I²C интерфейсімен статикалық СКД драйверін қалай жасауға болады: 12 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:22

Сұйық кристалды дисплейлер (СКД) жақсы көрнекі қасиеттерге, төмен бағаға және қуатты аз тұтынуға байланысты коммерциялық және өндірістік мақсаттарда кеңінен қолданылады. Бұл қасиеттер СКД-ны портативті аспаптар, калькуляторлар, сағаттар, радиолар және т.б сияқты батареямен жұмыс істейтін құрылғылар үшін стандартты шешім етеді.

Дегенмен, СКД көрсететін нәрсені дұрыс басқару үшін, СКД электронды драйвері СКД түйреуіштеріне сәйкес кернеудің толқындық формаларын жасауы керек. Толқындық формалар айнымалы ток болуы керек, себебі тұрақты кернеу (тұрақты ток) құрылғыны біржола бұзады. Сәйкес драйвер бұл сигналдарды СКД -ге ең аз қуат тұтынумен жеткізеді.

СКД -дің екі түрі бар, статикалық, тек бір ғана артқы панелі мен сегментті жеке басқаруға арналған түйреуіші бар, және әр түйреуішке бірнеше артқы панелі мен бірнеше сегменттері қосылған мультиплексті.

Бұл нұсқаулық SLG46537V GreenPAK ™ құрылғысы бар бір статикалық СКД драйверінің дизайнын ұсынады. Жобаланған СКД драйвері қуат көзінен бірнеше микроампер токты қолдана отырып, 15 СКД сегментіне дейін басқарады және басқаруға I²C интерфейсін ұсынады.

Келесі бөлімдерде көрсетіледі:

● СКД туралы негізгі білім туралы ақпарат;

● SLG46537V GreenPAK LCD драйверінің дизайны егжей -тегжейлі;

● екі GreenPAK құрылғысы бар жеті сегментті, 4 санды статикалық СКД қалай жүргізу керек.

Төменде I²C интерфейсі бар статикалық СКД драйверін құру үшін шешім қалай бағдарламаланғанын түсіну үшін қажет қадамдарды сипаттадық. Алайда, егер сіз бағдарламалаудың нәтижесін алғыңыз келсе, GreenPAK бағдарламалық жасақтамасын жүктеп алып, аяқталған GreenPAK дизайн файлын қараңыз. GreenPAK әзірлеу жинағын компьютерге қосыңыз және I²C интерфейсі бар статикалық СКД драйверін жасау үшін бағдарламаны басыңыз.

1 -қадам: Сұйық кристалды дисплей негіздері

Сұйық кристалды дисплейлер (СКД) - бұл жарық шығармайтын технология, ол тек сыртқы жарық көзінің қалай өтетінін басқарады. Бұл сыртқы жарық көзі рефлексивті дисплей түріндегі қоршаған орта жарығы немесе трансмиссивті дисплей түріндегі артқы жарық диодты немесе шамның жарығы болуы мүмкін. СКД шыныдан жасалған екі пластинадан (жоғарғы және төменгі), олардың арасында сұйық кристалдан (LC) жұқа қабаттан және екі жарық поляризаторынан тұрады (AN-001 қосымшасы-СКД технологиясының негіздері, Hitachi, AN-005 қосымшасы-Дисплей) Поляризатор - бұл жарықтың электромагниттік өрісінің жарық сүзгісі. Поляризатордан электромагниттік өрістің дұрыс бағытындағы жарық компоненттері ғана өтеді, ал басқа компоненттер бұғатталған.

Сұйық кристалл - жарықтың электромагниттік өрісін 90 градус немесе одан да көп айналдыратын органикалық материал. Алайда, электр өрісі LC -ге қолданылғанда, ол енді жарықты айналдырмайды. Үстіңгі және төменгі дисплей әйнегіне мөлдір электродтарды қосқанда, жарықтың қашан өтетінін, ал өтпеген кезде - электр өрісінің сыртқы көзімен басқаруға болады. 1-суретте (AN-001 қосымшасы туралы ескертуді қараңыз-LCD технологиясының негіздері, Hitachi) жоғарыда аталған операциялық басқару суреті көрсетілген. 1 -суретте электр өрісі болмаған кезде дисплей күңгірт болады. Себебі екі поляризатор да жарықты бір бағытта сүзеді. Егер поляризаторлар ортогоналды болса, онда электр өрісі болған кезде дисплей күңгірт болады. Бұл рефлексиялық дисплейлер үшін ең жиі кездесетін жағдай.

