基于DSP的液晶顯示設(shè)計方案

1 基于 液晶顯示設(shè)計方案 第一章 緒論 選題背景及研究意義 當前， 我國大城市的大氣污染已不能忽視，汽車排放是主要污染源之一，我國已有 16 個城市被列入全球大氣污染最嚴重的 20 個城市之中。我國現(xiàn)今人均汽車是每 1000 人平均 10 輛汽車，但石油資源不足，每年已進口幾千萬噸石油，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，假如中國人均汽車持有量達到現(xiàn)在全球水平 000 人有 110輛汽車，我國汽車持有量將成 10 倍地增加，石油進口就成為大問題。因此在我國研究發(fā)展電動汽車不是一個臨時的短期措施，而是意義重大的、長遠的戰(zhàn)略考慮。 電動車省去了油箱、發(fā)動機、變速器、冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃汽油發(fā)動機動力系統(tǒng)，電動機和控制器的成本更低，且電動車能量轉(zhuǎn)換效率更高。因電動車的能量來源 電，來自大型發(fā)電機組，其效率是小型汽油發(fā)動機甚至混合動力發(fā)動機所無法比擬的。 無論是電動汽車的能量管理系統(tǒng)還是驅(qū)動系統(tǒng)都離不開人機交互界面。能量管理系統(tǒng)如同動力電池的大腦，人機交互界面如同汽車的眼睛。統(tǒng)計資料表明車載顯示儀表的使用，能夠使汽車電子產(chǎn)品的開發(fā)進度加快，大大縮短了開發(fā)周期，節(jié)省了開發(fā)資金，另外使交通事故的發(fā)生率降低，大大減少了人員傷 亡和財產(chǎn)損失，產(chǎn)生了顯著的社會效益。因此，電動汽車需要對整車的電機運行狀況和動力電池各種參數(shù)進行人為地監(jiān)測和控制，從而達到更安全穩(wěn)定的運行。傳統(tǒng)汽車儀表板通常是把所有的模擬儀表羅列出，不僅沒有重點，而且顯示不直觀，精確度低，不能滿足現(xiàn)代電動汽車的發(fā)展和要求。隨著電子器件的應(yīng)用，電動汽車各種需要顯示的狀態(tài)越多，如果仍采用車內(nèi)點對點連線必將導致車身布線過多且變得復雜。 20 世紀 80 年代初期出現(xiàn)了數(shù)字信號處理器（ 原是用于信號處理領(lǐng)域的芯片，隨著世界各大 產(chǎn)商對產(chǎn)品性能的提高， 控制能力不斷 2 提 升，既具備了高速的數(shù)據(jù)信號處理能力，又具備了很強大的 I/O 控制功能，很適合作為電動機的復雜控制器，近年來，包括 大公司在內(nèi)的許多 商都相繼推出了電機控制專用 片，如 列、列等。這類芯片都以 理器為核心，使用其高效的指令集，同時在片內(nèi)集成了包括 A D， 在內(nèi)的電機控制接口電路，不僅簡化了系統(tǒng)硬件電路，同時也提高了可靠性和性價比。其中， 司生產(chǎn)的高性能的電機控制處理器 是功能強大的 32 位定點 片，具有功耗小、性能高、運算速度快、數(shù)據(jù)和程序存儲器容量大、 樣和處理精度高等特點，能滿足電動汽車液晶顯示要求 內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 動汽車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 當今世界，汽車保有量已經(jīng)超過 6 億輛，年產(chǎn)量超過 5000 萬輛，在耗用巨量石油資源的同時，產(chǎn)生極大的氣體污染 億噸有害氣體，占大氣污染總量 60%以上。石油資源逐漸趨于枯竭，環(huán)境污染日益嚴重，迫切需要節(jié)省能源和低排放甚至是零排放的綠色環(huán)保汽車產(chǎn)品。為此，世界各國政府以及各大汽車制造商都在加大力度開發(fā)各種不同類型電動汽 車。 近二十多年來，西方工業(yè)發(fā)達國家政府把電動汽車的研究開發(fā)看作解決環(huán)境問題和能源問題的一種有效手段，在經(jīng)濟上給予大力支持。美國政府至今已出資數(shù)百億美元支持汽車廠商和相關(guān)廠商進行電動汽車技術(shù)的開發(fā)研究。美國三大汽車公司 1991 年聯(lián)合成立了美國先進電池聯(lián)合體，投入了 美元，其中政府撥款 美元，共同開發(fā)鎳鎘、鎳氫、鋅空氣電池、燃科電池等各種高性能蓄電池。日、法、德等國各大公司也投入巨資研究開發(fā)高性能電池。在電動汽車整車研究開發(fā)方面，至 90 年代末期，國外大汽車公司已開發(fā)生產(chǎn)了 100 多種型號的純 電動汽車、燃料電動汽車和混合動力汽車 (表 1)。其中，已有 10 多種純電動汽車車型投入商業(yè)化生產(chǎn)；近年來，燃料電池電動汽車成為新的開發(fā)熱點，美國計劃到 2010 年市場上燃料電池汽車占市場 4%份額，達到 60 萬輛，日本政府 3 發(fā)布燃料電池汽車發(fā)展計劃 5 萬輛， 2020 年 500 萬輛；在純電動汽車和燃料電池汽車因技術(shù)和成本問題尚未進入批量生產(chǎn)情況下，為了盡快降低燃油汽車的排放，美日等國正在廣泛研制混合動力汽車，目前已經(jīng)開始小批量商業(yè)化生產(chǎn)。 從世界范圍來看，我國電動汽車的研制與國外發(fā)達國家?guī)缀跽驹谕黄鹋芫€上。 九五 期間，科技部將電動汽車項目列入國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程項目，投入近 1 億元。國內(nèi)汽車公司、大學和研究機構(gòu)即開始研制電動汽車，并逐步掌握了整車集成、控制系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)。至 2001 年初，已推出純電動轎車、混合動力轎車、混合動力客車、燃料電池電動客車。 