Kaip sukurti statinę LCD tvarkyklę su „I²C“sąsaja: 12 žingsnių

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Skystųjų kristalų ekranai (LCD) yra plačiai naudojami komerciniams ir pramoniniams tikslams dėl jų gerų vaizdinių savybių, mažos kainos ir mažos energijos sąnaudos. Dėl šių savybių skystųjų kristalų ekranas yra standartinis sprendimas su baterijomis maitinamiems prietaisams, pvz., Nešiojamiems prietaisams, skaičiuotuvams, laikrodžiams, radijo imtuvams ir kt.

Tačiau, norint tinkamai valdyti tai, ką rodo LCD, LCD elektroninė tvarkyklė turi generuoti tinkamas įtampos bangos formas LCD kaiščiams. Bangos formos turėtų būti kintamosios srovės (kintamosios srovės) pobūdžio, nes nuolatinės srovės (nuolatinės srovės) įtampa visam laikui sugadins prietaisą. Tinkamas tvarkyklė šiuos signalus perduotų į skystųjų kristalų ekraną su minimaliomis energijos sąnaudomis.

Egzistuoja dviejų tipų skystųjų kristalų ekranai, statiniai, turintys tik vieną užpakalinę plokštę ir vieną kaištį atskiriems segmentams valdyti, ir multipleksuoti, su keliais užpakaliniais planais ir keliais segmentais, prijungtais prie kiekvieno kaiščio.

Ši instrukcija pristatys vieno statinio LCD tvarkyklės su SLG46537V GreenPAK ™ įrenginiu dizainą. Sukurta skystųjų kristalų tvarkyklė valdytų iki 15 skystųjų kristalų segmentų, naudodama keletą mikromperų srovės iš maitinimo šaltinio, ir pasiūlytų I²C sąsają valdymui.

Tolesniuose skyriuose bus parodyta:

● pagrindinės žinios apie LCD;

● išsamus SLG46537V „GreenPAK“LCD tvarkyklės dizainas;

● kaip vairuoti septynių segmentų 4 skaitmenų statinį skystųjų kristalų ekraną su dviem „GreenPAK“įrenginiais.

Žemiau aprašėme veiksmus, kurių reikia norint suprasti, kaip sprendimas buvo užprogramuotas sukurti statinę LCD tvarkyklę su I²C sąsaja. Tačiau, jei norite gauti programavimo rezultatą, atsisiųskite „GreenPAK“programinę įrangą, kad peržiūrėtumėte jau užpildytą „GreenPAK“dizaino failą. Prijunkite „GreenPAK Development Kit“prie kompiuterio ir paspauskite programą, kad sukurtumėte statinę LCD tvarkyklę su I²C sąsaja.

1 žingsnis: Skystųjų kristalų ekranų pagrindai

Skystųjų kristalų ekranai (LCD) yra technologija, kuri neskleidžia šviesos, ji kontroliuoja tik tai, kaip praeina išorinis šviesos šaltinis. Šis išorinis šviesos šaltinis gali būti turima aplinkos šviesa, atspindinčiojo ekrano tipo, arba šviesa iš foninio apšvietimo lempos arba lempos, pralaidus. LCD yra pagaminti iš dviejų stiklo plokščių (viršutinės ir apatinės), tarp jų yra plonas skystųjų kristalų (LC) sluoksnis ir du šviesos poliarizatoriai (taikymo pastaba AN-001-LCD technologijos pagrindai, „Hitachi“, taikymo pastaba AN-005-ekranas Režimai, „Hitachi“). Poliarizatorius yra šviesos elektromagnetinio lauko šviesos filtras. Tik šviesos komponentai teisinga elektromagnetinio lauko kryptimi praeina pro poliarizatorių, o kiti komponentai yra užblokuoti.