СКД -ны басқару үшін ең аз электр өрісі немесе кернеу ҚОСУ шегі деп аталады. LC тек кернеуден әсер етеді, ал LC материалында ток болмайды. СКД электродтары шағын сыйымдылықты құрайды және бұл жүргізуші үшін жалғыз жүктеме. Бұл СКД визуалды ақпаратты көрсетуге арналған қуаты төмен құрылғы болуының себебі.

Айта кету керек, СКД тұрақты токтың тұрақты ток кернеуімен ұзақ жұмыс істей алмайды. Тұрақты кернеуді қолдану LC материалында химиялық реакцияларды тудырады, оны біржола зақымдайды (AN-001 қосымшасы-LCD технологиясының негіздері, Hitachi). Шешім - СКД электродтарына балама кернеуді (айнымалы ток) қолдану.

Статикалық СКД -де артқы панельді электрод бір әйнекке салынған, ал екінші әйнекке СКД -нің жеке сегменттері немесе пиксельдері салынған. Бұл қарапайым СКД түрлерінің бірі және контраст коэффициенті жақсы. Дегенмен, дисплейдің бұл түрі әдетте әрбір жеке сегментті басқару үшін тым көп түйреуіштерді қажет етеді.

Жалпы алғанда, драйвер контроллері артқы панель үшін төртбұрышты сағат сигналын және алдыңғы жазықтықтағы сегменттер үшін сағат сигналын қосады. Артқы панельдегі сағат сегменттік сағатпен фазада болғанда, екі жазықтық арасындағы түбірлік-орташа квадраттық кернеу нөлге тең, ал сегмент мөлдір болады. Әйтпесе, егер RMS кернеуі LCD ON шекті мәнінен жоғары болса, сегмент күңгірт болады. Артқы панель, қосу және өшіру сегментінің толқындық формалары 2-суретте көрсетілген. Суретте көрініп тұрғандай, ON сегменті артқы панель сигналына қатысты фазадан тыс. Өшіру сегменті артқы панель сигналына қатысты фазада болады. Қолданылатын кернеу төмен және қуатты дисплейлер үшін 3 пен 5 вольт аралығында болуы мүмкін.

СКД артқы панелі мен сегменттері үшін сағаттық сигнал әдетте СКД -де визуалды жыпылықтау әсерін болдырмау үшін ең төменгі жиілік 30 -дан 100 Гц диапазонында болады. Жалпы жүйенің энергия тұтынуын азайту үшін жоғары жиіліктерден аулақ болыңыз. СКД мен драйверлерден тұратын жүйе микроамперлер ретімен аз ток жұмсайды. Бұл оларды қуаты аз және аккумуляторлық қуат көздері үшін өте қолайлы етеді.

Келесі бөлімдерде коммерциялық СКД үшін артқы панельдік сағат сигналын және жеке сегменттік сағат сигналын шығара алатын GreenPAK құрылғысы бар СТД статикалық драйверінің дизайны егжей -тегжейлі ұсынылған.

2 -қадам: GreenPAK дизайнының негізгі блок -схемасы

GreenPAK дизайнын көрсететін блок -схема 3 -суретте көрсетілген. Дизайнның негізгі блоктары - I²C интерфейсі, шығыс сегментінің драйвері, ішкі осциллятор және артқы панельдегі сағат көзінің селекторы.

I²C интерфейстік блогы әрбір жеке сегмент шығысын және СКД -дің артқы панельдегі сағат көзін басқарады. I²C интерфейс блогы сегменттің шығуын басқаруға арналған жалғыз жүйе кірісі болып табылады.

Ішкі сегментті басқару желісі орнатылған кезде (жоғары деңгей) СКД сәйкес сегменті күңгірт болады. Ішкі сегментті басқару желісі қалпына келтірілгенде (төмен деңгей) СКД сәйкес сегменті мөлдір болады.

