基于DSP的液晶显示设计方案

1 基于 液晶显示设计方案 第一章 绪论 选题背景及研究意义 当前， 我国大城市的大气污染已不能忽视，汽车排放是主要污染源之一，我国已有 16 个城市被列入全球大气污染最严重的 20 个城市之中。我国现今人均汽车是每 1000 人平均 10 辆汽车，但石油资源不足，每年已进口几千万吨石油，随着经济的发展，假如中国人均汽车持有量达到现在全球水平 000 人有 110辆汽车，我国汽车持有量将成 10 倍地增加，石油进口就成为大问题。因此在我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。 电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统，相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统，电动机和控制器的成本更低，且电动车能量转换效率更高。因电动车的能量来源 电，来自大型发电机组，其效率是小型汽油发动机甚至混合动力发动机所无法比拟的。 无论是电动汽车的能量管理系统还是驱动系统都离不开人机交互界面。能量管理系统如同动力电池的大脑，人机交互界面如同汽车的眼睛。统计资料表明车载显示仪表的使用，能够使汽车电子产品的开发进度加快，大大缩短了开发周期，节省了开发资金，另外使交通事故的发生率降低，大大减少了人员伤 亡和财产损失，产生了显著的社会效益。因此，电动汽车需要对整车的电机运行状况和动力电池各种参数进行人为地监测和控制，从而达到更安全稳定的运行。传统汽车仪表板通常是把所有的模拟仪表罗列出，不仅没有重点，而且显示不直观，精确度低，不能满足现代电动汽车的发展和要求。随着电子器件的应用，电动汽车各种需要显示的状态越多，如果仍采用车内点对点连线必将导致车身布线过多且变得复杂。 20 世纪 80 年代初期出现了数字信号处理器（ 原是用于信号处理领域的芯片，随着世界各大 产商对产品性能的提高， 控制能力不断 2 提 升，既具备了高速的数据信号处理能力，又具备了很强大的 I/O 控制功能，很适合作为电动机的复杂控制器，近年来，包括 大公司在内的许多 商都相继推出了电机控制专用 片，如 列、列等。这类芯片都以 理器为核心，使用其高效的指令集，同时在片内集成了包括 A D， 在内的电机控制接口电路，不仅简化了系统硬件电路，同时也提高了可靠性和性价比。其中， 司生产的高性能的电机控制处理器 是功能强大的 32 位定点 片，具有功耗小、性能高、运算速度快、数据和程序存储器容量大、 样和处理精度高等特点，能满足电动汽车液晶显示要求 内外发展现状及发展趋势 动汽车发展现状及趋势 当今世界，汽车保有量已经超过 6 亿辆，年产量超过 5000 万辆，在耗用巨量石油资源的同时，产生极大的气体污染 亿吨有害气体，占大气污染总量 60%以上。石油资源逐渐趋于枯竭，环境污染日益严重，迫切需要节省能源和低排放甚至是零排放的绿色环保汽车产品。为此，世界各国政府以及各大汽车制造商都在加大力度开发各种不同类型电动汽 车。 近二十多年来，西方工业发达国家政府把电动汽车的研究开发看作解决环境问题和能源问题的一种有效手段，在经济上给予大力支持。美国政府至今已出资数百亿美元支持汽车厂商和相关厂商进行电动汽车技术的开发研究。美国三大汽车公司 1991 年联合成立了美国先进电池联合体，投入了 美元，其中政府拨款 美元，共同开发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃科电池等各种高性能蓄电池。日、法、德等国各大公司也投入巨资研究开发高性能电池。在电动汽车整车研究开发方面，至 90 年代末期，国外大汽车公司已开发生产了 100 多种型号的纯 电动汽车、燃料电动汽车和混合动力汽车 (表 1)。其中，已有 10 多种纯电动汽车车型投入商业化生产；近年来，燃料电池电动汽车成为新的开发热点，美国计划到 2010 年市场上燃料电池汽车占市场 4%份额，达到 60 万辆，日本政府 3 发布燃料电池汽车发展计划 5 万辆， 2020 年 500 万辆；在纯电动汽车和燃料电池汽车因技术和成本问题尚未进入批量生产情况下，为了尽快降低燃油汽车的排放，美日等国正在广泛研制混合动力汽车，目前已经开始小批量商业化生产。 从世界范围来看，我国电动汽车的研制与国外发达国家几乎站在同一起跑线上。 九五 期间，科技部将电动汽车项目列入国家重大科技产业工程项目，投入近 1 亿元。