Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Радио 2007-11.pdf
Скачиваний:
34
Добавлен:
24.02.2016
Размер:
15.17 Mб
Скачать

Модуль управления ЖКИ на микроконтроллере

С.ЗАДОРОЖНЫЙ, г. Киев, Украина

Описанный в статье модуль позволяет соединить четырехраз­ рядный семиэлементный ЖКИ с источником отображаемой информации по известному малопроводному интерфейсу SPI. Для увеличения разрядности индикатора допускается каскади­ рование нужного числа модулей. А изменив программу встроен­ ного в модуль МК, можно принимать информацию по I2С, RS-232 и другим последовательным интерфейсам.

Применение микроконтроллеров в различных устройствах с выводом

числовых значений на цифровой инди­ катор стало уже д е л о м привычным . Чаще всего индикатор выглядит как ряд семиэлементных знакомест, разделен­ ных десятичными запятыми. Наиболь­ шее распространение получили свето­ диодные индикаторы и ЖКИ . При про­ ектировании портативной аппаратуры с автономным питанием предпочтение

отдают, как правило, последним ввиду их очень малого энергопотребления, хотя с их применением и связан ряд сложностей и ограничений . Одна из таких сложностей состоит в том, что для управления каждым элементом ЖКИ необходимо переменное напря­ жение. То есть, если для свечения све­ тодиодного элемента требуется посто­ янный ток, элемент изображения на ЖКИ виден только при подаче на него

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контроллер

 

Число

Число

 

Интерфейс

 

Корпус

 

элементов

общих выводов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HOLTEK

 

 

 

 

 

HT1621

 

32

 

4

 

 

 

Последовательный

 

 

 

 

 

 

 

 

NXP (Philips Semiconductor)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОМ4068

 

 

32

 

3

 

 

 

SPI

 

DIP-40, QFP-44

PCF2100C

 

 

20

 

2

 

 

 

SPI

 

DIP-28, SOIC-28

PCF2111C

 

 

32

 

2

 

 

 

SPI

 

DIP-40, VSO-40

PCF2112C

 

 

32

 

1

 

 

 

SPI

 

DIP-40, VSO-40

PCF8533

 

 

80

 

4

 

 

 

l2C

 

Chip On Glass

PCF8562

 

 

32

 

4

 

 

 

l2C

 

TSSOP-48

PCF8566

 

 

24

 

4

 

 

 

l2C

 

DIP-40, VSO-40

PCF8576

 

 

40

 

4

 

 

 

l2C

 

LQFP-64, VSO-56

PCF8577

 

 

32

 

2

 

 

 

l2C

 

DIP-40, VSO-40

 

 

 

 

 

OKI Semiconductor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ML9060

 

 

160

 

2

 

 

 

SPI

 

Chip On Glass

MSM6779B

 

 

160

 

нет

 

 

 

Параллельный

 

Chip On Glass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

четырехразрядный

 

 

 

MSM9006-01

 

41

 

3

 

 

 

SPI

 

QFP-64

MSM9006-02

 

41

 

4

 

 

 

SPI

 

QFP-64

 

 

 

 

 

 

ROHM

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BU9716BK

 

 

32

 

3

 

 

 

SPI

 

QFP-44

BU9716BKV

 

 

32

 

3

 

 

 

SPI

 

VQFP-48C

BU9718KV

 

 

32

 

3

 

 

 

SPI

 

VQFP-48C

BU9728AKV

 

 

32

 

4

 

 

 

SPI

 

VQFP-48C

BU9735K

 

 

18

 

4

 

 

 

SPI

 

QFP-32

 

 

 

 

 

MiniLogic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ML1001

 

 

40

 

2

 

 

 

SPI

 

Chip On Glass

ML2002

 

 

48

 

2

 

 

 

SPI

 

Chip On Glass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микроконтроллер

 

Число

 

 

Число

 

 

Корпус

 

 

элементов

 

общих выводов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Atmel

 

 

 

 

 

ATmega169

 

 

 

 

25

 

 

 

4

 

 

TQFP-64

 

ATmega329, ATmega649

 

25

 

 

 

4

 

 

TQFP-64

 

ATmega3290, ATmega 6490

 

40

 

 

 

4

 

