כיצד ליצור נהג LCD סטטי עם ממשק I²C: 12 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

תצוגות קריסטל נוזלי (LCD) נמצאות בשימוש נרחב ליישומים מסחריים ותעשייתיים בגלל המאפיינים החזותיים הטובים שלהן, עלותן הנמוכה וצריכת החשמל הנמוכה. מאפיינים אלה הופכים את ה- LCD לפתרון הסטנדרטי עבור מכשירים המופעלים באמצעות סוללות, כמו מכשירים ניידים, מחשבונים, שעונים, מכשירי רדיו וכו '.

עם זאת, כדי לשלוט כראוי במה שמראה ה- LCD, מנהל ההתקן האלקטרוני של ה- LCD חייב ליצור צורות גל מתאימות לסיכות LCD. צורות הגל צריכות להיות בטבע AC (זרם חלופי) מאחר ומתחי DC (זרם ישר) יפגעו במכשיר לצמיתות. הנהג המתאים יביא את האותות הללו ל- LCD במינימום צריכת חשמל.

קיימים שני סוגים של מסכי LCD, הסטטי, עם מטוס אחורי אחד וסיכה אחת לשליטה בקטע קטע בודד, והמרובה, עם מטוסים אחוריים מרובים ומגזרים מרובים המחוברים לכל סיכה.

מדריך זה יציג את עיצובו של מנהל התקן LCD סטטי אחד עם מכשיר ™ GreenPAK ™ SLG46537V. מנהל התקן ה- LCD המעוצב יניע עד 15 קטעי LCD, תוך שימוש בכמה מיקרו אמפר של זרם מספק החשמל ויציע ממשק I²C לשליטה.

בחלקים הבאים יוצגו:

● מידע על ידע בסיסי על מסכי LCD;

● עיצוב נהג LCD GreenPAK SLG46537V בפירוט;

● כיצד להניע LCD סטטי בעל שבעה מגזרים וארבע ספרות עם שני התקני GreenPAK.

להלן תיארנו את הצעדים הדרושים להבין כיצד הפתרון תוכנת ליצירת מנהל התקן LCD סטטי עם ממשק I²C. עם זאת, אם אתה רק רוצה לקבל את התוצאה של התכנות, הורד את תוכנת GreenPAK כדי לצפות בקובץ העיצוב GreenPAK שכבר הושלם. חבר את ערכת הפיתוח של GreenPAK למחשב שלך והקש על תוכנית כדי ליצור את מנהל ההתקן הסטטי של LCD עם ממשק I²C.

שלב 1: יסודות תצוגות קריסטל נוזלי

תצוגות קריסטל נוזלי (LCD) היא טכנולוגיה שאינה פולטת אור, היא שולטת רק על דרך מקור האור החיצוני. מקור אור חיצוני זה יכול להיות אור הסביבה הזמין, בסוג התצוגה הרפלקטיבית, או האור מנורת תאורה אחורית או מנורה, בסוג תצוגה הולכת. מסכי LCD בנויים עם שני לוחות זכוכית (עליונים ותחתונים), שכבה דקה של גביש נוזלי (LC) ביניהם ושני מקטבי אור (הערת יישום AN-001-יסודות טכנולוגיית LCD, Hitachi, Application Note AN-005-תצוגה מצבים, היטאצ'י).הקוטב הוא מסנן אור לשדה האלקטרומגנטי האור. רק רכיבי האור בכיוון השדה האלקטרומגנטי הנכון עוברים במקטב, בעוד שאר הרכיבים חסומים.

הגביש הנוזלי הוא חומר אורגני שמסובב את השדה האלקטרומגנטי של האור 90 מעלות או יותר. עם זאת, כאשר שדה חשמלי מוחל על ה- LC הוא אינו מסובב את האור יותר. עם תוספת של אלקטרודות שקופות בזכוכית התצוגה העליונה והתחתונה, ניתן לשלוט מתי האור עובר, וכאשר לא, עם מקור חיצוני של השדה החשמלי. איור 1 (ראה הערת יישום AN-001-יסודות טכנולוגיית LCD, Hitachi) לעיל ממחיש בקרת פעולה זו. באיור 1, התצוגה כהה כאשר אין שדה חשמלי. הסיבה לכך היא ששני הקוטבים מסננים את האור באותו כיוון. אם המקטבים הם אורתוגונליים, התצוגה תהיה כהה כאשר השדה החשמלי קיים. זהו המצב השכיח ביותר עבור תצוגות רפלקטיביות.