国内汽车公司、大学和研究机构即开始研制电动汽车，并逐步掌握了整车集成、控制系统集成等关键技术。至 2001 年初，已推出纯电动轿车、混合动力轿车、混合动力客车、燃料电池电动客车。 十五 期间，国家 863 计划设立电动汽车专项，国家和地方政府直接划拨以及国有企业投入的资金总额约 30亿元。目前，已经有上百家企业、高校和研究所列入项目研发单位行列，如三大汽车集团、长安汽车公司、奇瑞汽车公司，以及电机、电池企业。至 2002 年，随着电动汽车重大专 项的实施，已形成了多家产学研结合、金融机构介入的专业研发生产电动汽车的新型股份制企业，包括东风电动车辆股份公司、天津清源电动车辆有限公司、上海燃料电池汽车动力系统有限公司、北京时光科技有限公司、奇瑞电动汽车股份有限公司、大连新源动力股份有限公司、北京清华新能源汽车工程中心等。目前，整车方面已初步形成产品开发的系统配套、管理机制和团队组合，纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车样车均已实现，关键零部件、燃料电池发动机已形成系统，高功率镍氢电池、锂离子电池性能有了较大提高，多能源控制系统初步形成。 2 液晶显示技术的发展及其应用前景 液晶是由奥地利植物学家 一百年前发现的。不过直到 1961 年，才由美国 司普林斯顿实验室的一位年轻电子学者 式提出了液晶平板显示的想法，并成功地付诸实践。现代液晶显示技术发展到今天，也已逐步分化成好几个种类。从超扭曲向列（ 到 再到薄膜晶体管（ 术，发展日新月异。从最初的单色 展到现在应用最广泛的 术，也不过几年的时间而已。随着液晶显示器件的发展，技 术人员从事产品开发时越来越多地选用 显示信息。目前， 用 4 是所有电子产品中增长最快的领域之一。它主要应用在包括电脑、移动电话、数码相机、液晶电视、 各种信息终端显示屏上，已成为显示技术的主流。众所周知，液晶显示器具有功耗低、体积小、重量轻、超薄屏等许多其他显示器无法比拟的优点，近年来又被广泛应用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。 字信号处理器的发展及其应用前景 数字信号处理器常被称为 近年来，随着 低价格、高性能 片的出现， 越来越多地被应用于数字化电机控制、高速信号采集、语音处理、图像分析处理等领域中，并且日益显示其巨大的优越性。 展历程大致分为三个阶段： 20 世纪 70 年代理论先行， 80 年代产品普及， 90 年代突飞猛进。在 现之前数字信号处理器只能依靠微处理器（ 完成。但 低的处理速度无法满足高速、实时数据处理的要求。因此，到 20 世纪 70 年代，有人提出了 理论和算法基础。那时的 仅停留在教科书上，即便是研制出来的 统也是由分立元件组成的，其应用领域局限于军事、航空航天部门。随着大规模集成电路技术的发展，1982 年世界上诞生了首枚 片。这种 件采用微米工艺 术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运行速度却比 了几十倍，尤其在语音合成和编码解调器中得到了广泛应用。 片的问世标志着 用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。随着 术的进步与发展，第二代基于 艺的 片应运而生，其存储容量和运算速度成倍提高，成为语音处理、图形硬件处理技术的 基础。 20 世纪 80 年代后期，第三代 片问世，运算速度进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。 20 世纪 90 年代 展最快，相继出现了第四代和第五代 件。现在的 于第五代产品，它与第四代相比系统集成度更高且将 核和外围设备综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的 片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到日常消费领域。经过 20 多年的发展， 品的应用已扩大到人们学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。 5 目前，对 炸性需求的时代已经来临，前景十分可观。纵观当今的 场，可谓是百花齐放、百家争鸣，但大部分市场还是被美国的少数几家半导体生产商所占据。仅美国的德州仪器（ ，美国模拟器件（ 摩托罗拉（ 四家半导体生产商的 品就占据全球 场的 90%以上。