IO kontrolieri ar SLG46531V (sk. Lietojumprogrammas piezīmi AN-1090 vienkāršie I²C IO kontrolieri ar SLG46531V, Dialog Semiconductor), I²C rakstīšanas komanda ir veidota šādi:

● Sākt;

● vadības baits (R/W bits ir 0);

● Word adrese;

● Dati;

● Apstāties.

Visas I²C rakstīšanas komandas tiek veidotas uz Word adresi 0xF4 (I²C virtuālās ieejas) un 0xD0 (ASM izeja 0 stāvoklim). Komandas rakstīt IC1 un kontrolēt LCD 1. un 2. ciparu ir apkopotas 3. tabulā. Komandu secības attēlojumā atvērtā kronšteins “[” apzīmē sākuma signālu un aizvēršanas kronšteins “]” apzīmē apturēšanas signālu.

Abi baiti virs LCD ciparu 1 un 2 ciparu kontrolē kopā. Šeit pieeja ir izmantot individuālu uzmeklēšanas tabulu (LUT) programmatūrā katram ciparam, ņemot vērā segmentus abos baitos. Baitu vērtības no uzmeklēšanas tabulas jāsajauc, izmantojot operāciju bitu secībā, un pēc tam jānosūta uz IC. 4. tabulā parādīta baitu0 un baitu1 vērtība katrai skaitliskajai vērtībai, kas jāraksta katrā displeja ciparā.

Piemēram, lai ciparā 1 ierakstītu skaitli 3, bet ciparā 2 - skaitli 4, baits0 ir 0xBD (0x8D bitveidā VAI ar 0xB0), bet baits 1 ir 0x33 (0x30 bitveida VAI ar 0x03).

Komanda rakstīt IC2 un kontrolēt 3. un 4. ciparu ir aprakstīta 5. tabulā.

3. un 4. ciparu vadības loģika ir līdzīga 1. un 2. ciparu kontrolei. 6. tabulā ir parādīts šo divu ciparu LUT.

IC2 atšķirība ir COL segments. Šo segmentu kontrolē baits1. Lai iestatītu šo segmentu tumšu, ir jāizdara BIT operācija starp baitu1 un vērtību 0x40.

11. darbība: I²C komandas LCD pārbaudei

LCD testam MCU platei tika izstrādāta programmaparatūra C valodā. Šī programmaparatūra nosūtīs komandu secību abiem maizes dēļa IC. Šīs programmaparatūras avota kods ir atrodams pielikumā. Viss risinājums tika izstrādāts, izmantojot Atollic TrueStudio STM32 9.0.1 IDE.

Komandu secība un displejā redzamās vērtības ir apkopotas 7. tabulā.

12. darbība. Testa rezultāti

Prototipa pārbaude sastāv no displeja vērtību pārbaudes pēc MCU komandas un strāvas izlietnes mērīšanas ar katru IC darbības laikā.

LCD attēli katrai komandas vērtībai ir parādīti 8. tabulā.

Katras ierīces strāvas izlietne tika mērīta ar multimetru zemākajā strāvas diapazonā - 200 µA. Katras ierīces izmērītās strāvas attēli palaišanas un normālas darbības laikā ir parādīti iepriekš 9. tabulā.

Secinājumi un rezultātu apspriešana

Tika prezentēts mazjaudas statiskā LCD draivera dizains ar GreenPAK ierīci. Šis dizains skaidri parāda vienu no lielākajām GreenPAK ierīču iezīmēm: to zemo klusuma strāvu. Tā kā GreenPAK ierīces ir uz aparatūru balstīts risinājums, ir iespējams strādāt ar zemfrekvences darbību, šajā gadījumā-48 Hz. Uz MCU balstītam risinājumam būs nepieciešama lielāka darbības frekvence, pat periodiski īsā laika periodā, un tad tas patērēs vairāk enerģijas. Un, salīdzinot GreenPAK ierīci ar CPLD (kompleksā programmējamā loģiskā ierīce), ir skaidrs, ka parasti CPLD miera strāva ir lielāka par 20 µA.

Interesanti atzīmēt, ka šo dizainu varētu viegli pārveidot, lai tas labāk atbilstu konkrēta projekta prasībām. Labs piemērs ir segmenta vadīklas. Tos var viegli mainīt, lai vienlaikus vienkāršotu iespiedshēmas plates un programmatūras izstrādi. Šī ir interesanta iezīme, ja ierīci salīdzina ar gatavu ASIC (lietojumprogrammu integrēto shēmu). Parasti ASIC ir veidoti tā, lai tie būtu piemēroti plašam lietojumu klāstam, un pirms operācijas ir jāraksta sākotnējā programmatūras programma, lai pareizi konfigurētu IC. Var konfigurēt konfigurējamu ierīci, lai tā būtu gatava lietošanai pēc ieslēgšanas. Tādā veidā ir iespējams samazināt programmatūras izstrādes laiku IC sākotnējai konfigurācijai.

Lietojumprogrammas avota kodu var atrast šeit, A pielikumā.