十五 期間，國家 863 計劃設(shè)立電動汽車專項，國家和地方政府直接劃撥以及國有企業(yè)投入的資金總額約 30億元。目前，已經(jīng)有上百家企業(yè)、高校和研究所列入項目研發(fā)單位行列，如三大汽車集團、長安汽車公司、奇瑞汽車公司，以及電機、電池企業(yè)。至 2002 年，隨著電動汽車重大專 項的實施，已形成了多家產(chǎn)學研結(jié)合、金融機構(gòu)介入的專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)電動汽車的新型股份制企業(yè)，包括東風電動車輛股份公司、天津清源電動車輛有限公司、上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)有限公司、北京時光科技有限公司、奇瑞電動汽車股份有限公司、大連新源動力股份有限公司、北京清華新能源汽車工程中心等。目前，整車方面已初步形成產(chǎn)品開發(fā)的系統(tǒng)配套、管理機制和團隊組合，純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車樣車均已實現(xiàn)，關(guān)鍵零部件、燃料電池發(fā)動機已形成系統(tǒng)，高功率鎳氫電池、鋰離子電池性能有了較大提高，多能源控制系統(tǒng)初步形成。 2 液晶顯示技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用前景 液晶是由奧地利植物學家 一百年前發(fā)現(xiàn)的。不過直到 1961 年，才由美國 司普林斯頓實驗室的一位年輕電子學者 式提出了液晶平板顯示的想法，并成功地付諸實踐?，F(xiàn)代液晶顯示技術(shù)發(fā)展到今天，也已逐步分化成好幾個種類。從超扭曲向列（ 到 再到薄膜晶體管（ 術(shù)，發(fā)展日新月異。從最初的單色 展到現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的 術(shù)，也不過幾年的時間而已。隨著液晶顯示器件的發(fā)展，技 術(shù)人員從事產(chǎn)品開發(fā)時越來越多地選用 顯示信息。目前， 用 4 是所有電子產(chǎn)品中增長最快的領(lǐng)域之一。它主要應(yīng)用在包括電腦、移動電話、數(shù)碼相機、液晶電視、 各種信息終端顯示屏上，已成為顯示技術(shù)的主流。眾所周知，液晶顯示器具有功耗低、體積小、重量輕、超薄屏等許多其他顯示器無法比擬的優(yōu)點，近年來又被廣泛應(yīng)用于單片機控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中。 字信號處理器的發(fā)展及其應(yīng)用前景 數(shù)字信號處理器常被稱為 近年來，隨著 低價格、高性能 片的出現(xiàn)， 越來越多地被應(yīng)用于數(shù)字化電機控制、高速信號采集、語音處理、圖像分析處理等領(lǐng)域中，并且日益顯示其巨大的優(yōu)越性。 展歷程大致分為三個階段： 20 世紀 70 年代理論先行， 80 年代產(chǎn)品普及， 90 年代突飛猛進。在 現(xiàn)之前數(shù)字信號處理器只能依靠微處理器（ 完成。但 低的處理速度無法滿足高速、實時數(shù)據(jù)處理的要求。因此，到 20 世紀 70 年代，有人提出了 理論和算法基礎(chǔ)。那時的 僅停留在教科書上，即便是研制出來的 統(tǒng)也是由分立元件組成的，其應(yīng)用領(lǐng)域局限于軍事、航空航天部門。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982 年世界上誕生了首枚 片。這種 件采用微米工藝 術(shù)制作，雖功耗和尺寸稍大，但運行速度卻比 了幾十倍，尤其在語音合成和編碼解調(diào)器中得到了廣泛應(yīng)用。 片的問世標志著 用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進了一大步。隨著 術(shù)的進步與發(fā)展，第二代基于 藝的 片應(yīng)運而生，其存儲容量和運算速度成倍提高，成為語音處理、圖形硬件處理技術(shù)的 基礎(chǔ)。 20 世紀 80 年代后期，第三代 片問世，運算速度進一步提高，其應(yīng)用范圍逐步擴大到通信、計算機領(lǐng)域。 20 世紀 90 年代 展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代 件?，F(xiàn)在的 于第五代產(chǎn)品，它與第四代相比系統(tǒng)集成度更高且將 核和外圍設(shè)備綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的 片不僅在通信、計算機領(lǐng)域大顯身手，而且逐漸滲透到日常消費領(lǐng)域。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展， 品的應(yīng)用已擴大到人們學習、工作和生活的各個方面，并逐漸成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素。 5 目前，對 炸性需求的時代已經(jīng)來臨，前景十分可觀。縱觀當今的 場，可謂是百花齊放、百家爭鳴，但大部分市場還是被美國的少數(shù)幾家半導體生產(chǎn)商所占據(jù)。僅美國的德州儀器（ ，美國模擬器件（ 摩托羅拉（ 四家半導體生產(chǎn)商的 品就占據(jù)全球 場的 90%以上。其中， 司又以 45%的絕對優(yōu)勢壓倒其他幾家公司，占據(jù)了 場的半壁江山。所以 司的 品在教育、科研和商品應(yīng)用方面使用得非常廣泛。 