 

TQFP-100

 

 

 

 

 

 

Microchip:

 

 

 

 

 

PIC18F8390,

 

PIC18F8490

 

48

 

 

 

4

 

 

TQFP-80

 

PIC18F6390,

 

PIC18F6490

 

32

 

 

 

4

 

 

TQFP-64

 

PIC16F946

 

 

 

 

42

 

 

 

4

 

 

TQFP-64

 

PIC16F914,

PIC16F917

 

24

 

 

 

4

 

DIP-40, TQFP-44

 

PIC16F913,

PIC16F916

 

16

 

 

 

4

 

DIP-28, SOIC-28,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SSOP-28, QFP-28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

переменного напряжения частотой в пределах, как правило, 30...60 Гц. Тре­ буется своего рода "регенерация" изо­ бражения.

Чтобы освободить п р о г р а м м н о - аппаратные ресурсы основного МК системы от необходимости регенери­ ровать изображение на таком индика­ торе, применяют либо специально раз­ работанные для этой цели микросхе­ мы-контроллеры (табл. 1), либо ЖКИ с встроенными контроллерами. Эта про­ блема привела такие фирмы, как Atmel и Microchip к разработке и серийному выпуску МК с встроенными узлами управления ЖКИ (табл. 2) .

И тем не менее радиолюбители и раз­ работчики промышленной аппаратуры еще сталкиваются с трудностями при­ менения в своих разработках ЖКИ, так как универсального решения не суще­ ствует. Если, например, требуется упра­ влять шестиразрядным семиэлемен - тным ЖКИ с только одним общим элек­ тродом, то даже без учета десятичных запятых число требующих управления элементов составит 6x7 = 42. Очевидно, что с этой задачей справятся только два МК из числа приведенных в табл. 2, а из представленных в табл. 1 специализи­ рованных микросхем — только пять, да и те недешевы, малодоступны и не всегда удобны в использовании.

Модуль управления многоразряд ­ ным семиэлементным ЖКИ можно сде­ лать самостоятельно на основе недоро­ гого современного МК общего назначе­ ния. Преимущества такого решения в том, что этот модуль несложно сконфи­ гурировать под конкретный индикатор, его интерфейс легко адаптировать под устройство — источник отображаемой информации . На модуль управления ЖКИ можно возложить и дополнитель­ ные обязанности, например, преобра­ зование двоичных значений или ASCIIкодов символов в "семиэлементные".

Схема такого модуля изображена на р и с . 1. Он обеспечивает управление четырехразрядным семиэлементным индикатором ИЖЦ5-4/8 (HG1). Инфор­ мация для вывода на индикатор посту­ пает от ее источника на вход модуля DATA IN (ХТ4) в сопровождении такто­ вых импульсов на входе SCK (ХТ3). Мик­ роконтроллер ATtiny2313 (DD1) прини­ мает эти сигналы и преобразует их в необходимые для подачи на выводы индикатора. Элементы старшего знако­ места (А4—G4) соединены в соответ­ ствующем порядке непосредственно с выходами PB0—РВ7 МК. Сигналы уп­ равления элементами младших знако­ мест формируются с помощью сдвиго­ вых регистров DD2—DD4, информацию для записи в которые МК выводит на выход PD4, а импульсы сдвига — на выход PD5. На выход PD1 и соединен­ ный с ним контакт ХР7 (DATA OUT) во время приема очередного блока информации длиной 32 двоичных раз­ ряда (по одному на каждый элемент ЖКИ) МК выдает содержимое предыду­ щего блока. Его примет следующий модуль, если они соединены последо­ вательно, как показано на р и с . 2.

Напряжение питания поступает на первый в цепочке модуль (Н1) от источ­ ника информации, а далее последова-

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

тельно на все остальные. При напряже­ нии питания 5 В потребляемый одним модулем ток не превышает 0,4 мА. Р а б о т о с п о с о б н о с т ь сохраняется при снижении напряжения питания до 2,8 В.

Модуль выполнен на двусторонней печатной плате, изображенной на рис. 3, размеры которой лишь незначи­ тельно больше размеров самого ЖКИ, который установлен со стороны платы, противоположной той, где размещены микросхемы . Монтируют индикатор в последнюю очередь. Вместо сдвиговых регистров HEF4015BP можно применить отечественные К561ИР2. Все конденса­ торы — керамические . Внешний вид собранного модуля показан на рис. 4.