其中， 司又以 45%的绝对优势压倒其他几家公司，占据了 场的半壁江山。所以 司的 品在教育、科研和商品应用方面使用得非常广泛。 本文中使用的 是 司的 下简称 2812）。 设计研究的主要内容 基于上文关于液晶显示器件和 件的介绍，本文将基于 司的 812 设计一个电动汽车液晶显示系统。 本次毕业设计主要完成以下工作： （ 1）了解液晶显示的相关知识。这里主要是指液晶显示的基本原理、液晶显示器件的分类及其驱动方式等等，为下面的工作做好准备。 （ 2）深入学习 2812 和液晶显示模块的原理和使用方法。这两部分是液晶显示系统的主干部分，所有的软硬件设计都将围绕着它们进行。因 此在进行软硬件设计前，必须要系统、深入地学习它们的相关知识。 （ 3）完成系统的硬件电路设计。正确、合理的硬件设计是系统能否实现液晶显示功能的基础。主要包括： 2812 的通用输入 /输出口的连接、接口电路的设计和液晶显示模块的连接。 （ 4）完成系统的软件设计并调试。 2812 对液晶显示模块的访问、系统实现液晶显示功能以及显示特殊效果等，都需要采用软件算法来实现。 6 第二章 系统设计方案 在对电动汽车本体结构、液晶显示工作原理深入研究的基础上，对系统性能进行了深入分析。 件开发工具简介 司专门为工业应用而设计的新一代 理器。该芯片采用 32央处理器，大大提高了处理能力，主频可以工作在 150 时钟周期可达 ，其性能远远优于此前广泛使用的 列产品。数字信号处理器 2812 是在 基础上开发出来的高性能定点芯片，能够运行 242央处理器，大大提高了数据处理能力。 它的主要特点如下： 采用高性能的静态 术，主频可以工作在 150钟周期可 高性能的 32 位中央处理器，可以进行 16 位 16 位以及 32 位 32 位的乘累加操作； 片内大容量存储器， 128K 16 18K 16数据 /程序存储器； 其电源模块电路如下图 示 7 图 2812 电源电路模块示意图 系统设计概述 对经过取样和调理电路的信号进行转换和处理 , 将处理后的信号送入数据采集模块进行 A/D 采样 , 然后将数据采集模块采集到的数据送入 , 在 进行 换和谐波分析操作等 , 最后将处理后的数据转化为液晶中的显示格式送入液晶显示模块实时显示。 （ 1） 信号取样和调理：电动汽车的电机转速，电机温度，车速，前进倒车，电池剩余量，电池充放电状态，电池故障，单节电池电压，电池电流，电池总电压，门窗开关，灯光开关，车内温度，空调开关，液晶显示开关等信号通过电压传感器，电流传感器，探压传感器等（后面详述）进行取样。其输入电路需做一些变化，输入模拟电压应在 0 间，下图为接入模块前的信号的处理电路图 8 （ 2） 数据采集：将调理好的模拟信号转换成数据信号，进行输入前的检测 （ 3） 数据处理：在 ，将数据用 C+语言编译出来，进行输入前的处理 （ 4） 结果显示：用 动液晶显示屏，将电动汽车的有关信息显示出来 动汽车几种传感器及其作用 温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度用传感器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热敏电阻式温度传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适应温度较低；热偶电阻式温度传感器的 精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。 压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、气缸内压、油压等。吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。汽车用压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式（ 表面弹性波式（ 9 流量传感器主要用于发动机空气流量和燃料流量的测量。空气流量的测量用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比、起动、点火等。空气流量传感器有旋转翼片式（叶片式）、卡门涡旋式、热线式、热膜 式等四种类型。