本文中使用的 是 司的 下簡稱 2812）。 設(shè)計研究的主要內(nèi)容 基于上文關(guān)于液晶顯示器件和 件的介紹，本文將基于 司的 812 設(shè)計一個電動汽車液晶顯示系統(tǒng)。 本次畢業(yè)設(shè)計主要完成以下工作： （ 1）了解液晶顯示的相關(guān)知識。這里主要是指液晶顯示的基本原理、液晶顯示器件的分類及其驅(qū)動方式等等，為下面的工作做好準備。 （ 2）深入學習 2812 和液晶顯示模塊的原理和使用方法。這兩部分是液晶顯示系統(tǒng)的主干部分，所有的軟硬件設(shè)計都將圍繞著它們進行。因 此在進行軟硬件設(shè)計前，必須要系統(tǒng)、深入地學習它們的相關(guān)知識。 （ 3）完成系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。正確、合理的硬件設(shè)計是系統(tǒng)能否實現(xiàn)液晶顯示功能的基礎(chǔ)。主要包括： 2812 的通用輸入 /輸出口的連接、接口電路的設(shè)計和液晶顯示模塊的連接。 （ 4）完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計并調(diào)試。 2812 對液晶顯示模塊的訪問、系統(tǒng)實現(xiàn)液晶顯示功能以及顯示特殊效果等，都需要采用軟件算法來實現(xiàn)。 6 第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案 在對電動汽車本體結(jié)構(gòu)、液晶顯示工作原理深入研究的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)性能進行了深入分析。 件開發(fā)工具簡介 司專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的新一代 理器。該芯片采用 32央處理器，大大提高了處理能力，主頻可以工作在 150 時鐘周期可達 ，其性能遠遠優(yōu)于此前廣泛使用的 列產(chǎn)品。數(shù)字信號處理器 2812 是在 基礎(chǔ)上開發(fā)出來的高性能定點芯片，能夠運行 242央處理器，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力。 它的主要特點如下： 采用高性能的靜態(tài) 術(shù)，主頻可以工作在 150鐘周期可 高性能的 32 位中央處理器，可以進行 16 位 16 位以及 32 位 32 位的乘累加操作； 片內(nèi)大容量存儲器， 128K 16 18K 16數(shù)據(jù) /程序存儲器； 其電源模塊電路如下圖 示 7 圖 2812 電源電路模塊示意圖 系統(tǒng)設(shè)計概述 對經(jīng)過取樣和調(diào)理電路的信號進行轉(zhuǎn)換和處理 , 將處理后的信號送入數(shù)據(jù)采集模塊進行 A/D 采樣 , 然后將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)送入 , 在 進行 換和諧波分析操作等 , 最后將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為液晶中的顯示格式送入液晶顯示模塊實時顯示。 （ 1） 信號取樣和調(diào)理：電動汽車的電機轉(zhuǎn)速，電機溫度，車速，前進倒車，電池剩余量，電池充放電狀態(tài)，電池故障，單節(jié)電池電壓，電池電流，電池總電壓，門窗開關(guān)，燈光開關(guān)，車內(nèi)溫度，空調(diào)開關(guān)，液晶顯示開關(guān)等信號通過電壓傳感器，電流傳感器，探壓傳感器等（后面詳述）進行取樣。其輸入電路需做一些變化，輸入模擬電壓應(yīng)在 0 間，下圖為接入模塊前的信號的處理電路圖 8 （ 2） 數(shù)據(jù)采集：將調(diào)理好的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號，進行輸入前的檢測 （ 3） 數(shù)據(jù)處理：在 ，將數(shù)據(jù)用 C+語言編譯出來，進行輸入前的處理 （ 4） 結(jié)果顯示：用 動液晶顯示屏，將電動汽車的有關(guān)信息顯示出來 動汽車幾種傳感器及其作用 溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動機溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度用傳感器有線繞電阻式、熱敏電阻式和熱偶電阻式三種主要類型。三種類型傳感器各有特點，其應(yīng)用場合也略有區(qū)別。線繞電阻式溫度傳感器的精度高，但響應(yīng)特性差；熱敏電阻式溫度傳感器靈敏度高，響應(yīng)特性較好，但線性差，適應(yīng)溫度較低；熱偶電阻式溫度傳感器的 精度高，測量溫度范圍寬，但需要配合放大器和冷端處理一起使用。 壓力傳感器主要用于檢測氣缸負壓、大氣壓、渦輪發(fā)動機的升壓比、氣缸內(nèi)壓、油壓等。吸氣負壓式傳感器主要用于吸氣壓、負壓、油壓檢測。汽車用壓力傳感器應(yīng)用較多的有電容式、壓阻式、差動變壓器式（ 表面彈性波式（ 9 流量傳感器主要用于發(fā)動機空氣流量和燃料流量的測量?？諝饬髁康臏y量用于發(fā)動機控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比、起動、點火等。空氣流量傳感器有旋轉(zhuǎn)翼片式（葉片式）、卡門渦旋式、熱線式、熱膜 式等四種類型。