השדה החשמלי המינימלי, או המתח, לשליטה ב- LCD נקרא סף הפעלה. ה- LC מושפע רק מהמתח, וכמעט אין זרם בחומר LC. האלקטרודות ב- LCD יוצרות קיבול קטן וזהו העומס היחיד לנהג. זו הסיבה לכך ש- LCD הוא מכשיר בעל צריכת חשמל נמוכה המציג מידע חזותי.

עם זאת, חשוב לציין כי ה- LCD אינו יכול לפעול עם מקור מתח (DC) זמן רב מדי. יישום מתח DC יגרום לתגובות כימיות בחומר LC, ויפגע בו לצמיתות (הערת יישום AN-001-יסודות טכנולוגיית LCD, Hitachi). הפתרון הוא להחיל מתח חלופי (AC) באלקטרודות LCD.

במסכי LCD סטטיים, אלקטרודה של המטוס האחורי בנויה בכוס אחת ומקטעי LCD בודדים, או פיקסלים, מוכנסים לזכוכית השנייה. זהו אחד מסוגי ה- LCD הפשוטים ביותר ועם יחס הניגודיות הטוב ביותר. עם זאת, סוג תצוגה זה בדרך כלל דורש יותר מדי סיכות כדי לשלוט בכל קטע בודד.

באופן כללי, בקר הנהג מקנה אות שעון גל מרובע עבור המטוס האחורי ואות שעון עבור הקטעים במטוס הקדמי יחד. כאשר השעון של המטוס האחורי נמצא בשלב עם שעון הקטע, מתח השורש ממוצע-ריבוע (RMS) בין שני המישורים הוא אפס, והקטע הוא שקוף. אחרת, אם מתח ה- RMS גבוה מסף ה- LCD ON, הקטע הופך לכהה. צורות הגל של קטע המטוס, הדלקה והכבה מוצגות באיור 2. כפי שניתן לראות באיור, קטע ה- ON נמצא מחוץ לפאזה ביחס לאות המטוס האחורי. קטע הכיבוי נמצא בשלב ביחס לאות המטוס האחורי. המתח המופעל יכול להיות בין 3 ל -5 וולט עבור תצוגות בעלות נמוכה ובספק נמוך.

אות השעון עבור המטוס האחורי והפלחים של LCD בדרך כלל נמצאים בטווח של 30 עד 100 הרץ, התדר המינימלי כדי להימנע מהשפעת הבהוב חזותי על LCD. תדרים גבוהים יותר נמנעים כדי להפחית את צריכת החשמל של המערכת הכוללת. המערכת המורכבת מ- LCD ומנהגים תצרוך מעט זרם, בסדר גודל של מיקרו -אמפר. זה הופך אותם למתאימים באופן מושלם ליישומי מקור של הספק נמוך וסוללה.

בחלקים הבאים מוצג בפירוט עיצובו של מנהל התקן סטטי של LCD עם מכשיר GreenPAK שיכול לייצר את אות השעון האחורי של המטוס ואת אות השעון הבודד עבור LCD מסחרי.

שלב 2: תרשים בלוק בסיסי של GreenPAK Design

תרשים בלוקים הממחיש את עיצוב GreenPAK מוצג באיור 3. הבלוקים הבסיסיים של העיצוב הם ממשק I²C, מנהל ההתקן של קטע הפלט, המתנד הפנימי ובורר מקור השעון האחורי של המטוס.

בלוק ממשק I²C שולט בכל פלט קטע בודד ובמקור השעון של המטוס האחורי של ה- LCD. בלוק ממשק I²C הוא קלט המערכת היחיד לבקרת פלט קטע.