旋转翼片式（叶片式）空气流量计结构简单，测量精度较低，测得的空气流量需要进行温度补偿；卡门涡旋式空气流量计无可动部件，反映灵敏，精度较高，也需要进行温度补偿；热线式空气流量计测量精度高，无需温度补偿，但易受气体脉动的影响，易断丝；热膜式空气流量计和热线式空气流量计测量原理一样，但体积少，适合大批量生产，成本低。 位置和转速传感器主要用于检测曲轴转角、发动机转速、节气门的开度、车速等。目前汽车使用的位置和转速传感器主要有交流发电机式、磁阻式、霍尔效应式、簧片开关式、光 学式、半导体磁性晶体管式等，其测量范围 0 360 ，精度 0 5 以下，测弯曲角达 0 1 。 气体浓度传感器主要用于检测车体内气体和废气排放。其中，最主要的是氧传感器，实用化的有氧化锆传感器 (使用温度 900 ，精度1 )、氧化锆浓差电池型气体传感器 (使用温度 300800) 、固体电解质式氧化锆气体传感器 (使用温度 0400 ，精度 0 5 )，另外还有二氧化钛氧传感器。和氧化锆传感器相比，二氧化钛氧传感器具有结构简单、轻巧、便宜，且抗铅污染能力强的特点。 10 第三章 液晶与液晶显示 晶与液晶显示器件 我们知道，任何物质都是由分子或呈规律排布的离子单元构成的。这些组成物质的基本单元如果是球形或其它重心基本对称的单元组成，那么，不论是温度变化，或其它外部条件改变，其基本单元的重心位置分布将不会产生方向性变化。而如果这个基本单元式非球形的，如棒状、盘状等，则有可能在一定条件或一定温度范围内使其具有重心位置分布的规律性和方向性的有序性，从而有可能呈现液晶态，如图 示。这种材料在电场等外场的作用下，使液晶分子从特定的初始排列状态转变为其他分子排列 状态，随着分子排列的变化，液晶元件的光学特性发生变化，从而转化为被感知的视觉效果。 经过一百多年的发展，已被发现或合成的液晶种类多达几千种，但只有少数种类的液晶能够走进人们的生活。比较常见的液晶显示器件有：扭曲向列型液晶显示器件（ 超 扭曲型液晶显示器件（ 薄膜场效应晶体管液晶显示器件（ 等。 要应用在电子表、计算器以及仪器仪表等简单的显示场合，它最大的特点是功耗小，一个小小的纽扣电池可以供其使用几年。由于 显示原理所限，它不能制成大规模点阵进行动态驱动，所以在显示较为复杂字符或图形的场合一般使用 次毕业 11 设计所用的液晶显示器件即为 源矩阵型液晶显示器件（ 广泛应用于液晶电视和便携式电脑领域，目前其生产技术已完全突破，进入了工业大 生产。 晶显示器件的基本结构 液晶显示器件从结构上说，属于平板显示器件，其基本结构呈平板型。典型的液晶显示器件如图 示，它主要由偏光片、前玻璃、液晶、封接边、后玻璃、电极等部件构成。 将两片光刻了透明导电极的平板玻璃相对放置在一 起，使其间相距为 67m。四周用环氧胶密封，构成一个封接框，但在封接框的一侧留有一个开口，该开口称为液晶注入口。液晶材料即是通过该注入口在真空条件下注入的。注入后，用树脂将开口密封好，再将此液晶盒前后表面呈正交地贴上前后偏光片即完成了一个完整的液晶显示器件。液晶显示器件有 3 大基本部件： （ 1）玻璃基板 玻璃基板是一种表面极其平整的薄玻璃片。在表面蒸镀一层透明导电层。经光刻加工制成透明导电图形。这些图形由像素图形和外引线图形组成。外引线不能进行传统的锡接，只能通过导电橡胶条等进行连接。如果这些引线被刮伤 、割断、或腐蚀，就会造成整个液晶显示器件的报废。 （ 2）液晶材料 液晶材料是液晶显示器件的主体，不同器件使用的液晶材料不同。液晶材料大都是由几种乃至几十种液晶材料混合而成，这些液晶材料必须在一定的温度范围内才表现为液晶态。因此，液晶显示器件必须在一定的温度范围内使用。如果 12 使用和保存的温度过低，材料就会结晶，而温度过高就会使液晶成为液态，从而失去了显示的功能。 （ 3）偏光片 偏光片又称为偏振片，由塑料薄膜材料制成。上面涂有一层光学压敏胶，可以贴在液晶盒的表面。偏光片怕高温、高湿，在高温高湿条件下会发生退偏振或起泡。由于玻璃盒内侧取向层的作用，液晶分子沿玻璃面平行并在两片玻璃之间连续扭转 90，这样，当由光源射来的光经过上面的偏光片，变成垂直线偏振光，射入液晶盒内，就被液晶分子旋转 90，呈水平线偏振光，再由下面的偏光片射出，经反射片反射，按原光路折回，呈亮视场。液晶分子在不同外场条件下会有不同的排列角度，从而使通过其的光线产生不同的变化，以致呈现出明暗的视觉效果。 型的液晶显示器件 液晶显示器件的电极图形虽然是看不见的透明导电图形，但导电极的引出方式却决定了该器件所采用的控制与驱动方式。根据显示像 素液晶显示器件可分为段型和点阵型两大类，它们的驱动方式又可分为静态驱动和动态驱动 。 态驱动段型液晶显示器件 静态驱动段型液晶显示器件的电极排布如图 示。