旋轉(zhuǎn)翼片式（葉片式）空氣流量計結(jié)構(gòu)簡單，測量精度較低，測得的空氣流量需要進行溫度補償；卡門渦旋式空氣流量計無可動部件，反映靈敏，精度較高，也需要進行溫度補償；熱線式空氣流量計測量精度高，無需溫度補償，但易受氣體脈動的影響，易斷絲；熱膜式空氣流量計和熱線式空氣流量計測量原理一樣，但體積少，適合大批量生產(chǎn)，成本低。 位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要用于檢測曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門的開度、車速等。目前汽車使用的位置和轉(zhuǎn)速傳感器主要有交流發(fā)電機式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式、簧片開關(guān)式、光 學式、半導體磁性晶體管式等，其測量范圍 0 360 ，精度 0 5 以下，測彎曲角達 0 1 。 氣體濃度傳感器主要用于檢測車體內(nèi)氣體和廢氣排放。其中，最主要的是氧傳感器，實用化的有氧化鋯傳感器 (使用溫度 900 ，精度1 )、氧化鋯濃差電池型氣體傳感器 (使用溫度 300800) 、固體電解質(zhì)式氧化鋯氣體傳感器 (使用溫度 0400 ，精度 0 5 )，另外還有二氧化鈦氧傳感器。和氧化鋯傳感器相比，二氧化鈦氧傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、便宜，且抗鉛污染能力強的特點。 10 第三章 液晶與液晶顯示 晶與液晶顯示器件 我們知道，任何物質(zhì)都是由分子或呈規(guī)律排布的離子單元構(gòu)成的。這些組成物質(zhì)的基本單元如果是球形或其它重心基本對稱的單元組成，那么，不論是溫度變化，或其它外部條件改變，其基本單元的重心位置分布將不會產(chǎn)生方向性變化。而如果這個基本單元式非球形的，如棒狀、盤狀等，則有可能在一定條件或一定溫度范圍內(nèi)使其具有重心位置分布的規(guī)律性和方向性的有序性，從而有可能呈現(xiàn)液晶態(tài)，如圖 示。這種材料在電場等外場的作用下，使液晶分子從特定的初始排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌肿优帕?狀態(tài)，隨著分子排列的變化，液晶元件的光學特性發(fā)生變化，從而轉(zhuǎn)化為被感知的視覺效果。 經(jīng)過一百多年的發(fā)展，已被發(fā)現(xiàn)或合成的液晶種類多達幾千種，但只有少數(shù)種類的液晶能夠走進人們的生活。比較常見的液晶顯示器件有：扭曲向列型液晶顯示器件（ 超 扭曲型液晶顯示器件（ 薄膜場效應(yīng)晶體管液晶顯示器件（ 等。 要應(yīng)用在電子表、計算器以及儀器儀表等簡單的顯示場合，它最大的特點是功耗小，一個小小的紐扣電池可以供其使用幾年。由于 顯示原理所限，它不能制成大規(guī)模點陣進行動態(tài)驅(qū)動，所以在顯示較為復雜字符或圖形的場合一般使用 次畢業(yè) 11 設(shè)計所用的液晶顯示器件即為 源矩陣型液晶顯示器件（ 廣泛應(yīng)用于液晶電視和便攜式電腦領(lǐng)域，目前其生產(chǎn)技術(shù)已完全突破，進入了工業(yè)大 生產(chǎn)。 晶顯示器件的基本結(jié)構(gòu) 液晶顯示器件從結(jié)構(gòu)上說，屬于平板顯示器件，其基本結(jié)構(gòu)呈平板型。典型的液晶顯示器件如圖 示，它主要由偏光片、前玻璃、液晶、封接邊、后玻璃、電極等部件構(gòu)成。 將兩片光刻了透明導電極的平板玻璃相對放置在一 起，使其間相距為 67m。四周用環(huán)氧膠密封，構(gòu)成一個封接框，但在封接框的一側(cè)留有一個開口，該開口稱為液晶注入口。液晶材料即是通過該注入口在真空條件下注入的。注入后，用樹脂將開口密封好，再將此液晶盒前后表面呈正交地貼上前后偏光片即完成了一個完整的液晶顯示器件。液晶顯示器件有 3 大基本部件： （ 1）玻璃基板 玻璃基板是一種表面極其平整的薄玻璃片。在表面蒸鍍一層透明導電層。經(jīng)光刻加工制成透明導電圖形。這些圖形由像素圖形和外引線圖形組成。外引線不能進行傳統(tǒng)的錫接，只能通過導電橡膠條等進行連接。如果這些引線被刮傷 、割斷、或腐蝕，就會造成整個液晶顯示器件的報廢。 （ 2）液晶材料 液晶材料是液晶顯示器件的主體，不同器件使用的液晶材料不同。液晶材料大都是由幾種乃至幾十種液晶材料混合而成，這些液晶材料必須在一定的溫度范圍內(nèi)才表現(xiàn)為液晶態(tài)。因此，液晶顯示器件必須在一定的溫度范圍內(nèi)使用。如果 12 使用和保存的溫度過低，材料就會結(jié)晶，而溫度過高就會使液晶成為液態(tài)，從而失去了顯示的功能。 （ 3）偏光片 偏光片又稱為偏振片，由塑料薄膜材料制成。上面涂有一層光學壓敏膠，可以貼在液晶盒的表面。偏光片怕高溫、高濕，在高溫高濕條件下會發(fā)生退偏振或起泡。由于玻璃盒內(nèi)側(cè)取向?qū)拥淖饔?，液晶分子沿玻璃面平行并在兩片玻璃之間連續(xù)扭轉(zhuǎn) 90，這樣，當由光源射來的光經(jīng)過上面的偏光片，變成垂直線偏振光，射入液晶盒內(nèi)，就被液晶分子旋轉(zhuǎn) 90，呈水平線偏振光，再由下面的偏光片射出，經(jīng)反射片反射，按原光路折回，呈亮視場。液晶分子在不同外場條件下會有不同的排列角度，從而使通過其的光線產(chǎn)生不同的變化，以致呈現(xiàn)出明暗的視覺效果。 型的液晶顯示器件 液晶顯示器件的電極圖形雖然是看不見的透明導電圖形，但導電極的引出方式卻決定了該器件所采用的控制與驅(qū)動方式。根據(jù)顯示像 素液晶顯示器件可分為段型和點陣型兩大類，它們的驅(qū)動方式又可分為靜態(tài)驅(qū)動和動態(tài)驅(qū)動 。 態(tài)驅(qū)動段型液晶顯示器件 靜態(tài)驅(qū)動段型液晶顯示器件的電極排布如圖 示。這類顯示器件應(yīng)用最早、使用最廣。