כאשר קו השליטה הפנימי של הפלח מוגדר (רמה גבוהה) קטע ה- LCD המתאים אטום כהה. כאשר קו הבקרה הפנימי של הפלח מאופס (רמה נמוכה) קטע ה- LCD המתאים שקוף.

כל קו בקרת קטע פנימי מחובר למנהל התקן פלט. בלוק הדרייבר של קטע הפלט ייצור אות שעון תוך שלב עם יחס לשעון המטוס האחורי עבור מקטעים שקופים. עבור מקטעים כהים, אות זה הוא מחוץ לשלב עם הקשר לשעון המטוס האחורי.

מקור השעון של המטוס האחורי נבחר גם עם ממשק I²C. כאשר נבחר מקור השעון הפנימי של המטוס האחורי, המתנד הפנימי מופעל. המתנד הפנימי ייצר תדר שעון של 48 הרץ. אות זה ישמש את בלוק הנהג של קטע הפלט והוא מופנה אל סיכת הפלט של השעון האחורי (סיכה 20 של GreenPAK).

כאשר נבחר מקור השעון החיצוני של המטוס האחורי, המתנד הפנימי כבוי. הפניה לנהג קטע הפלט היא קלט השעון החיצוני של המטוס האחורי (פין GreenPAK 2). במקרה זה, סיכת הפלט של השעון האחורי יכולה לשמש כקו בקרת פלחים נוסף, הקטע OUT15.

ניתן להשתמש ביותר ממכשיר GreenPAK אחד באותו קו I²C. לשם כך, כל מכשיר חייב להיות מתוכנת עם כתובת I²C אחרת. בדרך זו ניתן להרחיב את מספר מקטעי ה- LCD המונעים. מכשיר אחד מוגדר ליצירת מקור השעון של המטוס האחורי, המניע 14 קטעים, והאחרים מוגדרים לשימוש במקור שעון חיצוני של המטוס האחורי. כל מכשיר נוסף יכול להניע יותר 15 מקטעים בדרך זו. ניתן לחבר עד 16 מכשירים באותו קו I²C ולאחר מכן ניתן לשלוט בעד 239 מקטעי LCD.

במדריך זה, רעיון זה משמש לשליטה על 29 מקטעי LCD עם 2 התקני GreenPAK. פונקציונליות pinout המכשיר מסוכמת בטבלה 1.

שלב 3: עיצוב צריכה נוכחית

דאגה חשובה בעיצוב זה היא הצריכה הנוכחית, שצריכה להיות נמוכה ככל האפשר. מכשיר GreenPAK מוערך כי זרם השקט הוא 0.75 µA לפעולת אספקת 3.3 V ו- 1.12 µA לפעולת אספקת 5 V. הצריכה הנוכחית של המתנד הפנימי היא 7.6 µA ו- 8.68 µA לפעולת אספקת חשמל של 3.3 V ו- 5 V בהתאמה. לא צפויה עליה משמעותית בצריכה הנוכחית מהפסדי מעבר, כי עיצוב זה פועל בתדר שעון נמוך. הזרם המקסימלי הנצרך לתכנון זה נמוך מ- 15 µA כאשר המתנד הפנימי מופעל, ו- 10 µA כשהמתנד הפנימי כבוי. הזרם הנמדד הנצרך בשני המצבים מוצג בתוצאות מבחן המדור.

שלב 4: סכמטי מכשיר GreenPAK

הפרויקט המתוכנן בתוכנת GreenPAK מוצג באיור 4. סכמטי זה יתואר באמצעות דיאגרמות הבלוקים הבסיסיים כהפניה.

שלב 5: ממשק I²C

בלוק ממשק I²C משמש כגוש הבקרה העיקרי של בקרת ההפעלה של המכשיר. מבט מקרוב לחיבורי הבלוק והמאפיינים המוגדרים מוצגים באיור 5.