这类显示器件应用最早、使用最广。一般计时、计数设备所用到的液晶显示器几乎都是采用该类显示器。从图中可以看出，其电极排布与常见的七段数码管的电极排布基本一致。 13 每个笔段的正面都有一个引出线（段电极），而对应的背电极则只有一个共用引出线（背电极）。只要在段电极和背电极之间加入驱动电压就可使该段呈显态，不加驱动电压则该段为非显态。 态驱动点矩阵型液晶显示器件 静态驱动方式较为简单，显示的对比度高，并且受温度的影响较小。不过在大规模像素场合，静态驱动方式却往往因为它需要极多的引出电极而无法实现。这时，动态驱动方式就显示出了其无可比拟的优点。动态驱动点阵型液晶显示器件的电极实际上就是 X 方向和 Y 方向的两组平行直线电极分布于前后玻璃基板上。如图 示。在相应的行列电极间加上一定的驱动电压就可以使交点像素呈显态，通过行驱动器依次扫描行电极就可以实现动态驱动。 晶显示模块 晶显示模块（ 是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、 路板、背光源、结构件装配在一起的组件。液晶显示器件是一种高新技术的基础元器件，虽然其应用已很广泛，但对很多人来说，使用、装配时仍感到困难。特别是点阵型 殊的连接方式和所需的专用设备使用户更感到无从下手。故液晶生产厂家或第三方厂家将液晶显示器件与控制、驱动集成电路装在一起，形成一个功能部件，用户只需用常规的电路设计手段就可完成液晶显示系统的设计。本次毕业设计所使用的液晶显示器件为南京奥雪公司的图形点阵式液晶显示模块 主要由点阵液晶显 示驱动控制器、背光系统和图形点阵液晶显示屏组成。在小规模点阵液晶显示模块上，使用液晶显示驱动控制器对液晶显 14 示驱动控制系统是非常有益的。不但可以简化液晶显示模块的硬件电路，而且降低了模块的成本。 本次毕业设计采用的 192 (列 ) 64 (行 ) 图形点阵液晶显示模块。如图 示为 结构框图。它装配了一块 由一片行驱动器 三片列驱动器 成驱动控制系统。所以该液晶显示模块的电路特性实际上是 合的电路特性。 15 脚介绍 形液晶显示行驱动控制器 低阻抗点阵液晶图形显示行驱动控制器 , 具有 64 路行驱动输出。它的特点在于自身带有振荡器和时序发生器，通过外接振荡电阻电容使其上电后就以设定的占空比系数开始行扫描工作。它可以自行完成行、列驱动时序的生成及分配，自动进行行扫描；同时向列驱动器输出同步信号和脉冲时序，控制列驱动器工作。 形液晶显示列驱动控制器 带有显示存储器的图形液晶显示列驱动控制器，具有 64 路列驱动输出。它主要由 64 64 位显示存储器及其配套的管理电路所组成，存储器的每一位对应液晶显示器件上的一个点。其原理结构如图 示。要想写 16 入一个字节的数据，首先要通过“写指令”设置页面地址寄存器的值，从而通过数据输入通道选择器选择一个页面；其次，设置起始列地址以选择一个字节的存储单元；最后通过“写数据”将数据写入该存储单元。显示存储器的作用是存储计算机送来的待显示数据，但是当前 显示的数据并不 是显示存储器里的数据，而是显示数据锁存器里的数据。即计算机送来的数据不但要先保存在显示存储器中，还要进一步通过显示数据锁存器，最后经过驱动电路才能显示在液晶屏上。同时， 配备了一套与外界控制器的接口电路，它负责完成外界控制器与 部寄存器、显示存储器的存取操作，实现了外界控制器操作时序与 部工作时序的转换。当外界控制器对 作时，接口电路的寄存器锁存了外界控制器发来的指令代码和显示数据，并立即封锁接口电路与外界的联系；再将后续的处理过程转 到控制器的内部时序上；处理完毕后，恢复接口电路与外界的联系，等待外界控制器的下一次访问。当 接口电路处于运行状态时，接口电路中的状态字寄存器存放的工作状态为“忙”，这是 外界控制器唯一的“握手”信号。此时外界控制器对驱动控制器的任何操作（除读取状态字外）都是无效的。因此，外界控制器每次对 作前都必须判断“忙”状态位。虽然 自承担了和外界控制器的读写操作，但实际上它并不能独立工作。因为它本身不能生成显示时序，所以 常与带振荡器、显示时序发生器的 套使用。它们配合完成液晶显示器件的控制和驱动工作，由此组成的液晶显示驱动、控制系统结构简单紧凑，而且降低了液晶显示模块的成本。 17 指令系统 指令系 统非常简单，共有七条指令。从作用上可分为两类：一是设置显示状态的指令，该指令用于设置显示开关以及显示的起始行；二是数据的读 /写操作指令，主要有读取状态字、设置显示存储器单元的地址以及读 /写显示数据。