Skystieji kristalai yra organinė medžiaga, sukanti šviesos elektromagnetinį lauką 90 laipsnių ar daugiau. Tačiau kai LC taikomas elektrinis laukas, šviesa nebesisuka. Pridedant skaidrius elektrodus viršutiniame ir apatiniame ekrano stiklu, galima valdyti, kada šviesa praeina, o kai ne, naudojant išorinį elektros lauko šaltinį. Aukščiau pateiktas 1 paveikslas (žr. Taikymo pastabą AN-001-LCD technologijos pagrindai, „Hitachi“) iliustruoja šį veikimo valdymą. 1 paveiksle ekranas yra tamsus, kai nėra elektrinio lauko. Taip yra todėl, kad abu poliarizatoriai filtruoja šviesą ta pačia kryptimi. Jei poliarizatoriai yra stačiakampiai, ekranas bus tamsus, kai yra elektrinis laukas. Tai yra labiausiai paplitusi atspindinčių ekranų situacija.

Mažiausias elektros laukas arba įtampa, skirta valdyti LCD, vadinamas įjungimo slenksčiu. LC veikia tik įtampa, o LC medžiagoje beveik nėra srovės. LCD elektrodai sudaro nedidelę talpą ir tai yra vienintelė vairuotojo apkrova. Dėl šios priežasties LCD yra mažos galios įrenginys, rodantis vaizdinę informaciją.

Tačiau svarbu pažymėti, kad skystųjų kristalų ekranas negali ilgai veikti su nuolatinės srovės (DC) įtampos šaltiniu. Naudojant nuolatinės srovės įtampą, LC medžiagoje gali atsirasti cheminių reakcijų, kurios visam laikui gali pakenkti (Naudojimo pastaba AN-001-LCD technologijos pagrindai, „Hitachi“). Sprendimas yra naudoti alternatyvią įtampą (AC) LCD elektroduose.

Statiniuose skystųjų kristalų ekranuose galinis plokštės elektrodas yra įmontuotas į vieną stiklą, o atskiri LCD segmentai arba pikseliai - į kitą stiklą. Tai vienas iš paprasčiausių LCD tipų ir geriausias kontrasto santykis. Tačiau tokio tipo ekranams paprastai reikia per daug kaiščių, kad būtų galima valdyti kiekvieną atskirą segmentą.

Apskritai, vairuotojo valdiklis iš užpakalinės plokštės sukuria kvadratinių bangų laikrodžio signalą ir laikrodžio signalą segmentams priekinėje plokštumoje. Kai galinis plokštumos laikrodis yra to paties fazės su segmento laikrodžiu, vidutinė kvadrato (RMS) įtampa tarp abiejų plokštumų yra lygi nuliui, o segmentas yra skaidrus. Priešingu atveju, jei RMS įtampa yra didesnė už LCD įjungimo slenkstį, segmentas tampa tamsus. Galinės plokštės, įjungimo ir išjungimo segmento bangos formos pavaizduotos 2 paveiksle. Kaip matyti iš paveikslo, įjungtas segmentas yra ne fazėje, palyginti su plokštumos signalu. Išjungtas segmentas yra fazėje, palyginti su galinės plokštės signalu. Taikoma įtampa gali būti nuo 3 iki 5 voltų mažoms sąnaudoms ir mažos galios ekranams.

LCD galinės plokštės ir segmentų laikrodžio signalas paprastai yra 30–100 Hz diapazone, tai yra minimalus dažnis, kad būtų išvengta regėjimo mirgėjimo efekto LCD ekrane. Siekiant sumažinti visos sistemos energijos suvartojimą, vengiama didesnių dažnių. Sistema, sudaryta iš LCD ir tvarkyklių, sunaudotų mažai srovės, mikroamperų tvarka. Dėl to jie puikiai tinka mažos galios ir akumuliatoriaus energijos šaltiniams.

Tolesniuose skyriuose išsamiai pateikiamas LCD statinės tvarkyklės su „GreenPAK“įrenginiu, galinčio generuoti galinio plokštumos laikrodžio signalą ir atskiro segmento laikrodžio signalą, skirtas komerciniam LCD, dizainas.

2 žingsnis: „GreenPAK Design“pagrindinė blokinė schema

Blokinė schema, iliustruojanti „GreenPAK“dizainą, parodyta 3 paveiksle. Pagrindiniai konstrukcijos blokai yra „I²C“sąsaja, išvesties segmento tvarkyklė, vidinis osciliatorius ir laikrodžio šaltinio parinkiklis.

„I²C“sąsajos blokas valdo kiekvieną atskirą segmento išvestį ir LCD ekraną. I²C sąsajos blokas yra vienintelė sistemos įvestis segmento išvesties valdymui.