בלוק זה מחובר ל- PIN 8 ו- PIN 9, כלומר סיכות I²C SCL ו- SDA בהתאמה. בתוך המכשיר, בלוק I²C מציע 8 כניסות וירטואליות. הערך ההתחלתי עבור כל קלט וירטואלי מוצג בחלון המאפיינים (ראה איור 5). כניסות וירטואליות מ- OUT0 עד OUT6 משמשות כקווי בקרת קטע. קווי בקרה אלה תואמים את פלט הפלח 1 לפלט הפלט 7 ומחוברים למנהל הפלט הפלח. קלט וירטואלי OUT7 משמש כבקרת קו בורר מקור שעון אחורי, עם שם נטו BCKP_SOURCE. רשת זו תשמש בלוקים אחרים בעיצוב. קוד הבקרה I²C מוגדר עם ערך שונה עבור כל IC בפרויקט.

8 קווי בקרת פלחים פנימיים נוספים זמינים בפלט המכונה האסינכרונית (ASM), כפי שמוצג באיור 6 לעיל. שורת פלט קטע 8 (SEG_OUT_8 בחלון המאפיינים) דרך קו פלט קטע 15 (SEG_OUT_15) נשלטים על ידי פלט ASM על מצב 0. אין כל מעבר מצב בבלוק ASM, הוא תמיד במצב 0. התפוקות של ASM הן מחובר למנהלי הפלט לפלח.

מנהלי הפלט של הפלח יפיקו את אות הפלט של המכשיר.

שלב 6: נהג פלח פלט

מנהל ההתקן של קטע הפלט הוא בעצם טבלת חיפוש (LUT) המוגדרת כיציאת לוגיקה של XOR. עבור כל קטע פלט, זה חייב להיות יציאת XOR המחוברת לקו הבקרה של הפלח ולשעון המטוס האחורי (BCKP_CLOCK). יציאת XOR אחראית על הפקת קטע האותות הפאזה והשלבי. כאשר קו הבקרה של הקטע נמצא ברמה גבוהה, פלט יציאת ה- XOR יהפוך את אות השעון של המטוס האחורי וייצר אות מחוץ לשלב לסיכת הפלח. הפרש המתח בין מטוס אחורי LCD לפלח LCD, במקרה זה, יגדיר את קטע ה- LCD כמקטע כהה. כאשר קו הבקרה של הקטע נמצא ברמה נמוכה, פלט יציאת XOR יעקוב אחר אות השעון של המטוס האחורי ולאחר מכן ייצר אות בשלב לשלב סיכה. מכיוון שבמקרה זה לא מופעל מתח בין ה- LCD האחורי לבין הקטע, הקטע שקוף לאור.

שלב 7: בקרת מקור מתנד פנימי ושעון אחורי

המתנד הפנימי משמש כאשר האות BCKP_CLOCK מממשק I²C מוגדר לרמה גבוהה. מבט מקרוב על דיאגרמת בקרת מקור השעון מוצג באיור 7 לעיל.

המתנד מוגדר כתדר RC של 25 קילוהרץ, עם מחלק הפלט הגבוה ביותר הזמין במתנד OUT0 (8/64). כל התצורה נראית בחלון המאפיינים המוצג באיור 7. באופן זה, המתנד הפנימי ייצר תדר שעון של 48 הרץ.

המתנד פעיל רק כאשר האות BCKP_SOURCE נמצא ברמה גבוהה יחד עם אות POR. שליטה זו מתבצעת על ידי חיבור שני האותות הללו ליציאת NAND של ה- 4-L1 LUT. פלט ה- NAND מחובר לאחר מכן לקלט סיכת הבקרה של המתח למטה.

האות BCKP_SOURCE שולט ב- MUX הבנוי עם 3-L10 LUT. כאשר האות BCKP_SOURCE נמצא ברמה נמוכה, מקור השעון של המטוס האחורי מגיע מ- PIN2. כאשר אות זה נמצא ברמה גבוהה מקור השעון של המטוס האחורי מגיע מהמתנד הפנימי.