В микроконтроллере DD1 необходи­ мо загрузить программу, коды которой приведены в табл. 3. Она рассчитана на прием информации только по интер­ фейсу SPI, варианты программы, пред­ назначенные для работы с д р у г и м и интерфейсами, в этой статье не рас­ сматриваются . С момента включения питания и до загрузки в модуль какойлибо информации на ЖКИ будет видна десятичная запятая крайнего правого знакоместа.

Если используется МК ATtiny2313 с заводскими установками (встроенный RC-генератор на 8 МГц с делением его частоты на 8), кварцевый резонатор ZQ1 и конденсаторы С4, С5 не требуют­ ся . Без изменений в программе и без кварцевого резонатора можно приме­ нить устаревший и снимаемый с произ ­ водства МК AT90S1200, но потребуется предварительно запрограммировать в нем разряд конфигурации (fuse) RCEN, чтобы разрешить работу встроенного RC - генератора частотой 1 МГц. Для микроконтроллера AT90S2313 кварце­ вый резонатор и конденсаторы необхо­ д и м ы , так как встроенного генератора в нем нет. Учтите, чтобы при тактовой частоте МК, отличающейся от 1 МГц, сохранить частоту регенерации ЖКИ в пределах 30...60 Гц, придется соответ­ ственно изменить значение константы PERIOD в исходном тексте программы и заново оттранслировать ее.

Поскольку все функциональные осо­ бенности модуля управления опреде­ ляются программой, загруженной в МК D D 1 , ее заменой может быть реализо­ ван, например, последовательный ин­ терфейс l2 C. При этом контакт ХТ3 ста­ нет входом SCL, а ХТ4 — SDA. Исполь­ зуя же вход RXD (контакт ХТ2), соеди ­ ненный с входом встроенного в МК DD1 модуля UART, можно реализовать сов­ местимый с RS-232 асинхронный по­ следовательный интерфейс. Для прие­ ма и н ф о р м а ц и и потребуется всего одна сигнальная линия. Частоту квар­ цевого резонатора ZQ1 в этом случае удобно выбрать равной 1,8432 МГц, что позволит точно устанавливать стан ­ дартные значения скорости приема в интервале от 600 до 1152090 Бод. Реко­ мендация справедлива при использо­ вании МК всех упомянутых типов.

Чтобы облегчить переработку про­ г р а м м ы , р а с с м о т р и м а л г о р и т м ы ее работы при использовании интерфейса SPI. Прием одного двоичного разряда информации в этом случае иллюстри­ руют временные диаграммы на рис. 5.

Таблица 4

 

Разряд

Элемент

Разряд

Элемент

 

 

 

 

 

 

1

17

 

2

18

 

3

19

 

4

4D

20

2D

 

5

21

Рис. 5

6

4F

22

2F

 

7

4G

23

2G

 

8

24

 

9

ЗА

25

 

10

зв

26

 

11

зс

27

 

12

3D

28

1D

 

13

3E

29

 

14

3F

30

1F

 

15

3G

31

1G

 

16

3H

32

очередного перепада, на выводе PD1 МК и на контакте ХТ7 (DATA OUT) модуля устанавливается уровень, соответ­ ствующий находящемуся в младшем разряде приемного регистра значению, принятому 32 такта назад.

Элемент ЖКИ будет включен, если в соответствующем ему, согласно табл. 4, разряде принятого информационного блока записана лог. 1, и выключен, если там лог 0. При каскадном соединении нескольких модулей индикации 32-раз­ рядные информационные блоки, пред­ назначенные каждый для своего моду­ ля, следуют один за другим без пауз. Разряды, принятые предыдущим моду­ лем, с его выхода DATA OUT (ХТ7) посту­ пают на вход DATA IN (ХТ3) следующего модуля с задержкой на 32 импульса SCK. Поэтому источник информации должен передавать первым блок, пред­ назначенный для последнего модуля в цепочке, а последним — для первого.