Kai nustatyta vidinio segmento valdymo linija (aukštas lygis), atitinkamas LCD segmentas yra tamsiai nepermatomas. Kai vidinio segmento valdymo linija nustatoma iš naujo (žemas lygis), atitinkamas LCD segmentas yra skaidrus.

Kiekviena vidinio segmento valdymo linija yra prijungta prie išvesties tvarkyklės. Išvesties segmento tvarkyklės blokas sugeneruos fazinio laikrodžio signalą, susijusį su užpakalinės plokštės laikrodžiu skaidriems segmentams. Tamsiuose segmentuose šis signalas yra ne fazėje ir yra susijęs su atgaliniu laikrodžiu.

Galinio plokštės laikrodžio šaltinis taip pat pasirinktas naudojant I²C sąsają. Pasirinkus vidinio laikrodžio laikrodžio šaltinį, įjungiamas vidinis osciliatorius. Vidinis generatorius sukurs 48 Hz laikrodžio dažnį. Šį signalą naudos išvesties segmento tvarkyklės blokas ir jis bus nukreiptas į galinės plokštės laikrodžio išvesties kaištį („GreenPAK“kaištis 20).

Pasirinkus išorinio laikrodžio laikrodžio šaltinį, vidinis osciliatorius yra išjungtas. Išvesties segmento tvarkyklės nuoroda yra išorinis laikrodžio įvestis („GreenPAK“kaištis 2). Tokiu atveju galinės plokštės laikrodžio išvesties kaištis gali būti naudojamas kaip papildoma segmento valdymo linija - segmentas OUT15.

Toje pačioje I²C linijoje galima naudoti daugiau nei vieną „GreenPAK“įrenginį. Norėdami tai padaryti, kiekvienas įrenginys turi būti užprogramuotas skirtingu I²C adresu. Tokiu būdu galima išplėsti valdomų LCD segmentų skaičių. Vienas įrenginys sukonfigūruotas generuoti galinio plano laikrodžio šaltinį, valdantį 14 segmentų, o kiti sukonfigūruoti naudoti išorinį planinės plokštės laikrodžio šaltinį. Kiekvienas papildomas įrenginys tokiu būdu galėtų vairuoti daugiau nei 15 segmentų. Prie tos pačios I²C linijos galima prijungti iki 16 įrenginių, tada galima valdyti iki 239 LCD segmentų.

Šioje instrukcijoje ši idėja naudojama 29 LCD segmentams valdyti su 2 „GreenPAK“įrenginiais. Įrenginio kištuko funkcijos apibendrintos 1 lentelėje.

3 žingsnis: suprojektuokite srovės suvartojimą

Svarbus šio dizaino klausimas yra dabartinis suvartojimas, kuris turėtų būti kuo mažesnis. „GreenPAK“įrenginio apskaičiuota ramybės srovė yra 0,75 µA, kai veikia 3,3 V maitinimas, ir 1,12 µA, kai veikia 5 V maitinimo šaltinis. Dabartinis vidinio osciliatoriaus sunaudojimas yra 7,6 µA ir 8,68 µA atitinkamai 3,3 V ir 5 V maitinimo šaltinio veikimui. Tikimasi, kad dėl perjungimo nuostolių srovės suvartojimas nepadidės, nes ši konstrukcija veikia žemu laikrodžio dažniu. Apskaičiuota maksimali srovė, naudojama šiai konstrukcijai, yra mažesnė nei 15 µA, kai vidinis generatorius įjungtas, ir 10 µA, kai vidinis generatorius yra išjungtas. Abiejose situacijose sunaudota išmatuota srovė rodoma skyriuje Bandymų rezultatai.

4 žingsnis: „GreenPAK“įrenginio schema

Projektas, sukurtas „GreenPAK“programinėje įrangoje, parodytas 4 paveiksle. Ši schema bus aprašyta naudojant pagrindines blokų diagramas kaip nuorodą.

5 žingsnis: „I²C“sąsaja

„I²C“sąsajos blokas naudojamas kaip pagrindinis prietaiso veikimo valdymo blokas. Blokinių jungčių ir sukonfigūruotų savybių artimas vaizdas parodytas 5 paveiksle.