שלב 8: תפוקת שעון מטוס אחורי או בקרת פינים של פלח 15

לפין 20 בעיצוב זה יש פונקציה כפולה, שתלויה במקור השעון של המטוס האחורי שנבחר. הפעולה של סיכה זו נשלטת על LUT קלט אחד 4, כפי שמוצג באיור 8. עם LUT של 4 סיביות, ניתן לשייך את פעולת יציאת XOR ליציאת MUX. כאשר האות BCKP_SOURCE נמצא ברמה גבוהה, פלט ה- LUT יעקוב אחר שעון המתנד הפנימי. ואז סיכה 20 פועלת כפלט שעון במטוס אחורי. כאשר האות BCKP_SOURCE נמצא ברמה נמוכה, פלט ה- LUT יהיה פעולת ה- XOR בין SEG_OUT_15, מפלט ASM, ואות השעון של המטוס האחורי. תצורת LUT 4 סיביות לביצוע פעולה זו מוצגת באיור 8.

שלב 9: אב טיפוס מערכת LCD

כדי להדגים את השימוש בפתרון העיצוב GreenPAK, הורכב אב טיפוס של מערכת LCD על לוח לחם. עבור אב הטיפוס, LCD סטטי בן ארבעה ספרות בן ארבעה ספרות מונע על ידי שני התקני GreenPAK על לוח DIP. מכשיר אחד (IC1) משתמש במתנד הפנימי כדי להניע את המטוס האחורי של ה- LCD, והמכשיר השני (IC2) משתמש באות זה כהפניית קלט אחורית. שני ה- IC נשלטים על ממשק I²C על ידי מיקרו -בקר STM32F103C8T6 (MCU) בלוח פיתוח מינימלי.

איור 9 מציג את סכמטי החיבורים בין שני ה- IC של GreenPAK, צג ה- LCD ולוח ה- MCU. בתרשים, מכשיר GreenPAK עם הפניה U1 (IC1) מניע את הספרה אחת ושתי LCD (צד שמאל). מכשיר GreenPAK עם הפניה U2 (IC2) מניע את הספרה LCD שלוש וארבע, פלוס קטע COL (צד ימין LCD). אספקת החשמל לשני המכשירים מגיעה מהרגולטור בלוח הפיתוח של המיקרו -בקר. שני מגשרים נשלפים בין ספק הכוח וסיכות ה- VDD של כל מכשיר GreenPAK מתווספים למדידת זרם עם מולטימטר.

תמונה של אב הטיפוס המורכב מוצגת באיור 10.

שלב 10: פקודות I²C לבקרת LCD

שני מכשירי ה- GreenPAK בלוח הלחם מתוכנתים באותו עיצוב, למעט לפי ערך הבריט הבקרה. בית הבקרה של IC1 הוא 0 (כתובת I²C 0x00), ואילו בית השליטה I²C הוא 1 (כתובת I²C 0x10). החיבורים בין פלחי תצוגה ומנהלי התקנים מסוכמים בטבלה לעיל.

החיבורים נבחרו בצורה זו כדי ליצור סכמטי ברור יותר ולפשט את הרכבת חיבורי לוח הלחם.

השליטה בפלט הקטע מתבצעת על ידי פקודות כתיבה I²C לכניסות וירטואליות I²C ולרשמי פלט ASM. כמתואר בהערת היישום AN-1090 בקרי IO IO פשוטים עם SLG46531V (ראו הערת יישום AN-1090 בקרי IO פשוטים I²C עם SLG46531V, Dialog Semiconductor), פקודת הכתיבה I²C בנויה כדלקמן:

● התחל;

● בית הבקרה (סיביות R/W הוא 0);

● כתובת מילה;

● נתונים;

● עצור.

כל פקודות הכתיבה I²C מתבצעות לכתובת Word 0xF4 (כניסות וירטואליות I²C) ו- 0xD0 (פלט ASM למצב 0). הפקודות לכתוב ב- IC1 ולשלוט בספרה LCD 1 ו -2 מסוכמות בטבלה 3. בייצוג רצף הפקודות, סוגר הפתוח "[" מציין את אות ההתחלה, והסוגר הסגור "]" מציין את אות העצירה.

שני הבייטים מעל שולטים בקטעים של ספרת LCD 1 וספרה 2 יחד. כאן הגישה היא להשתמש בטבלת חיפוש בודדת (LUT) בתוכנה עבור כל ספרה, בהתחשב במקטעים בשני הבייטים. יש לערבב את ערכי הבייט מטבלת החיפוש באמצעות פעולת OR או bitwise ולאחר מכן לשלוח ל- IC. הטבלה 4 מציגה את הערך Byte0 ו- Byte1 עבור כל ערך מספרי שיש לכתוב בכל ספרת תצוגה.

