点阵液晶显示器在便携式频率特性测试仪中的应用

　　引言

　　频率特性测试仪又称为扫频仪，或频率响应分析仪，它利用矩形具有内刻度的示波管作为显示器，来直接显示被测电路的幅频特性曲线。但由于示波管的使用，使得整个仪器在外形上显得庞大，笨重，如BT-3GII型的扫频仪重量达到10kg，不方便移动式测量。为此，本设计针对其显示部分，将示波管用LCD代替。适用于便携式仪器仪表中。

　　硬件设计

　　本设计所选的液晶显示器是深圳天马微电子公司的TM320240 EFG，它是一款内藏SED1335控制器的点阵式图形液晶显示模块。LCD控制器选用的是EPSON公司的SED1335，内部拥有一个160种5×7 点阵字符的字符发生器，能分区管理64K的显示存储器，并同时能管理自定义字符发生器。模块TM320240EFG的对外接口实质上就是控制器 SED1335与MCU的接口。在单片机的选型上，考虑到系统功能与电路的简洁，采用Atmel 公司推出的AVR单片机AT90S8535，内嵌8路10位ADC，可直接输入模拟电压信号。

　　AT90S8535与TM320240EFG接口采用间接访问方式进行连接。单片机通过控制SED1335完成对图形液晶模块的控制。所谓间接访问方式，就是把TM320240EFG作为终端接在AT90S8535的某个并行I/O接口上，AT90S8535通过对该I/O接口的操作，间接地实现对 TM320240EFG的控制。间接访问方式的接口电路与时序无关。

　　在电路中，AT90S8535使用8位并行PC口作为数据线与模块的数据线DB0~DB7连接，另外还需要一个3位并行接口作为时序控制信号线/RD， /WR和A0。把PB口中的PB0作为写信号接至TM320240 EFG的写控制信号/WR上；PD口中的PD3作为读信号接至TM320240EFG的读控制信号/RD上；PD4作为数据类型选择信号与模块的A0连接。由于这些并行接口在MCU系统中有自己的专用地址，所以TM320240EFG的片选信号 /CS可以不使用，直接接地选通。液晶驱动电源VEE取值为－20V，利用单片DC-DC转换器MC34063从逻辑电源转换生成负电源。电路中LCD电源控制端V0用来调节显示屏灰度，电位器R3作为调节液晶显示对比度使用。

　　ADC的0通道输入经过检波后的采样信号，带宽为10KHz ，经RC滤波去除交流分量。5.1V稳压管起保护作用，高于5.1V的输入信号被限幅在5.1V之内。该输入波形的X轴方向扫描频率为50Hz，周期为 20ms，12ms工作期，8ms消隐期。外部中断管脚INT0输入50Hz的方波，作为同步脉冲。MCU的晶振选为6M。

　　屏幕规划

　　该液晶屏为320×240点阵，将坐标原点(0,0)定在整个液晶屏的左上角，向右为X坐标，向下为Y坐标。为美观起见，四周边框留出空白区域，实际显示曲线的区域为X方向从第24点到264点，共240个点距，30字节；Y方向从第16点到208点，共192个点距， 24字节。为方便观测，在显示区内绘制坐标轴，用虚线等间距地将横向分作10小格，竖向分作8小格。

　　在进行图形显示时，起初我们采用的是单层显示方法，但由于要求实时显示，必须考虑屏幕的刷新问题。由于此液晶屏属多点阵，刷新满屏需花费很长一段时间，刷新完后还要在屏幕上重新绘制出坐标轴，增加了MCU的操作负担，而且频繁的满屏刷新还会引起屏幕的闪烁现象发生。因此采取的解决方法为：显示时分作两层显示，第一层为文本属性，第二层为图形属性。将不需刷新的坐标轴、汉字显示在文本层，首地址$0000。将实时动态更新的幅频特性曲线显示在图形层，首地址 $1000,并通过两层的逻辑“或”操作进行合成显示，以达到图文并茂的显示效果。这样，在刷新时，文本层上的坐标轴和汉字可以保持不变，所需刷新的仅为图形层上的曲线。实际测试结果表明，分层显示的设计思路是正确的。

　　软件设计

　　绘制曲线在软件设计上关键是画点和消点的程序。

　　ADC采用单次转换模式，总的转换周期数为14，总的转换时间70~280ms，预分频器的分频因子选为32，故ADC时钟频率为6M/32= 187.5KHz。所以每一次的转换时间是14/187.5K=74.666ms，此ADC转换时间是在6M的晶体振荡频率下最快的采样时间。若选小于 32的分频因子，则总的转换时间太快，将小于70ms，不能实现。考虑到实际需要，ADC转换时间越快越适宜，故不采用64以上分频。