Теперь рассмотрим алгоритм реге­ нерации изображения на Ж К И . Вре­ менные д и а г р а м м ы сигналов на его выводах показаны на р и с . 7. На общий электрод (выводы 1 и 34) с выхода PD6 МК подается последовательность им ­ пульсов частотой около 50 Гц и скваж­ ностью около 2. Чтобы элемент был ви­ ден, уровень сигнала на соответствую­ щем ему выводе всегда должен быть инверсным уровню на общем электроде

Ж К И , т. е. подаваемые на

них и м ­

пульсные последовательности

должны

быть противофазными. Амплитуда ко­ лебаний разности потенциалов между элементом и общим электродом при этом достигает удвоенного напряжения питания МК. Когда импульсы на выводе элемента и на общем электроде синфазны, разность потенциалов эпе-

Рис. 6

Период повторения импульсов SCK ( T P E R I O D ) может находиться в пределах от 40 мкс до 20 мс. Если за 20 мс спадаю­ щий перепад сигнала SCK не зафикси­ рован, это служит признаком окончания блока информации. Для правильного приема информации программой дли­ тельность поддержания низкого логиче­ ского уровня на входе SCK должна нахо­ диться в пределах 4 ... t P E R I O D - 4 мкс . Уровень на входе DATA IN должен быть

установлен за tR E A D Y >1 мкс до спадающе­

го перепада уровня на входе SKC и сох­ раняться неизменным в течение

t H O L D > 1 2 мкс после него.

Ввод очередного разряда данных, поступившего на вход DATA IN, реализо­ ван в подпрограмме обработки преры­ вания, запрос которого генерируется по спадающему перепаду уровня на входе PD2 МК. Схема алгоритма этой подпро­ граммы приведена на р и с . 6, а ее исходный текст — в приложенном к статье файле STROBINT.ASM.

Рис. 7

В первую очередь значение очеред­ ного разряда данных (состояние вывода PD2 на момент прерывания) помещает­ ся в разряд переноса С регистра SREG. Далее организуется сдвиг вправо через перенос содержимого четырехбайтово­ го приемного регистра, находящегося в оперативной памяти. После установки флага, свидетельствующего об актив­ ности процесса приема, и запуска отс­ чета времени, отведенного на ожидание

мент—общий электрод нулевая, и этот элемент невидим.

С каждой инверсией уровня напря­ жения на общем электроде соответ­ ственно инвертируются уровни и на выводах элементов. На элементы стар­ шего разряда ЖКИ сигналы поступают непосредственно с выходов PB0—РВ7 МК а на выводы элементов остальных разрядов — с выходов сдвиговых реги­ стров DD2—DD4. Загрузка этих реги-

Рис. 8

стров происходит по сигналам форми ­ руемым МК на выходах PD4 (информа­ ция) и PD5 (импульсы сдвига). Этот про­ цесс занимает незначительное по срав­ нению с периодом регенерации время. При этом выход PD6 МК переводится в в ы с о к о и м п е д а н с н о е с о с т о я н и е , что уменьшает п а р а з и т н у ю е м к о с т н у ю нагрузку выходов регистров, предот­ вращает нежелательное затягивание перепадов сигналов, а также немного снижает энергопотребление.

Период регенерации задан преры ­ ваниями по переполнению встроенного в МК таймера - счетчика Т/С0. Схема алгоритма обработки этих прерываний приведена на рис. 8, а исходный текст соответствующей п о д п р о г р а м м ы — в

файле TOVELINT.ASM. Прежде

всего в

р е г и с т р TCNT0 з а н о с и т с я

число,

задающее интервал времени до сле­ дующего переполнения (около 9,9 мс). Если идет прием информации, следует анализ условий ее завершения с уста­ новкой и с н я т и е м с о о т в е т с т в у ю щ и х флагов (признаков). Перед выходом из п о д п р о г р а м м ы устанавливается флаг з а п р о с а р е г е н е р а ц и и — о ч е р е д н о г о и з м е н е н и я уровней н а п р я ж е н и я на выводах Ж К И .