一般計時、計數(shù)設(shè)備所用到的液晶顯示器幾乎都是采用該類顯示器。從圖中可以看出，其電極排布與常見的七段數(shù)碼管的電極排布基本一致。 13 每個筆段的正面都有一個引出線（段電極），而對應(yīng)的背電極則只有一個共用引出線（背電極）。只要在段電極和背電極之間加入驅(qū)動電壓就可使該段呈顯態(tài)，不加驅(qū)動電壓則該段為非顯態(tài)。 態(tài)驅(qū)動點矩陣型液晶顯示器件 靜態(tài)驅(qū)動方式較為簡單，顯示的對比度高，并且受溫度的影響較小。不過在大規(guī)模像素場合，靜態(tài)驅(qū)動方式卻往往因為它需要極多的引出電極而無法實現(xiàn)。這時，動態(tài)驅(qū)動方式就顯示出了其無可比擬的優(yōu)點。動態(tài)驅(qū)動點陣型液晶顯示器件的電極實際上就是 X 方向和 Y 方向的兩組平行直線電極分布于前后玻璃基板上。如圖 示。在相應(yīng)的行列電極間加上一定的驅(qū)動電壓就可以使交點像素呈顯態(tài)，通過行驅(qū)動器依次掃描行電極就可以實現(xiàn)動態(tài)驅(qū)動。 晶顯示模塊 晶顯示模塊（ 是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、 路板、背光源、結(jié)構(gòu)件裝配在一起的組件。液晶顯示器件是一種高新技術(shù)的基礎(chǔ)元器件，雖然其應(yīng)用已很廣泛，但對很多人來說，使用、裝配時仍感到困難。特別是點陣型 殊的連接方式和所需的專用設(shè)備使用戶更感到無從下手。故液晶生產(chǎn)廠家或第三方廠家將液晶顯示器件與控制、驅(qū)動集成電路裝在一起，形成一個功能部件，用戶只需用常規(guī)的電路設(shè)計手段就可完成液晶顯示系統(tǒng)的設(shè)計。本次畢業(yè)設(shè)計所使用的液晶顯示器件為南京奧雪公司的圖形點陣式液晶顯示模塊 主要由點陣液晶顯 示驅(qū)動控制器、背光系統(tǒng)和圖形點陣液晶顯示屏組成。在小規(guī)模點陣液晶顯示模塊上，使用液晶顯示驅(qū)動控制器對液晶顯 14 示驅(qū)動控制系統(tǒng)是非常有益的。不但可以簡化液晶顯示模塊的硬件電路，而且降低了模塊的成本。 本次畢業(yè)設(shè)計采用的 192 (列 ) 64 (行 ) 圖形點陣液晶顯示模塊。如圖 示為 結(jié)構(gòu)框圖。它裝配了一塊 由一片行驅(qū)動器 三片列驅(qū)動器 成驅(qū)動控制系統(tǒng)。所以該液晶顯示模塊的電路特性實際上是 合的電路特性。 15 腳介紹 形液晶顯示行驅(qū)動控制器 低阻抗點陣液晶圖形顯示行驅(qū)動控制器 , 具有 64 路行驅(qū)動輸出。它的特點在于自身帶有振蕩器和時序發(fā)生器，通過外接振蕩電阻電容使其上電后就以設(shè)定的占空比系數(shù)開始行掃描工作。它可以自行完成行、列驅(qū)動時序的生成及分配，自動進行行掃描；同時向列驅(qū)動器輸出同步信號和脈沖時序，控制列驅(qū)動器工作。 形液晶顯示列驅(qū)動控制器 帶有顯示存儲器的圖形液晶顯示列驅(qū)動控制器，具有 64 路列驅(qū)動輸出。它主要由 64 64 位顯示存儲器及其配套的管理電路所組成，存儲器的每一位對應(yīng)液晶顯示器件上的一個點。其原理結(jié)構(gòu)如圖 示。要想寫 16 入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，首先要通過“寫指令”設(shè)置頁面地址寄存器的值，從而通過數(shù)據(jù)輸入通道選擇器選擇一個頁面；其次，設(shè)置起始列地址以選擇一個字節(jié)的存儲單元；最后通過“寫數(shù)據(jù)”將數(shù)據(jù)寫入該存儲單元。顯示存儲器的作用是存儲計算機送來的待顯示數(shù)據(jù)，但是當前 顯示的數(shù)據(jù)并不 是顯示存儲器里的數(shù)據(jù)，而是顯示數(shù)據(jù)鎖存器里的數(shù)據(jù)。即計算機送來的數(shù)據(jù)不但要先保存在顯示存儲器中，還要進一步通過顯示數(shù)據(jù)鎖存器，最后經(jīng)過驅(qū)動電路才能顯示在液晶屏上。同時， 配備了一套與外界控制器的接口電路，它負責完成外界控制器與 部寄存器、顯示存儲器的存取操作，實現(xiàn)了外界控制器操作時序與 部工作時序的轉(zhuǎn)換。當外界控制器對 作時，接口電路的寄存器鎖存了外界控制器發(fā)來的指令代碼和顯示數(shù)據(jù)，并立即封鎖接口電路與外界的聯(lián)系；再將后續(xù)的處理過程轉(zhuǎn) 到控制器的內(nèi)部時序上；處理完畢后，恢復接口電路與外界的聯(lián)系，等待外界控制器的下一次訪問。當 接口電路處于運行狀態(tài)時，接口電路中的狀態(tài)字寄存器存放的工作狀態(tài)為“忙”，這是 外界控制器唯一的“握手”信號。此時外界控制器對驅(qū)動控制器的任何操作（除讀取狀態(tài)字外）都是無效的。因此，外界控制器每次對 作前都必須判斷“忙”狀態(tài)位。雖然 自承擔了和外界控制器的讀寫操作，但實際上它并不能獨立工作。因為它本身不能生成顯示時序，所以 常與帶振蕩器、顯示時序發(fā)生器的 套使用。它們配合完成液晶顯示器件的控制和驅(qū)動工作，由此組成的液晶顯示驅(qū)動、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，而且降低了液晶顯示模塊的成本。 17 指令系統(tǒng) 指令系 統(tǒng)非常簡單，共有七條指令。從作用上可分為兩類：一是設(shè)置顯示狀態(tài)的指令，該指令用于設(shè)置顯示開關(guān)以及顯示的起始行；二是數(shù)據(jù)的讀 /寫操作指令，主要有讀取狀態(tài)字、設(shè)置顯示存儲器單元的地址以及讀 /寫顯示數(shù)據(jù)。