Šis blokas prijungtas prie PIN 8 ir PIN 9, kurie yra atitinkamai I²C SCL ir SDA kaiščiai. Įrenginio viduje esantis I²C blokas siūlo 8 virtualius įėjimus. Pradinė kiekvienos virtualios įvesties vertė rodoma ypatybių lange (žr. 5 pav.). Virtualios įvestys nuo OUT0 iki OUT6 naudojamos kaip segmento valdymo linijos. Šios valdymo linijos atitinka 1 ir 7 segmentų išvestis ir yra prijungtos prie segmento išvesties tvarkyklės. Virtuali įvestis OUT7 naudojama kaip galinio plano laikrodžio šaltinio parinkimo linijos valdiklis, tinklo pavadinimas BCKP_SOURCE. Šį tinklą projektuojant naudos kiti blokai. I²C valdymo kodas sukonfigūruotas su skirtinga kiekvieno projekto IC reikšme.

Asinchroninės būsenos mašinos (ASM) išvestyje yra dar 8 vidinio segmento valdymo linijos, kaip parodyta 6 paveiksle. Segmento išvesties 8 eilutė (SEG_OUT_8 ypatybių lange) per 15 segmento išvesties eilutę (SEG_OUT_15) yra valdoma ASM išvesties esant 0 būsenai. ASM bloke nėra jokio būsenos perėjimo, jis visada yra 0 būsenoje. ASM išėjimai yra prijungtas prie segmentų išvesties tvarkyklių.

Segmento išvesties tvarkyklės sukurs įrenginio išvesties signalą.

6 veiksmas: išvesties segmento tvarkyklė

Išvesties segmento tvarkyklė iš esmės yra paieškos lentelė (LUT), sukonfigūruota kaip XOR loginis prievadas. Kiekvienam išvesties segmentui tai turi būti XOR prievadas, prijungtas prie segmento valdymo linijos ir galinio laikrodžio (BCKP_CLOCK). XOR prievadas yra atsakingas už fazinio ir ne fazinio signalo generavimą į išvesties segmentą. Kai segmento valdymo linija yra aukšto lygio, XOR prievado išvestis apvers atgalinės plokštės laikrodžio signalą ir sugeneruos ne fazės signalą į segmento kaištį. Įtampos skirtumas tarp LCD plokštės ir LCD segmento šiuo atveju nustatys LCD segmentą kaip tamsų segmentą. Kai segmento valdymo linija yra žemo lygio, XOR prievado išvestis seka laikrodžio laikrodžio signalą ir tada generuoja fazinį signalą segmento kaiščiui. Kadangi šiuo atveju įtampa tarp LCD galinės plokštės ir segmento netaikoma, segmentas yra skaidrus šviesai.

7 veiksmas: vidinio osciliatoriaus ir galinio plano laikrodžio šaltinio valdymas

Vidinis osciliatorius naudojamas, kai signalas BCKP_CLOCK iš I²C sąsajos yra nustatytas aukšto lygio. Išsamus laikrodžio šaltinio valdymo schemos vaizdas parodytas 7 paveiksle.

Osciliatorius yra sukonfigūruotas kaip 25 kHz RC dažnis, o didžiausias išėjimo daliklis yra prieinamas osciliatoriuje OUT0 (8/64). Visa konfigūracija matoma ypatybių lange, parodytame 7 paveiksle. Tokiu būdu vidinis generatorius sukurs 48 Hz laikrodžio dažnį.

Osciliatorius yra aktyvus tik tada, kai BCKP_SOURCE signalas yra aukšto lygio kartu su POR signalu. Šis valdymas atliekamas prijungus šiuos du signalus prie 4-L1 LUT NAND prievado. Tada NAND išėjimas yra prijungtas prie generatoriaus išjungimo valdymo kaiščio įvesties.

Signalas BCKP_SOURCE valdo MUX, sukurtą naudojant 3-L10 LUT. Kai BCKP_SOURCE signalas yra žemo lygio, galinio plokštės laikrodžio šaltinis gaunamas iš PIN2. Kai šis signalas yra aukšto lygio, galinio plokštumos laikrodžio šaltinis ateina iš vidinio osciliatoriaus.