לדוגמה, כדי לכתוב בספרה 1 את המספר 3, ובספרה 2 את המספר 4, Byte0 הוא 0xBD (0x8D bitwise OR עם 0xB0) ו- Byte 1 הוא 0x33 (0x30 bitwise OR עם 0x03).

הפקודה לכתוב ב- IC2 ובקרות הספרות 3 ו -4, מתוארות בטבלה 5.

היגיון הבקרה של הספרות 3 ו -4 הוא כמו הפקד של הספרות 1 ו- 2. טבלה 6 מציגה את LUT עבור שתי הספרות הללו.

ההבדל ב- IC2 הוא קטע ה- COL. קטע זה נשלט על ידי Byte1. כדי להגדיר קטע זה כהה, יש לבצע פעולת OR בצורה bitwise בין Byte1 לערך 0x40.

שלב 11: פקודות I²C לבדיקת LCD

לבדיקת LCD פותחה קושחה בשפת C ללוח ה- MCU. קושחה זו תשלח רצף פקודות לשני ה- IC בלוח הלחם. קוד המקור לקושחה זו נמצא בסעיף נספח. הפתרון כולו פותח באמצעות Atollic TrueStudio עבור STM32 9.0.1 IDE.

רצף הפקודות והערכים המתאימים המוצגים בתצוגה מסוכמים בטבלה 7 לעיל.

שלב 12: תוצאות הבדיקה

בדיקת אב הטיפוס כוללת אימות ערכי התצוגה לאחר פקודה MCU ומדידת הכיור הנוכחי על ידי כל IC במהלך הפעולה.

תמונות של ה- LCD לכל ערך פקודה מוצגות בטבלה 8 לעיל.

הכיור הנוכחי של כל מכשיר נמדד עם מולטימטר, בטווח הזרם הנמוך ביותר שלו 200 µA. תמונות של הזרם הנמדד עבור כל מכשיר, במהלך ההפעלה והפעולה הרגילה, מוצגות בטבלה 9 לעיל.

דיון מסקנות ותוצאות

הוצג עיצוב של מנהל התקן LCD סטטי בעל הספק נמוך עם מכשיר GreenPAK. עיצוב זה מראה בבירור את אחת התכונות הגדולות ביותר של מכשירי GreenPAK: זרם השקט הנמוך שלהם. מכיוון שמכשירי GreenPAK הם פתרון מבוסס חומרה, אפשר לעבוד בפעולה בתדר נמוך, במקרה זה, 48 הרץ. פתרון מבוסס MCU ידרוש תדירות הפעלה גבוהה יותר, אפילו לפרקי זמן קצרים מעת לעת, ואז ימשוך יותר כוח. ובהשוואה למכשיר GreenPAK עם CPLD (מכשיר היגיון מורכב לתכנות), ברור לראות שבדרך כלל ל- CPLD יש זרם שקט גבוה מ -20 µA.

מעניין לציין כי ניתן לשנות בקלות עיצוב זה כדי להתאים יותר לדרישות של פרויקט ספציפי. דוגמה טובה היא קטע הפקדים של הפקדים. ניתן היה לשנותם בקלות על מנת לפשט את המעגל המודפס ואת פיתוח התוכנה בו זמנית. זוהי תכונה מעניינת כאשר המכשיר מושווה ל- ASIC מדף (מעגל משולב ספציפי ליישומים).בדרך כלל, ASICs מיועדים להתאים למגוון רחב של יישומים, ויש לכתוב שגרת תוכנה ראשונית כדי להגדיר את תצורת ה- IC כראוי לפני הפעולה. ניתן לעצב מכשיר שניתן להגדיר אותו להתחיל מוכן לשימוש לאחר ההפעלה. בדרך זו ניתן לקצר את זמן פיתוח התוכנה לתצורה ראשונית של IC.

קוד מקור לאפליקציה ניתן למצוא כאן בנספח א.