表 示为 指令列表。 18 （ 1）设置显示开 /关 当 X=1 时，开显示；当 X=0 时，关显示。虽然 X=0 时数据不显示在屏上，但是数据仍保存在显示存储器中。因此，要想显示数据，只需将 X=0 改为 X=1。 （ 2）设置显示起始行 该指令设置显示起始行。 0 设置 示 屏上最顶行对应的显示存储器的地址。 （ 3）设置页面地址 该指令设置页面地址寄存器的内容。 0 的值代表选择的页面。只有选择了页面后，才可以进行数据的读 /写操作。 (4)设置列地址 该指令设置列地址寄存器的内容。每次读 /写数据后，列地址计数器自动增 1。 （ 5）读状态字 示 口控制电路当前运行状态。 ，表示接口电路正在执行内部操作，此时接口电路不能接受任何指令（读状态指令除外）。在写入下一条指令之前，一定要确保 。 示液晶屏当前的显 示状态。 ，表示液晶屏处于关显示状态； ，表示液晶屏处于开显示状态。 示 初始化状态。 ，表示系统正在进行初始化，此时只能进行读状态操作； ，表示初始化结束。 （ 6）写显示数据 将 8 位数据 0 写入到显示存储器中。该操作每执行一次，列地址计数器 19 自动增 1。 （ 7）读显示数据：从显示存储器中读取 8 位数据 0。该操作每执行一次，列地址计数器自动增 1 20 第四章 电动汽车液晶显示系统硬件设计 件设计 分析 基于 晶显示的硬件首先要包括 两个重要成员。其中 其外围电路，本设计使用的是三意的 估板 晶显示器件使用的是南京奥雪的液晶显示模块 估板和液晶显示模块之间的接口电路设计是本课题硬件设计的难点之一。从 访问方式来看，接口可分为处理器直接访问方式和处理器间接访问方式。为了降低高速 功耗，厂商在设计时将其供电电压降得比较低：内核 使用的液晶显示模块的逻辑电平却为 5V，因此， 我们有必要设计相关的电平转换电路以使它们的逻辑电平相匹配。下面将详细介绍以上设计要点。 理器直接访问方式 直接访问方式就是把液晶显示模块直接连接到 总线上，液晶显示模块当做存储器或 I/O 设备进行访问。此法操作简单，时序由部读写逻辑控制。由于 晶显示驱动控制器的接口时序为 序，这与常见的 序略有区别。为使 液晶显示模块的时序相匹配，直接访问方式需要特殊的软硬件接口。 把 读写信号（ 过与非门和液晶显示模块使能信号（ E）相连，如图 1）所示。这样本来没有 E 信号的 读 /写操作时也可以选通液晶显示模块。 由于液晶显示模块是 一个慢速外设，要使两者的速度匹配，一种办法是利用 部的等待状态发生器插入一定的等待周期，在不额外添加硬件设备的情况下，能够满足硬件本身的要求。另一种办法就是在指令执行的过程中加入一定量的延时，一次延时一般在 1 s 以上。 理器间接访问方式 所谓的间接访问方式，即不通过 地址、数据总线对液晶 显示模块进 21 行读写操作，而是利用 通用输入输出口（ 模拟液晶显示模块的读写时序。间接访问方式的连接方式如图 2）所示。 有多达 56 个 脚，但这些引脚大部分为多功能复用引脚。如 的 功能模块的引脚也共用这些引脚。如果我们采用间接访问方式时应尽量选用那些空闲的 脚。 件设计 根据以上设计思路的分析，我们了解到直接访问方式和间接访问方式各有各的优缺点。直接访问方式直接利用 读写时序进行液晶显示 模块的读写操作，这样软件编程相对较为简单，硬件也不复杂。但如果挂在 总线上的外围设备较多时，外围设备的读写操作必将产生冲突，因为液晶显示模块的读写速度较慢，这将会对总线上的其他设备产生影响 ， 22 以致这些外围设备在占用总线时产生冲突。间接访问方式不需要总线操作，因此不会对总线上的其它外围设备产生影响，而且其硬件连接更为简洁。但是 脚都是多功能复用引脚，如果液晶显示模块占用了一个引脚，那么就不方便在此引脚上实现其他功能。因此，如果空闲 脚较多时，我们可以选用间接访问方式。如果空闲 的 脚不多时，那就只能采用直接访问方式了。 本课题中的 了实现液晶显示功能外，并不需要实现其它的功能。因此本课题中无论选用直接访问方式还是间接访问方式都能很好地进行设计。但比较直接访问方式和间接访问方式的软件任务，间接访问方式的软件编程要复杂得多。为了能更多地进行编程学习和软件调试，本课题选用了间接访问方式来实现液晶显示的功能。 根据间接访问方式的设计思想，示。图 示为对应的液晶显示系统实物图。其中， 用来传输数据：一是向液晶显示模块写数据或 指令；二是从液晶显示模块读数据或状态。即上面一片 数据传输方向为 A 到 B 或 B 到 A，因此需要用一个 脚 控制该芯片的 ，这样在不同的时刻就可以改变数据流向。 