8 veiksmas: „Backplane“laikrodžio išvestis arba 15 segmento išvesties kaiščio valdymas

Šios konstrukcijos kaištis 20 turi dvigubą funkciją, kuri priklauso nuo pasirinkto laikrodžio laikrodžio šaltinio. Šio kaiščio veikimas valdomas naudojant vieną 4 įvesties LUT, kaip parodyta 8 paveiksle. Naudojant 4 bitų LUT, XOR prievado veikimą galima susieti su išėjimu MUX. Kai BCKP_SOURCE signalas yra aukšto lygio, LUT išvestis seka vidinį osciliatoriaus laikrodį. Tada kaištis 20 veikia kaip galinio laikrodžio išėjimas. Kai BCKP_SOURCE signalas yra žemo lygio, LUT išėjimas bus XOR operacija tarp SEG_OUT_15, iš ASM išvesties ir atgalinio laikrodžio signalo. Šiai operacijai atlikti skirta 4 bitų LUT konfigūracija parodyta 8 paveiksle.

9 žingsnis: LCD sistemos prototipas

Norėdami pademonstruoti „GreenPAK“dizaino sprendimo naudojimą, ant duonos lentos buvo sumontuotas LCD sistemos prototipas. Prototipui septynių segmentų 4 skaitmenų statinį skystųjų kristalų ekraną valdo du „GreenPAK“įrenginiai DIP plokštėje. Vienas įrenginys (IC1) naudoja vidinį osciliatorių LCD galinei plokštumai valdyti, o kitas įrenginys (IC2) naudoja šį signalą kaip atgalinės plokštės įvesties atskaitos tašką. Abu IC yra valdomi per I²C sąsają naudojant STM32F103C8T6 mikrovaldiklį (MCU) minimalioje kūrimo plokštėje.

9 paveiksle parodyta jungčių tarp dviejų „GreenPAK“IC, LCD ekrano ir MCU plokštės schema. Schemoje „GreenPAK“įrenginys su U1 (IC1) nuoroda valdo vieną ir du LCD skaitmenis (LCD kairėje pusėje). „GreenPAK“įrenginys su U2 (IC2) nuoroda valdo tris ir keturis LCD skaitmenis ir COL segmentą (LCD dešinėje). Abiejų prietaisų maitinimas gaunamas iš mikrovaldiklio kūrimo plokštės reguliatoriaus. Pridedami du nuimami jungikliai tarp kiekvieno „GreenPAK“įrenginio maitinimo šaltinio ir VDD kaiščių, kad būtų galima matuoti srovę naudojant multimetrą.

Surinkto prototipo nuotrauka parodyta 10 paveiksle.

10 veiksmas: I²C LCD valdymo komandos

Du duonos lentos „GreenPAK“įrenginiai yra užprogramuoti pagal tą pačią konstrukciją, išskyrus „Control Byte“vertę. IC1 valdymo baitas yra 0 (I²C adresas 0x00), o I²C valdymo baitas yra 1 (I²C adresas 0x10). Ryšiai tarp ekrano segmentų ir įrenginių tvarkyklių apibendrinti aukščiau esančioje lentelėje.

Jungtys buvo parinktos taip, kad būtų sukurta aiškesnė schema ir supaprastintas duonos plokštės jungčių surinkimas.

Segmento išvestį valdo I²C rašymo komandos į I²C virtualias įvestis ir ASM išvesties registrus. Kaip aprašyta taikymo pastaboje AN-1090 paprasti I²C IO valdikliai su SLG46531V (žr. Taikymo pastabą AN-1090 paprasti I²C IO valdikliai su SLG46531V, „Dialog Semiconductor“), I²C rašymo komanda yra sudaryta taip:

● Pradėti;

● Valdymo baitas (R/W bitas yra 0);

● „Word“adresas;

● Duomenys;

● Sustabdyti.

Visos „I²C“rašymo komandos yra sudarytos į „Word“adresą 0xF4 (I²C virtualios įvestys) ir 0xD0 (ASM išvestis 0 būsenai). Komandos rašyti IC1 ir valdyti LCD 1 ir 2 skaitmenis yra apibendrintos 3 lentelėje. Komandų sekos atvaizdavime atidarytas skliaustas „[“reiškia pradžios signalą, o uždarymo skliaustas „]“žymi sustabdymo signalą.