Әрбір ішкі сегментті басқару желісі шығыс драйверіне қосылған. Шығару сегментінің драйверлер блогы мөлдір сегменттер үшін артқы панельдің сағатына қатысы бар фазалық сағат сигналын шығарады. Қараңғы сегменттер үшін бұл сигнал артқы панельдің сағатына қатысты фазадан тыс.

Артқы панельдегі сағат көзі I²C интерфейсімен де таңдалады. Ішкі артқы панельдегі сағат көзі таңдалған кезде, ішкі осциллятор қосылады. Ішкі осциллятор 48 Гц жиілікті генерациялайды. Бұл сигнал шығыс сегментінің драйверлер блогында пайдаланылады және артқы панельдің шығыс түйреуішіне бағытталады (GreenPAK түйреуіші 20).

Сыртқы артқы панельдегі сағат көзі таңдалған кезде, ішкі осциллятор өшіріледі. Шығару сегменті драйверінің сілтемесі - артқы панельдің сыртқы кірісі (GreenPAK pin 2). Бұл жағдайда артқы панельдің шығыс түйреуішін OUT15 сегментін басқарудың қосымша желісі ретінде пайдалануға болады.

Бір I²C желісінде бірнеше GreenPAK құрылғысын қолдануға болады. Ол үшін әр құрылғы басқа I²C адресімен бағдарламалануы керек. Осылайша СКД сегменттерінің санын көбейтуге болады. Бір құрылғы 14 сегментті басқаратын, артқы панельдегі сағат көзін құруға конфигурацияланған, ал қалғандары сыртқы панельдік сағат көзін пайдалануға теңшелген. Әрбір қосымша құрылғы осылайша 15 сегментті басқара алады. Бір I²C желісінде 16 құрылғыға дейін қосуға болады, содан кейін СКД 239 сегментіне дейін басқаруға болады.

Бұл нұсқаулықта бұл идея GreenPAK 2 құрылғысы бар СКД 29 сегментін басқару үшін қолданылады. Құрылғыны бекіту функциясы 1 кестеде жинақталған.

3 -қадам: ағымдағы тұтынуды жобалау

Бұл дизайндағы маңызды мәселе - бұл ағымдағы тұтыну, ол мүмкіндігінше төмен болуы керек. GreenPAK құрылғысының есептелген тыныштық тогы 3,3 В кернеуі үшін 0,75 мкА құрайды және 5 В кернеу үшін 1,12 мкА құрайды. Ішкі осциллятордың ағымдағы шығыны тиісінше 3,3 В және 5 В қуат көзінің жұмысы үшін 7,6 мкА және 8,68 мкА құрайды. Коммутациялық шығындардан ағымдағы тұтынудың айтарлықтай өсуі күтілмейді, себебі бұл конструкция төмен сағат жиілігінде жұмыс істейді. Бұл конструкция үшін тұтынылатын есептік максималды ток ішкі осциллятор қосылғанда 15 мкА -дан төмен, ал ішкі осциллятор өшірілгенде 10 мкА төмен. Екі жағдайда да тұтынылатын өлшенетін ток Бөлім тестінің нәтижелерінде көрсетілген.

4 -қадам: GreenPAK құрылғысының схемасы

GreenPAK бағдарламалық жасақтамасында жасалған жоба 4 -суретте көрсетілген. Бұл схема сілтеме ретінде негізгі блоктардың диаграммаларын қолдана отырып сипатталады.

5 -қадам: I²C интерфейсі

I²C интерфейстік блогы құрылғының жұмысын басқарудың негізгі басқару блогы ретінде қолданылады. Блоктық қосылулар мен конфигурацияланған қасиеттердің жақын көрінісі 5 -суретте көрсетілген.

Бұл блок PIN 8 мен PIN 9 -ға қосылған, олар сәйкесінше I²C SCL және SDA түйреуіштері. Құрылғының ішінде I²C блогы 8 виртуалды кірісті ұсынады. Әрбір виртуалды енгізу үшін бастапқы мән қасиеттер терезесінде көрсетілген (5 суретті қараңыз). OUT0 -дан OUT6 -ға дейінгі виртуалды кірістер сегментті басқару жолдары ретінде қолданылады. Бұл басқару сызықтары 1 сегментінің шығысына 7 сегментінің шығысына сәйкес келеді және сегменттің шығыс драйверіне қосылады. Виртуалды енгізу OUT7 BCKP_SOURCE таза атауы бар, артқы панельдегі сағат көзін таңдау желісінің басқару элементі ретінде қолданылады. Бұл торды дизайндағы басқа блоктар қолданады. I²C басқару коды жобадағы әр IC үшін басқа мәнмен конфигурацияланған.