Хранение принятой и н ф о р м а ц и и , преобразование кодов для вывода на ЖКИ, а также собственно регенерация реализованы в основном блоке про ­ граммы, схема алгоритма работы кото­ рого представлена на рис. 9. Его вы­ полнение начинается после включения питания и окончания действия внутрен­ него сигнала установки аппаратных средств МК в исходное с о с т о я н и е . Первым делом происходит стартовая инициализация — установка необходи­ мых режимов работы таймера-счетчи­ ка, портов ввода — вывода и прочих встроенных в МК узлов, запись началь­ ных значений в регистры оперативной

Рис. 9

памяти, после чего следует разрешение прерываний. Далее, с целью снижения общего энергопотребления, программа переводит микроконтроллер в "холо­ стой" режим (idle mode), выход из кото­ рого возможен только в ответ на посту­ пающие запросы прерываний.

После обработки прерывания, вы­ званного изменением уровня на входе PD2, никаких дальнейших действий от основного блока программы не требу­ ется и МК возвращается в "холостой" режим .

Если прерывание произошло в ре­ зультате переполнения таймера-счет­ чика Т/СО и был установлен флаг запро ­ са регенерации, то по выходе из под­ программы этот флаг немедленно сни ­ мается. Далее проверяется флаг завер­ шения приема информации, и если он

установлен,

прерывания

временно

з а п р е щ а ю т с я ,

а принятый

и н ф о р м а ­

ционный блок копируется в организо ­ ванный в оперативной памяти буфер индикации.

Во избежание повторения этих д е й ­ ствий флаг завершения приема снима ­ ется, разрешаются прерывания и про­ изводится перестановка разрядов при ­ нятой информации для отображения на Ж К И . Необходимость перестановки

обусловлена

несоответствием порядка

следования

разрядов

принятого и н ­

ф о р м а ц и о н н о г о блока

( с м . табл. 4)

порядку подключения элементов инди­ катора к выходам МК и регистров DD2 — DD4. Эти соединения выполнены исхо­ дя из удобства трассировки проводни­ ков на печатной плате модуля.

По окончании перестановки, а также в случаях, когда п р и е м информации еще не завершен, производится реге­ нерация — инвертируются уровни на выходах РВ0—РВ7 и PD6 МК и выполня­ ется загрузка инверсной относительно ранее загруженной информации в реги ­ стры DD2—DD4. Затем МК возвращает­ ся в "холостой" режим и ждет следую­ щего запроса прерывания,

Исходный

текст о с н о в н о г о

блока

п р о г р а м м ы

с о д е р ж и т с я

в

файле

LCDCTRL.ASM.

Имеющийся

в нем

под­

робный комментарий в сопоставлении с о п и с а н н ы м и алгоритмами позволит легко разобраться в программе, чтобы, если потребуется, самостоятельно мо­ дифицировать ее под свои нужды.

Предлагаемый модуль управления ЖКИ может стать основой и для других устройств отображения информации . Подобным ж е о б р а з о м м о ж н о по ­ строить контроллер ЖКИ других типов. Для увеличения разрядности достаточ­ но дополнить ряд сдвиговых регистров требуемым числом аналогичных мик­ росхем. Можно использовать и другие сдвиговые регистры . Например, мик­ росхема SN74HC595N с о д е р ж и т не только в о с ь м и р а з р я д н ы й с д в и г о в ы й регистр, но и выходной регистр-защел­ ку, информация появляется на его выхо­ дах по отдельному сигналу, что очень удобно, особенно при большой разряд­ ности Ж К И . Не забудьте при этом изме ­ нить соответствующим образом и про­ граммное обеспечение.

От редакции. Процедура, названная автором регенерацией изображения, фак­ тически таковой не является Дело в том, что для обеспечения видимости элемента на ЖКИ достаточно приложить между этим элементом и общим электродом постоян­ ное напряжение любой полярности. Но происходящие в таком режиме электрохи­ мические процессы быстро разрушают очень тонкие элементы индикатора замет­ но снижая срок его службы. Чтобы не давать этим процессам развиться, и при­ меняют периодическую смену полярности напряжения, стремясь сохранить его постоянную составляющую нулевой.

Программа микроконтроллера модуля управления, в том числе исходные тексты основного блока и подпрограмм находятся на нашем FTP-сервере по адресу <ftp: ftp.radio.ru/pub/2007/11/lcdctrl.zip>

Редактор — А. Долгий, графика — А. Долгий, фото — автора