表 示為 指令列表。 18 （ 1）設(shè)置顯示開 /關(guān) 當 X=1 時，開顯示；當 X=0 時，關(guān)顯示。雖然 X=0 時數(shù)據(jù)不顯示在屏上，但是數(shù)據(jù)仍保存在顯示存儲器中。因此，要想顯示數(shù)據(jù)，只需將 X=0 改為 X=1。 （ 2）設(shè)置顯示起始行 該指令設(shè)置顯示起始行。 0 設(shè)置 示 屏上最頂行對應(yīng)的顯示存儲器的地址。 （ 3）設(shè)置頁面地址 該指令設(shè)置頁面地址寄存器的內(nèi)容。 0 的值代表選擇的頁面。只有選擇了頁面后，才可以進行數(shù)據(jù)的讀 /寫操作。 (4)設(shè)置列地址 該指令設(shè)置列地址寄存器的內(nèi)容。每次讀 /寫數(shù)據(jù)后，列地址計數(shù)器自動增 1。 （ 5）讀狀態(tài)字 示 口控制電路當前運行狀態(tài)。 ，表示接口電路正在執(zhí)行內(nèi)部操作，此時接口電路不能接受任何指令（讀狀態(tài)指令除外）。在寫入下一條指令之前，一定要確保 。 示液晶屏當前的顯 示狀態(tài)。 ，表示液晶屏處于關(guān)顯示狀態(tài)； ，表示液晶屏處于開顯示狀態(tài)。 示 初始化狀態(tài)。 ，表示系統(tǒng)正在進行初始化，此時只能進行讀狀態(tài)操作； ，表示初始化結(jié)束。 （ 6）寫顯示數(shù)據(jù) 將 8 位數(shù)據(jù) 0 寫入到顯示存儲器中。該操作每執(zhí)行一次，列地址計數(shù)器 19 自動增 1。 （ 7）讀顯示數(shù)據(jù)：從顯示存儲器中讀取 8 位數(shù)據(jù) 0。該操作每執(zhí)行一次，列地址計數(shù)器自動增 1 20 第四章 電動汽車液晶顯示系統(tǒng)硬件設(shè)計 件設(shè)計 分析 基于 晶顯示的硬件首先要包括 兩個重要成員。其中 其外圍電路，本設(shè)計使用的是三意的 估板 晶顯示器件使用的是南京奧雪的液晶顯示模塊 估板和液晶顯示模塊之間的接口電路設(shè)計是本課題硬件設(shè)計的難點之一。從 訪問方式來看，接口可分為處理器直接訪問方式和處理器間接訪問方式。為了降低高速 功耗，廠商在設(shè)計時將其供電電壓降得比較低：內(nèi)核 使用的液晶顯示模塊的邏輯電平卻為 5V，因此， 我們有必要設(shè)計相關(guān)的電平轉(zhuǎn)換電路以使它們的邏輯電平相匹配。下面將詳細介紹以上設(shè)計要點。 理器直接訪問方式 直接訪問方式就是把液晶顯示模塊直接連接到 總線上，液晶顯示模塊當做存儲器或 I/O 設(shè)備進行訪問。此法操作簡單，時序由部讀寫邏輯控制。由于 晶顯示驅(qū)動控制器的接口時序為 序，這與常見的 序略有區(qū)別。為使 液晶顯示模塊的時序相匹配，直接訪問方式需要特殊的軟硬件接口。 把 讀寫信號（ 過與非門和液晶顯示模塊使能信號（ E）相連，如圖 1）所示。這樣本來沒有 E 信號的 讀 /寫操作時也可以選通液晶顯示模塊。 由于液晶顯示模塊是 一個慢速外設(shè)，要使兩者的速度匹配，一種辦法是利用 部的等待狀態(tài)發(fā)生器插入一定的等待周期，在不額外添加硬件設(shè)備的情況下，能夠滿足硬件本身的要求。另一種辦法就是在指令執(zhí)行的過程中加入一定量的延時，一次延時一般在 1 s 以上。 理器間接訪問方式 所謂的間接訪問方式，即不通過 地址、數(shù)據(jù)總線對液晶 顯示模塊進 21 行讀寫操作，而是利用 通用輸入輸出口（ 模擬液晶顯示模塊的讀寫時序。間接訪問方式的連接方式如圖 2）所示。 有多達 56 個 腳，但這些引腳大部分為多功能復用引腳。如 的 功能模塊的引腳也共用這些引腳。如果我們采用間接訪問方式時應(yīng)盡量選用那些空閑的 腳。 件設(shè)計 根據(jù)以上設(shè)計思路的分析，我們了解到直接訪問方式和間接訪問方式各有各的優(yōu)缺點。直接訪問方式直接利用 讀寫時序進行液晶顯示 模塊的讀寫操作，這樣軟件編程相對較為簡單，硬件也不復雜。但如果掛在 總線上的外圍設(shè)備較多時，外圍設(shè)備的讀寫操作必將產(chǎn)生沖突，因為液晶顯示模塊的讀寫速度較慢，這將會對總線上的其他設(shè)備產(chǎn)生影響 ， 22 以致這些外圍設(shè)備在占用總線時產(chǎn)生沖突。間接訪問方式不需要總線操作，因此不會對總線上的其它外圍設(shè)備產(chǎn)生影響，而且其硬件連接更為簡潔。但是 腳都是多功能復用引腳，如果液晶顯示模塊占用了一個引腳，那么就不方便在此引腳上實現(xiàn)其他功能。因此，如果空閑 腳較多時，我們可以選用間接訪問方式。如果空閑 的 腳不多時，那就只能采用直接訪問方式了。 本課題中的 了實現(xiàn)液晶顯示功能外，并不需要實現(xiàn)其它的功能。因此本課題中無論選用直接訪問方式還是間接訪問方式都能很好地進行設(shè)計。但比較直接訪問方式和間接訪問方式的軟件任務(wù)，間接訪問方式的軟件編程要復雜得多。為了能更多地進行編程學習和軟件調(diào)試，本課題選用了間接訪問方式來實現(xiàn)液晶顯示的功能。 根據(jù)間接訪問方式的設(shè)計思想，示。圖 示為對應(yīng)的液晶顯示系統(tǒng)實物圖。其中， 用來傳輸數(shù)據(jù)：一是向液晶顯示模塊寫數(shù)據(jù)或 指令；二是從液晶顯示模塊讀數(shù)據(jù)或狀態(tài)。即上面一片 數(shù)據(jù)傳輸方向為 A 到 B 或 B 到 A，因此需要用一個 腳 控制該芯片的 ，這樣在不同的時刻就可以改變數(shù)據(jù)流向。 用來產(chǎn)生液晶顯示模塊的選通信號：這些信號始 23 終是從 液晶顯示模塊。因此，下面一片 腳接到高電平即可。 