Асинхронды күй машинасының (ASM) шығысында жоғарыдағы 6 -суретте көрсетілгендей сегментті басқарудың тағы 8 ішкі желісі бар. 15 сегментінің шығыс сызығы 15 (SEG_OUT_15) арқылы сегменттің шығу жолы 8 (сипаттар терезесінде SEG_OUT_8) 0 күйінде ASM шығысымен басқарылады. ASM блогында ешқандай күй ауысуы жоқ, ол әрқашан 0 күйінде болады. ASM шығысы сегменттік шығыс драйверлеріне қосылған.

Сегменттің шығыс драйверлері құрылғының шығыс сигналын шығарады.

6 -қадам: шығыс сегментінің драйвері

Шығару сегментінің драйвері негізінен XOR логикалық порты ретінде конфигурацияланған Іздеу кестесі (LUT) болып табылады. Әрбір шығыс сегменті үшін ол сегментті басқару жолына және артқы панельдегі сағатқа (BCKP_CLOCK) қосылған XOR порты болуы керек. XOR порты шығыс сегментіне фазалық және фазадан тыс сигналды шығаруға жауапты. Сегментті басқару желісі жоғары деңгейде болғанда, XOR портының шығысы артқы панельдің сигналын аударады және сегменттің түйреуішіне фазадан тыс сигнал береді. СКД артқы панелі мен СКД сегменті арасындағы кернеудің айырмашылығы, бұл жағдайда СКД сегментін қараңғы сегмент ретінде орнатады. Сегментті басқару желісі төмен деңгейде болғанда, XOR портының шығысы артқы панельдің сағаттық сигналына сүйенеді, содан кейін сегменттің түйреуішіне фазалық сигнал береді. Бұл жағдайда СКД артқы панелі мен сегменті арасында кернеу қолданылмайтындықтан, сегмент жарыққа мөлдір болады.

7 -қадам: Ішкі осциллятор мен артқы панельдегі сағат көзін басқару

Ішкі осциллятор I²C интерфейсінен BCKP_CLOCK сигналы жоғары деңгейге қойылған кезде қолданылады. Сағат көзінің басқару схемасының жақын көрінісі жоғарыдағы 7 -суретте көрсетілген.

Осциллятор 25 кГц жиіліктегі жиілік ретінде конфигурацияланған, ең жоғары шығыс бөлгіш OUT0 (8/64) осцилляторында қол жетімді. Бүкіл конфигурация 7 -суретте көрсетілген қасиеттер терезесінде көрінеді. Осылайша ішкі осциллятор 48 Гц жиілік жиілігін шығарады.

Осциллятор тек BCKP_SOURCE сигналы POR сигналымен бірге жоғары деңгейде болғанда ғана белсенді болады. Бұл басқару осы екі сигналды 4-L1 LUT NAND портына қосу арқылы жүзеге асады. NAND шығысы осциллятордың сөндіруші басқару істігінің кірісіне қосылады.

BCKP_SOURCE сигналы 3-L10 LUT көмегімен жасалған MUX басқарады. BCKP_SOURCE сигналы төмен деңгейде болғанда, артқы панельдегі сағат көзі PIN2 -ден келеді. Бұл сигнал жоғары деңгейде болғанда, артқы панельдегі сағат көзі ішкі осциллятордан келеді.

8 -қадам: Артқы панельдегі сағат шығысы немесе сегмент 15 шығыс түйреуішін басқару

Бұл конструкциядағы 20 түйреуіштің қосарланған функциясы бар, ол артқы панельдің таңдалған сағат көзіне байланысты. Бұл істіктің жұмысы 8-суретте көрсетілгендей бір 4 кіріс LUT көмегімен басқарылады. 4-разрядты LUT көмегімен XOR портының жұмысын MUX шығысымен байланыстыруға болады. BCKP_SOURCE сигналы жоғары деңгейде болғанда, LUT шығысы ішкі осциллятордың сағаты бойынша жүреді. Содан кейін түйреуіш 20 артқы панельдің шығысы ретінде жұмыс істейді. BCKP_SOURCE сигналы төмен деңгейде болғанда, LUT шығысы ASM шығысынан SEG_OUT_15 арасындағы XOR операциясы мен артқы панельдік сағат сигналы болады. Бұл әрекетті орындау үшін 4 биттік LUT конфигурациясы 8-суретте көрсетілген.