　　用ox来记录X方向字节数，初始值为$00，随点的右移从1到30递增。当ox=30时，说明X方向已到达有效显示区的尾部。code记录点在字节中所处位置，画奇数点时code从$80开始右移，画偶数点时code从$40开始右移，每次移动2位，移完一字节后，ox加1。[page]

 　　ADC能转换的最大量程电压是电路基准电压Vref的值，这里调节的是4V。1V占48个点距。某一时刻，输入信号Z V(Z≤4)，则其在屏幕上Y向的位置是208-Z×48。MCU内嵌的ADC为10位精度，采样结果转化成点的高度的计算表达式为：

　　208-(AD值)×(4/1024)×48=208-(AD值)×3/16(1)

　　考虑到输入信号的扫描时间和MCU的AD转换时间，整个屏幕在X方向要显示240点，只能采取隔列扫描的方法，分两帧画完全屏，第一帧画奇数点，第二帧画偶数点。先在工作期12ms内采样数据，进行120次AD转换，将其转换结果按顺序存入片内SRAM中，所以需要100ms启动ADC一次。同时，把信号的消隐期8ms加以利用，在整个20ms周期内画120个奇数点，20ms/120=166.666ms，我们设定每隔161.333ms画一个点。画点的具体方法为：从SRAM中取出AD值，将每组的AD采样结果用式(1)进行计算，转化成Y方向坐标，得到点的高度值，送入寄存器oy中。由于屏幕上一横行是320个点，即40字节，显示区距离左边框为3字节，可计算出该点的地址，结果存于寄存器r7: r6中，表达式为：

　　r7: r6 = oy*40+3+$1000+ox (2)

　　接着再确定该点在此字节中的位数，调用绘点程序即可。画完一屏的奇数点后，等待下一个同步脉冲到来，然后，在同样的扫描时间内，用同样的方法绘制出120 个偶数点。这样，全屏显示的时间仅为40ms，人的肉眼观测到的是一条连续的曲线，不会出现隔列的效果。另外，考虑到屏幕的刷新问题，每次画点前，都要在此列先消点。消点和画点的方法类似，程序中用ox1和code1与画点加以区别，这里不再累述。

　　程序中用寄存器r25作标志状态寄存器，各标志位说明如下：

　　r25(3)：两帧画完全屏。   r25(3)=0，第一帧画奇数点；r25(3)=1，第二帧画偶数点；

　　r25(4) ：在T/C1中断里置位  r25(4)＝1，表明显示时间已到，可以进行画点显示；

　　r25(5) ：在ADC转换结束中断里置位  r25(5) =1，表明ADC转换结束，已采样到数据并存入SRAM中。

　　整个程序应用4个中断。20ms同步脉冲上升沿触发外部中断EXT_INT0，在中断服务程序中，清r25(4,5)=0，并使能两定时器T/C0和 T/C1。采用T/C0定时中断，每100us中断一次，在中断服务程序中，启动AD转换。同时采用T/C1输出比较匹配A中断，每161.333 us中断一次，置位画点时间到达的标志。ADC转换结束中断，在中断服务程序中读取采样值AD，置位r25(5)。

　　复位时间问题

　　在整个设计过程中，程序调试用的是AVR单片机的在线仿真器ICE 200。但将调试好的程序经编译后烧到片子里，液晶屏却不能正常显示了。查找原因，主要是单片机和液晶屏的复位时间相差太大引起的。对于 AT90S8535来说，超过50ns的低电平就会引起系统复位；而LCD的控制器SED1335，复位需要1ms以上的复位电平。所以需在程序的初始化部分，加一定的延时，以使LCD正常工作。回过头来再思考一下在线仿真能通过的原因。仿真器上电和液晶屏上电同步，在调试环境里，下载程序所花时间较长，能够满足LCD的复位时间要求，故在程序运行以后，可使LCD正常显示。

　　目前，兼顾功能和价格两方面，大量中、高档仪器仪表已经广泛使用LCD 作为其显示输出设备。本文将点阵式图形液晶显示模块和AVR单片机AT90S8535相结合，使频率特性测试仪的显示输出由原来的示波管改为液晶屏，符合现阶段传统仪器向智能仪器转型的发展趋势，很有市场竞争力。