液晶顯示器件一般都采用負電壓驅(qū)動，為了方便我們設(shè)計其供電系統(tǒng)，液晶顯示模塊 部有一個 C 變換器，變換器的輸入為 +5V 供電電源，輸出為 電壓為 右。因此，要想在驅(qū)動電壓引腳 入合適的負壓，只需在 間加入合適的分壓電阻。本設(shè)計采用的是 10節(jié)電位器的阻值可改變驅(qū)動電壓。 我們知道液晶顯示器件都為被動發(fā)光型顯示器件，在完全黑暗的情況下是看不到顯示效果的。因此，我們有必要設(shè)計背光燈的供電電路，其實該供電電路很簡單，只要在 右電壓即可。本設(shè)計采用在 間加電位器的方法，電位器阻值選用 10K，調(diào)節(jié)電位器的阻值就可調(diào)節(jié)背光燈的驅(qū)動電壓。 件設(shè)備的調(diào)試 （ 1）采用單電源供電 這里所說的單電源供電是指 估板 于它們的供電電壓都是 +5V，所以不需要增加額外的電壓轉(zhuǎn)化電路即可實現(xiàn)單電源供電。這樣設(shè)計出的電路更為簡潔、可靠。如果采用多個電源供電，那必須要將各個電源的地連接在一起，因為在各個邏輯器件間傳遞邏輯信號必須要有相同的參考電壓。在實際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)：如果不共地，邏輯器件間傳遞的邏輯電平是不可靠的，嚴重時甚至會損壞邏輯器件。 考慮到采用多 電源供電所遇到的問題，加上所設(shè)計系統(tǒng)的規(guī)模比較小，而且電路中沒有模擬電路部分，所以最終采用了單電源供電方案，這樣可有效增加供電的可靠性。但在具體操作時還應(yīng)注意以下兩點以保證供電的可靠性：在各個模塊的電源輸入端加 和 10 用足夠大容量的電源。 （ 2） 電平轉(zhuǎn)換 在設(shè)計階段，我們就把 作電平轉(zhuǎn)換芯片。但在實際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)能實現(xiàn)單向電平轉(zhuǎn)換功能。它可以將 電平轉(zhuǎn)換成 5V 的電平，但不能將 5V 的電平轉(zhuǎn)換成 它的輸 入不管是 是 5V，只要輸入是高電平輸出就是 5V。因此，在 取液晶顯示模塊的狀態(tài)時， 上的電壓為 5V 左右。如果長時間工作必然會損壞 。 24 后來，我們再仔細閱讀 資料發(fā)現(xiàn)它只是一個總線驅(qū)動芯片，只能實現(xiàn)緩沖和單向電平轉(zhuǎn)換功能。針對這個問題，我們又換用 74實現(xiàn)電平的雙向轉(zhuǎn)換功能。 74了采用 3V 和 5V 雙電源供電外，其他引腳功能和 引腳功能相似，這里不再贅述 能模塊圖 上整合了 儲器、快速的 A/D 轉(zhuǎn)換器、增強的 件管理器、正交編碼電路接口以及多通道緩沖串口等外設(shè)，這種整合使用戶能夠以很便宜的價格開發(fā)高性能數(shù)字控制系統(tǒng)。 由于 2812 內(nèi)部集成了許多內(nèi)核可以訪問和控制的外圍設(shè)備， 2812 內(nèi)核需要通過某種方式來讀 /寫外設(shè)。因此，處理器將所有的外設(shè)都映射到了數(shù)據(jù)存儲空間。每個外設(shè)被分配一段相應(yīng)的地址空間，主要包括配置寄存器、輸入寄存器、輸出寄存器和狀態(tài)寄存器，只要通過訪問存儲器中的寄存器就可以操作該設(shè)備。 外設(shè)通過外設(shè)總線（ 接到 內(nèi)部存儲器接口上，如圖 所示。所有的外設(shè)在使用之前必須要配置相應(yīng)的控制寄存器 25 液晶模塊硬件接口設(shè)計 液晶顯示模塊直接顯示連接 保護電路 為了確保整個系統(tǒng)能夠安全、可靠的運行，同時，完善的保護系統(tǒng)也可以延長裝置使用壽命，所以在硬件電路設(shè)計中保護電路是必不可少的一個重要環(huán)節(jié)。文將過流、欠壓、過壓故障保護信號處理為多路低電平有效的信號 ，把上述信號經(jīng)芯片 74 后的輸出送至 系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，片內(nèi)固化的 到故障消失和系統(tǒng)復位，從而有效地避免了由于故障的發(fā)生而對系統(tǒng)和器件造成的危害。過壓故障保護信號是由另一路直流母線電壓檢測電路提供的，它是直接從開關(guān)變壓器副邊的采樣繞組進行采樣，然后經(jīng)分壓電路取得電壓信號，將此檢測信號與預先設(shè)定的基準電壓信號通過電壓比較器 從直流母線上取樣得到的電壓高于基準電壓時，比較器輸出高電平，使開關(guān)三極管導通，經(jīng)光耦隔離處 理后，輸出低電平信號。過流、欠壓故障保護信號是由驅(qū)動芯片發(fā)生故障時，此引腳會被拉低。保護 26 電路如下圖 圖 保護電路 27 第五章 電動汽車液晶顯示系統(tǒng)軟件設(shè)計 硬件平臺是系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，而對任何控制系統(tǒng)來說，準確、可靠的軟件是系統(tǒng)能夠高性能運行的重要保證，所以在完成系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，本章對系統(tǒng)的軟件作了進一步的研究和設(shè)計。系統(tǒng) 的軟件設(shè)計采用 實時性允許的前提下，一般來說，總是盡可能地用軟件資源代替硬件資源，以降低成本，簡化硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的性價比。軟件編程主要包括主程序、中斷程序和相關(guān)的功能子模塊程序 。 