用来产生液晶显示模块的选通信号：这些信号始 23 终是从 液晶显示模块。因此，下面一片 脚接到高电平即可。 液晶显示器件一般都采用负电压驱动，为了方便我们设计其供电系统，液晶显示模块 部有一个 C 变换器，变换器的输入为 +5V 供电电源，输出为 电压为 右。因此，要想在驱动电压引脚 入合适的负压，只需在 间加入合适的分压电阻。本设计采用的是 10节电位器的阻值可改变驱动电压。 我们知道液晶显示器件都为被动发光型显示器件，在完全黑暗的情况下是看不到显示效果的。因此，我们有必要设计背光灯的供电电路，其实该供电电路很简单，只要在 右电压即可。本设计采用在 间加电位器的方法，电位器阻值选用 10K，调节电位器的阻值就可调节背光灯的驱动电压。 件设备的调试 （ 1）采用单电源供电 这里所说的单电源供电是指 估板 于它们的供电电压都是 +5V，所以不需要增加额外的电压转化电路即可实现单电源供电。这样设计出的电路更为简洁、可靠。如果采用多个电源供电，那必须要将各个电源的地连接在一起，因为在各个逻辑器件间传递逻辑信号必须要有相同的参考电压。在实际调试过程中发现：如果不共地，逻辑器件间传递的逻辑电平是不可靠的，严重时甚至会损坏逻辑器件。 考虑到采用多 电源供电所遇到的问题，加上所设计系统的规模比较小，而且电路中没有模拟电路部分，所以最终采用了单电源供电方案，这样可有效增加供电的可靠性。但在具体操作时还应注意以下两点以保证供电的可靠性：在各个模块的电源输入端加 和 10 用足够大容量的电源。 （ 2） 电平转换 在设计阶段，我们就把 作电平转换芯片。但在实际调试过程中发现能实现单向电平转换功能。它可以将 电平转换成 5V 的电平，但不能将 5V 的电平转换成 它的输 入不管是 是 5V，只要输入是高电平输出就是 5V。因此，在 取液晶显示模块的状态时， 上的电压为 5V 左右。如果长时间工作必然会损坏 。 24 后来，我们再仔细阅读 资料发现它只是一个总线驱动芯片，只能实现缓冲和单向电平转换功能。针对这个问题，我们又换用 74实现电平的双向转换功能。 74了采用 3V 和 5V 双电源供电外，其他引脚功能和 引脚功能相似，这里不再赘述 能模块图 上整合了 储器、快速的 A/D 转换器、增强的 件管理器、正交编码电路接口以及多通道缓冲串口等外设，这种整合使用户能够以很便宜的价格开发高性能数字控制系统。 由于 2812 内部集成了许多内核可以访问和控制的外围设备， 2812 内核需要通过某种方式来读 /写外设。因此，处理器将所有的外设都映射到了数据存储空间。每个外设被分配一段相应的地址空间，主要包括配置寄存器、输入寄存器、输出寄存器和状态寄存器，只要通过访问存储器中的寄存器就可以操作该设备。 外设通过外设总线（ 接到 内部存储器接口上，如图 所示。所有的外设在使用之前必须要配置相应的控制寄存器 25 液晶模块硬件接口设计 液晶显示模块直接显示连接 保护电路 为了确保整个系统能够安全、可靠的运行，同时，完善的保护系统也可以延长装置使用寿命，所以在硬件电路设计中保护电路是必不可少的一个重要环节。文将过流、欠压、过压故障保护信号处理为多路低电平有效的信号 ，把上述信号经芯片 74 后的输出送至 系统出现故障时，片内固化的 到故障消失和系统复位，从而有效地避免了由于故障的发生而对系统和器件造成的危害。过压故障保护信号是由另一路直流母线电压检测电路提供的，它是直接从开关变压器副边的采样绕组进行采样，然后经分压电路取得电压信号，将此检测信号与预先设定的基准电压信号通过电压比较器 从直流母线上取样得到的电压高于基准电压时，比较器输出高电平，使开关三极管导通，经光耦隔离处 理后，输出低电平信号。过流、欠压故障保护信号是由驱动芯片发生故障时，此引脚会被拉低。保护 26 电路如下图 图 保护电路 27 第五章 电动汽车液晶显示系统软件设计 硬件平台是系统开发的基础，而对任何控制系统来说，准确、可靠的软件是系统能够高性能运行的重要保证，所以在完成系统硬件电路设计的基础上，本章对系统的软件作了进一步的研究和设计。系统 的软件设计采用 实时性允许的前提下，一般来说，总是尽可能地用软件资源代替硬件资源，以降低成本，简化硬件系统结构，提高系统的性价比。软件编程主要包括主程序、中断程序和相关的功能子模块程序 。 