9 -қадам: СКД жүйесінің прототипі

GreenPAK конструкторлық шешімінің қолданылуын көрсету үшін тақтаға СКД жүйесінің прототипі жиналды. Прототип үшін жеті сегменттен тұратын 4 сандық статикалық СКД DIP тақтасындағы екі GreenPAK құрылғысымен басқарылады. Бір құрылғы (IC1) СКД артқы панелін басқару үшін ішкі осцилляторды пайдаланады, ал екінші құрылғы (IC2) бұл сигналды артқы панельдің кіріс сілтемесі ретінде пайдаланады. Екі IC де минималды даму тақтасында STM32F103C8T6 микроконтроллерімен (MCU) I²C интерфейсінде басқарылады.

9 -суретте екі GreenPAK IC, СКД дисплейі мен MCU тақтасы арасындағы байланыстар схемасы көрсетілген. Схемада U1 (IC1) анықтамасы бар GreenPAK құрылғысы СКД бір және екі цифрды (СКД сол жағы) жүргізеді. U2 (IC2) анықтамасы бар GreenPAK құрылғысы СКД үш және төрт цифрларын, сонымен қатар COL сегментін (СКД оң жағы) басқарады. Екі құрылғы үшін де қуат көзі микроконтроллерді дамыту тақтасындағы реттегіштен келеді. Мультиметрмен ток өлшеу үшін әрбір GreenPAK құрылғысының қуат көзі мен VDD түйреуіштері арасындағы екі алынбалы секіргіш қосылады.

Жиналған прототиптің суреті 10 -суретте көрсетілген.

10 -қадам: СКД басқару үшін I²C командалары

Нан тақтасындағы GreenPAK екі құрылғысы Control Byte мәнін қоспағанда, бір дизайнмен бағдарламаланған. IC1 басқару байты - 0 (I²C адресі 0x00), ал I²C басқару байты - 1 (I²C мекенжайы 0x10). Дисплей сегменттері мен құрылғы драйверлері арасындағы байланыстар жоғарыдағы кестеде жинақталған.

Қосылымдар нақтырақ схема құру үшін және тақта қосылымдарын жинауды жеңілдету үшін осылайша таңдалды.

Сегменттің шығуын бақылау I²C виртуалды кірістері мен ASM шығыс регистрлеріне I²C жазу командалары арқылы жүзеге асады. SLG46531V бар AN-1090 қарапайым I²C IO контроллерлерінің қосымшасында сипатталғандай (SLG46531V, Dialog Semiconductor бар AN-1090 Simple I²C IO контроллерлерін қараңыз) I²C жазу пәрмені келесідей құрылымдалған:

● Бастау;

● Басқару байты (R/W биті - 0);

● Word адресі;

● Деректер;

● Тоқтату.

I²C жазудың барлық командалары Word 0xF4 (I²C виртуалды кірістері) және 0xD0 (0 күйі үшін ASM шығысы) Word мекенжайларына жасалған. IC1 -де жазуға және 1 және 2 -дисплейдегі СКР цифрларына арналған командалар 3 -кестеде жинақталған. Пәрмендер тізбегінің көрінісінде ашық жақша “[“Бастау сигналын, ал жақын жақшасы “]” Тоқтату сигналын білдіреді.

СКД 1 және 2 цифрларының басқару сегменттерінің үстіндегі екі байт бірге. Бұл жағдайда екі байттағы сегменттерді ескере отырып, әрбір цифр үшін бағдарламалық қамтамасыз етуде жеке іздеу кестесін (LUT) қолдану болып табылады. Іздеу кестесіндегі байт мәндерін бит бойынша НЕМЕСЕ әрекеті арқылы араластырып, содан кейін IC -ке жіберу керек. 4 -кестеде әрбір дисплей цифрында жазылуы тиіс әрбір сандық мән үшін Byte0 және Byte1 мәндері көрсетілген.