Du baitai aukščiau valdo skystųjų kristalų 1 ir 2 skaitmenų segmentus. Čia požiūris yra naudoti individualią peržiūros lentelę (LUT) programinėje įrangoje kiekvienam skaitmeniui, atsižvelgiant į abiejų baitų segmentus. Baitų vertės iš peržiūros lentelės turi būti sumaišytos naudojant operaciją bitų arba OR ir tada siunčiamos į IC. 4 lentelėje parodyta baitų0 ir baitų1 reikšmė kiekvienai skaitinei vertei, kuri turėtų būti parašyta kiekviename rodomame skaitmenyje.

Pavyzdžiui, norint į 1 skaitmenį įrašyti skaičių 3, o į 2 skaitmenį - 4, baitas0 yra 0xBD (0x8D bitų arba ORx su 0xB0), o 1 baitas yra 0x33 (0x30 bitų arba 0x03).

Komanda rašyti IC2 ir valdyti 3 ir 4 skaitmenis aprašyta 5 lentelėje.

3 ir 4 skaitmenų valdymo logika yra panaši į 1 ir 2 skaitmenų valdymą. 6 lentelėje parodytas šių dviejų skaitmenų LUT.

IC2 skirtumas yra COL segmentas. Šį segmentą valdo „Byte1“. Jei norite nustatyti šį segmentą tamsų, reikia atlikti operaciją tarp bitų arba baitą1 ir reikšmę 0x40.

11 veiksmas: I²C komandos LCD testui

LCD testui MCU plokštės programinė įranga buvo sukurta C kalba. Ši programinė įranga siunčia komandų seką abiems duonos plokštės IC. Šios programinės aparatinės įrangos šaltinio kodas yra priedo skyriuje. Visas sprendimas buvo sukurtas naudojant „Atollic TrueStudio“, skirtą STM32 9.0.1 IDE.

Komandų seka ir atitinkamos ekrane rodomos vertės apibendrintos 7 lentelėje.

12 žingsnis: bandymo rezultatai

Prototipo bandymas susideda iš ekrano verčių patikrinimo po MCU komandos ir kiekvieno IC matavimo srovės nusėdimo.

Kiekvienos komandos vertės LCD nuotraukos pateiktos 8 lentelėje.

Kiekvieno prietaiso srovės kriauklė buvo išmatuota naudojant multimetrą, mažiausią srovės diapazoną - 200 µA. Kiekvieno prietaiso išmatuotos srovės nuotraukos paleidimo ir įprasto veikimo metu pateiktos 9 lentelėje.

Išvada ir rezultatų aptarimas

Buvo pristatytas mažos galios statinio LCD tvarkyklės su „GreenPAK“įrenginiu dizainas. Šis dizainas aiškiai parodo vieną iš didžiausių „GreenPAK“įrenginių savybių: mažą jų ramybės srovę. Kadangi „GreenPAK“įrenginiai yra aparatinės įrangos sprendimas, galima dirbti žemu dažniu, šiuo atveju-48 Hz. MCU pagrįstam sprendimui reikės didesnio veikimo dažnio, net ir periodiškai trumpam laikui, ir tada jis sunaudos daugiau energijos. Palyginus „GreenPAK“įrenginį su CPLD (kompleksiniu programuojamu loginiu įrenginiu), akivaizdu, kad paprastai CPLD ramybės srovė yra didesnė nei 20 µA.

Įdomu pastebėti, kad šį dizainą būtų galima lengvai pakeisti, kad jis geriau atitiktų konkretaus projekto reikalavimus. Geras pavyzdys yra segmento valdiklių kištukas. Juos būtų galima lengvai pakeisti, kad vienu metu būtų supaprastinta spausdintinė plokštė ir programinės įrangos kūrimas. Tai įdomi funkcija, kai prietaisas lyginamas su jau parduodamu ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Paprastai ASIC yra suprojektuoti taip, kad tilptų įvairiose programose, ir prieš operaciją turėtų būti parašyta pradinė programinės įrangos tvarka, kad būtų tinkamai sukonfigūruotas IC. Galima sukonfigūruoti įrenginį, kad jis būtų paruoštas naudoti po įjungimo. Tokiu būdu galima sutrumpinti programinės įrangos kūrimo laiką pradinei IC konfigūracijai.

Programos šaltinio kodą rasite čia, A priede.