件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境介紹 為使用戶快速開發(fā)基于 有強大集成能力的 套開發(fā)環(huán)境集代碼生成工具和代碼調(diào)試工具為一體，包括先進的優(yōu)化 乎遍及 軟件編寫、代 碼調(diào)試、實時仿真、軟件調(diào)試到軟件燒寫，都可以利用 由先進的開發(fā)工具組成直觀的系統(tǒng)，從而大幅度減少 時， 完全兼容，并且，包含一個適用于每種器件的完整的實時運行庫，該庫包含的數(shù)學函數(shù)庫支持浮點運算，是實現(xiàn) 大限度地減少目標代碼，這樣可以大大降低程序的運行時間 。 7 另外，在 程環(huán)境下支持不同的開發(fā)語言，包括匯編， C 語言， C+等。言也可以和 結(jié)合，用戶可以在 境下完成從概念設(shè)計到實時實現(xiàn)的軟件開發(fā)，脫離了低層的開發(fā)過程。本次永磁同步電機伺服系統(tǒng)，采用 C 語言和匯編語言相結(jié)合進行軟件設(shè)計。 組成 功能十分強大，它集成了代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能，而且支持 C/C+十和匯編的混合編程，其主要功能如下 : 戶可通過其界面直接編寫 C、匯編、 . 8 文件等 ; 括匯編器、優(yōu)化 C 編譯器、鏈接器等，將代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能集成到 一個軟件環(huán)境中 ; 用戶很容易閱讀代碼，發(fā)現(xiàn)語法錯誤 ; 生成目標程序和程序庫的過程中，建立不同程序的跟蹤信息，通過跟蹤信息對不同的程序進行分類管理 ; 看寄存器、存儲器、反匯編、變量窗口等功能，并支持 C 源代碼級調(diào)試 ; 在調(diào)試程序的過程中，完成硬件斷點、軟件斷點和條件斷點的設(shè)置 ; 用于算法的仿真，數(shù)據(jù)的實時監(jiān)視等 ; 括模擬器和仿真器 分析，可用于模擬和監(jiān)視硬件的功能、評價代碼執(zhí)行的時鐘 : 以將運算結(jié)果用圖形顯示，包括顯示時域 /頻域波形、眼圖、星座圖、圖像等，并能進行自動刷新 ; 具。利用 展語言，用戶可以編寫自己的控制面板 /菜單，設(shè)置 單選項，方便直觀地修改變量，配置參數(shù)等 ; 調(diào)試 ; 術(shù)，可在不中斷目標系統(tǒng)運行的情況下，實現(xiàn) 其他應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換 ; 具，增強對代碼的實時分析能力 境 下 主要成員 （ 1）頭文件（ 這里所說的頭文件是指定義系統(tǒng)硬件（主要是寄存器）的頭文件。這些頭文件中用一些簡單易懂的名稱來命名寄存器，再把這些名稱和寄存器的物理地址對應(yīng)在一起。因此，我們在編程時可以用這些名稱代替物理地址，對寄存器進行操作。這樣就大大增加了程序的可讀性。 司向用戶提供了幾乎所有寄存器定義的頭文件，用戶幾乎不用修改其中的內(nèi)容就可以直接使 29 用。 （ 2）庫文件（ 是一個 C/C+運行支持庫，由于設(shè)計 中采用的是 C 語言編程，所以這是工程中必不可少的一部分。 （ 3） 件（ 件用于 碼的定位。由于 編譯器的編譯結(jié)果是未定位的， 沒有操作系統(tǒng)來定位執(zhí)行代碼，且每個客戶設(shè)計的 統(tǒng)的配置也不盡相同，因此用戶需要自行定義代碼的安裝位置。 （ 4）主程序（ 主程序主要是用來實現(xiàn)系統(tǒng)初始化和液晶顯示功能的，它的編寫和運行必須要建立在以上三個部分之上。晶顯示主程序設(shè)計的內(nèi)容 液晶顯示系 統(tǒng)的主程序由 數(shù)、 數(shù)以及液晶顯示相關(guān)函數(shù)組成。其中， 數(shù)完成系統(tǒng)初始化、變量定義、變量初始化、寄存器初始化等工作； 數(shù)主要完成數(shù)據(jù)的接收和顯示任務(wù)；液晶顯示相關(guān)函數(shù)實現(xiàn)在 顯示字符和漢字的功能。 對于液晶顯示系統(tǒng)而言，主程序主要實現(xiàn)以下功能： （ 1） 初始化； （ 2）在 顯示一段字符或漢字； （ 3）通過串行通信接口接收上位機的數(shù)據(jù)； （ 4）對接收的數(shù)據(jù)進行判斷，并在 顯示。 30 程序的軟件流程圖 件調(diào)試的方法 在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，軟件的調(diào)試工作并沒有花太長的時間。這與調(diào)試所采用的方法有關(guān)： 首先搭建好 程。編寫好其中必不可缺的部分，如一些頭文件、庫文件等等。加入 始化和 分，編譯通過并單步運行。用萬用表檢測電平是否和運行的指令相符合。 第二步，加入液晶顯示部分?？?否正確初始化并顯示簡單的字符，遇到問題時同樣可采用單步運行。通過這一步發(fā)現(xiàn)， 中屏有問題（不能正確寫入數(shù)據(jù)），所以以下調(diào)試 均在左屏和右屏上進行。 第三步，加入中斷服務(wù)部分。采用設(shè)置斷點的方法，我們可以檢查程序是否能進中斷。如果不能進中斷，那應(yīng)該檢查中斷初始化部分：中斷控制寄存器的初始化、中斷向量表的初始化以及 初始化。能正確進中斷后，直接調(diào)用顯示字符子函數(shù)就可以顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。 在整個調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，為實現(xiàn)液晶顯示功能，在合適的地方加合適長度的延時至關(guān)重要。因為 別是 2812）的運行速度非?？?，如果不加延時始化 統(tǒng)上電復位 始化 起始位置設(shè)定值 顯示數(shù)據(jù)設(shè)定 響應(yīng)外部中斷