Мысалы, 1 -цифрға 3 санын, ал 2 -цифрда 4 санын жазу үшін, Byte0 - 0xBD (0x8D бит бойынша НЕМЕСЕ 0xB0) және 1 -байт - 0x33 (0x30 бит бойынша НЕМЕСЕ 0x03).

IC2 -де жазу командасы және 3 және 4 -цифрларды басқарады, 5 -кестеде сипатталған.

3 және 4 цифрларының басқару логикасы 1 және 2 сандарын басқаруға ұқсайды. 6 -кестеде осы екі цифр үшін LUT көрсетілген.

IC2 айырмашылығы - COL сегменті. Бұл сегментті Byte1 басқарады. Бұл сегментті күңгірт етіп орнату үшін, Byte1 мен 0x40 мәні арасындағы бит бойынша НЕМЕСЕ операция орындалуы керек.

11 -қадам: СКД сынағына арналған I²C командалары

СКД сынағы үшін MCU тақтасы үшін С тілінде микробағдарлама жасалды. Бұл микробағдарлама екі тақтадағы IC -ге командалар тізбегін жібереді. Бұл микробағдарламаның бастапқы коды Қосымша бөлімінде. Барлық шешім STM32 9.0.1 IDE үшін Atollic TrueStudio көмегімен жасалды.

Командалар реттілігі мен дисплейде көрсетілген сәйкес мәндер жоғарыдағы 7 -кестеде жинақталған.

12 -қадам: тест нәтижелері

Прототип сынағы MCU пәрменінен кейін дисплей мәндерін тексеруден және жұмыс кезінде әр ИК арқылы ағымдағы раковинаны өлшеуден тұрады.

Әрбір командалық мәнге арналған СКД суреттері жоғарыдағы 8 -кестеде көрсетілген.

Әр құрылғы үшін ағымдағы раковина мультиметрмен өлшенді, ең төменгі ток диапазонында 200 мкА. Әр құрылғы үшін іске қосылған кезде және қалыпты жұмыс кезінде өлшенетін токтың суреттері жоғарыдағы 9-кестеде көрсетілген.

Қорытынды мен нәтижені талқылау

GreenPAK құрылғысы бар төмен қуатты статикалық СКД драйверінің дизайны ұсынылды. Бұл дизайн GreenPAK құрылғыларының ең үлкен ерекшеліктерінің бірін көрсетеді: олардың төмен тыныш ток. GreenPAK құрылғылары аппараттық шешімдер болғандықтан, төмен жиілікті жұмыс кезінде жұмыс істеуге болады, бұл жағдайда 48 Гц. MCU негізіндегі шешім, тіпті қысқа мерзімді кезеңдерде де, жоғары жұмыс жиілігін қажет етеді, содан кейін көбірек қуат алады. Ал GreenPAK құрылғысын CPLD -мен (бағдарламаланатын күрделі логикалық құрылғы) салыстыра отырып, әдетте CPLD -де 20 мкА -дан жоғары тыныш ток болатыны анық.

Бір қызығы, бұл дизайн нақты жобаның талаптарына сәйкес келу үшін оңай өзгертілуі мүмкін. Жақсы мысал - бұл сегментті бекіту. Басып шығарылған тақтаны және бағдарламалық қамтамасыз етуді әзірлеуді жеңілдету үшін оларды оңай өзгертуге болады. Бұл құрылғыны дайын емес ASIC (қосымшаның арнайы интегралды схемасы) құрылғысымен салыстырған кезде қызықты мүмкіндік. Әдетте, ASIC кең ауқымды қосымшаларға сәйкес келуге арналған, ал операция алдында IC дұрыс конфигурациялау үшін бағдарламалық қамтамасыз етудің бастапқы тәртібі жазылуы керек. Конфигурацияланатын құрылғы қосылғаннан кейін пайдалануға дайын болуы мүмкін. Осылайша, IC бастапқы конфигурациясы үшін бағдарламалық қамтамасыз етуді әзірлеу уақытын қысқартуға болады.

Қолданбаның бастапқы кодын мына жерден табуға болады А қосымшасы.