件系统开发环境介绍 为使用户快速开发基于 有强大集成能力的 套开发环境集代码生成工具和代码调试工具为一体，包括先进的优化 乎遍及 软件编写、代 码调试、实时仿真、软件调试到软件烧写，都可以利用 由先进的开发工具组成直观的系统，从而大幅度减少 时， 完全兼容，并且，包含一个适用于每种器件的完整的实时运行库，该库包含的数学函数库支持浮点运算，是实现 大限度地减少目标代码，这样可以大大降低程序的运行时间 。 7 另外，在 程环境下支持不同的开发语言，包括汇编， C 语言， C+等。言也可以和 结合，用户可以在 境下完成从概念设计到实时实现的软件开发，脱离了低层的开发过程。本次永磁同步电机伺服系统，采用 C 语言和汇编语言相结合进行软件设计。 组成 功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持 C/C+十和汇编的混合编程，其主要功能如下 : 户可通过其界面直接编写 C、汇编、 . 8 文件等 ; 括汇编器、优化 C 编译器、链接器等，将代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能集成到 一个软件环境中 ; 用户很容易阅读代码，发现语法错误 ; 生成目标程序和程序库的过程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理 ; 看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等功能，并支持 C 源代码级调试 ; 在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置 ; 用于算法的仿真，数据的实时监视等 ; 括模拟器和仿真器 分析，可用于模拟和监视硬件的功能、评价代码执行的时钟 : 以将运算结果用图形显示，包括显示时域 /频域波形、眼图、星座图、图像等，并能进行自动刷新 ; 具。利用 展语言，用户可以编写自己的控制面板 /菜单，设置 单选项，方便直观地修改变量，配置参数等 ; 调试 ; 术，可在不中断目标系统运行的情况下，实现 其他应用程序的数据交换 ; 具，增强对代码的实时分析能力 境 下 主要成员 （ 1）头文件（ 这里所说的头文件是指定义系统硬件（主要是寄存器）的头文件。这些头文件中用一些简单易懂的名称来命名寄存器，再把这些名称和寄存器的物理地址对应在一起。因此，我们在编程时可以用这些名称代替物理地址，对寄存器进行操作。这样就大大增加了程序的可读性。 司向用户提供了几乎所有寄存器定义的头文件，用户几乎不用修改其中的内容就可以直接使 29 用。 （ 2）库文件（ 是一个 C/C+运行支持库，由于设计 中采用的是 C 语言编程，所以这是工程中必不可少的一部分。 （ 3） 件（ 件用于 码的定位。由于 编译器的编译结果是未定位的， 没有操作系统来定位执行代码，且每个客户设计的 统的配置也不尽相同，因此用户需要自行定义代码的安装位置。 （ 4）主程序（ 主程序主要是用来实现系统初始化和液晶显示功能的，它的编写和运行必须要建立在以上三个部分之上。晶显示主程序设计的内容 液晶显示系 统的主程序由 数、 数以及液晶显示相关函数组成。其中， 数完成系统初始化、变量定义、变量初始化、寄存器初始化等工作； 数主要完成数据的接收和显示任务；液晶显示相关函数实现在 显示字符和汉字的功能。 对于液晶显示系统而言，主程序主要实现以下功能： （ 1） 初始化； （ 2）在 显示一段字符或汉字； （ 3）通过串行通信接口接收上位机的数据； （ 4）对接收的数据进行判断，并在 显示。 30 程序的软件流程图 件调试的方法 在整个毕业设计过程中，软件的调试工作并没有花太长的时间。这与调试所采用的方法有关： 首先搭建好 程。编写好其中必不可缺的部分，如一些头文件、库文件等等。加入 始化和 分，编译通过并单步运行。用万用表检测电平是否和运行的指令相符合。 第二步，加入液晶显示部分。看 否正确初始化并显示简单的字符，遇到问题时同样可采用单步运行。通过这一步发现， 中屏有问题（不能正确写入数据），所以以下调试 均在左屏和右屏上进行。 第三步，加入中断服务部分。采用设置断点的方法，我们可以检查程序是否能进中断。如果不能进中断，那应该检查中断初始化部分：中断控制寄存器的初始化、中断向量表的初始化以及 初始化。能正确进中断后，直接调用显示字符子函数就可以显示相关数据。 在整个调试过程中发现，为实现液晶显示功能，在合适的地方加合适长度的延时至关重要。因为 别是 2812）的运行速度非常快，如果不加延时始化 统上电复位 始化 起始位置设定值 显示数据设定 响应外部中断