【《智能温控器的显示模块设计分析案例》4000字】

15 15智能温控器的显示模块设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u19272智能温控器的显示模块设计分析案例 1110831.1VGA显示 1274371.1.1VGA驱动原理 1246321.1.2字模生成 496511.1.3VGA显示字符 8244121.2数码管显示 8获取了环境的温度信息之后，需要把得到的温度测量结果显示出来。第二章已经说过，本设计中的温度信息将通过VGA显示器显示。除此之外，本设计还将引入7段数码管，作为智能温控器的副显示器，用来测试温度传感器采集到的环境温度信息。本章将着重介绍VGA显示。1.1VGA显示1.1.1VGA驱动原理VGA显示器采用逐行扫描的方式，比较容易理解，即从VGA显示屏幕的左上角开始，自左向右对每个点进行扫描，每扫描完一行之后，电子束就跳转到下一行左边第一个点；在此期间，CRT对电子束进行行消隐；每行结束时，用行同步信号进行同步；扫描完所有行形成一帧，然后用场同步信号进行同步，同时进行场消隐，并回到屏幕左上角开始下一帧的扫描[13]。如图4-1为VGA显示器的扫描轨迹。图4-1VGA扫描轨迹VGA行场扫描时序图如图4-2所示。图4-2VGA行场扫描时序图下面分别对场扫描和行扫描的时序进行介绍。如图4-3为VGA场扫描时序。图4-3VGA场扫描时序图图中各段描述如下[14]：a~b：场消隐期，即同步，还原扫描坐标。b~c：场消隐后肩，准备开始扫描。c~d：场显示期，扫描中，数据有效区域。d~e：场消隐前肩，完成扫描，准备同步。如图4-4为行扫描时序。图4-4VGA行扫描时序图图中各段描述如下：a~b：行消隐期，即同步，还原扫描坐标。b~c：行消隐后肩，准备开始扫描。c~d：行显示期，扫描中，数据有效区域。d~e：行消隐前肩，完成扫描，准备同步。本设计使用8寸的VGA显示器，其默认分辨率为800*600（4：3），刷新率是75Hz。对于这个分辨率和刷新率的VGA显示器，它的扫描行场时序的各种参数如下表所示：表4-1VGA行时序参数显示模式时钟行时序（扫描一行的时钟个数）同步脉冲显示后沿显示区域显示前沿帧长800*60075Hz49.5MHz80160800161056表4-2VGA场时序参数显示模式时钟列时序（行数）同步脉冲显示后沿显示区域显示前沿帧长800*60075Hz49.5MHz3216001625如表4-1和表4-2所示，行同步信号和场同步信号由同步脉冲（Sync）、显示后沿（BackPorch）、显示区域和显示前沿（FrontPorch）构成。因此，一个完整的帧图像的扫描时间，就是行时序帧长和场时序帧长的乘积：1056*625个时钟，即660000个时钟。刷新率为75Hz，表示每秒显示75个画面，所以每秒VGA的显示需要660000*75个时钟，即49500000个时钟。所以，800*600、75Hz的显示模式下，需要驱动时钟频率为49.5MHz。basys3开发板的晶振频率是50MHz，可以直接使用该时钟，也可以进行分频后使用49.5MHz的时钟。由于本设计使用的VGA显示器只能支持最高刷新率75Hz，故直接使用50MHz也无法显示出75Hz刷新率。1.1.2字模生成VGA显示器通过逐行扫描的方式显示内容，所以，要想实现VGA显示，要先知道每个像素点在VGA屏幕上的分布情况，即点亮相应的像素点，以实现相应内容的显示。所谓字模生成，就是把字符翻译成0和1数组的过程。本设计采用PCtoLCD2002完美版软件进行字模生成。PCtoLCD2002完美版软件界面如图4-5所示。图4-5PCtoLCD2002完美版软件界面生成字模之前，需要软件进行设置，如图4-6所示。图4-6PCtoLCD2002设置界面在这里，点阵格式选择阴码，即字符像素点亮，其余像素熄灭；取模方式选择逐行式，即生成的字模数组从左到右逐行显示；取模走向选择顺向，即高位在前低位在后；输出数制选择十六进制数；自定义格式中选择C51格式。设置完成后，我们可以生成一个字模进行查看效果，为了方便，这里选择8*16的数字“6”进行说明，如图4-7所示。图4-7数字“6”的字模下方对话框中会生成相应的数组，内容如下图所示。图4-8“6”对应数组从菜单栏可以看出“6”的长宽比为8*16，进而可以得知数组的每一行其实代表两行像素点，即“0x00,0x18”对应的是点阵的第二行。数组转换为二进制后的每一个元素就代表着一个像素，“1”表示点亮，“0”表示熄灭。“0x00,0x18”转换成二进制是“00011000”，表示中间两个像素点点亮，即数字“6”的最高处，可参考图4-7进行对比。在生成字模之前，有一点需要注意，就是英文长宽比与汉字的长宽比是不同的，对于数字来说也一样。如图4-5所示，当在菜单栏字宽字高处设置字宽和字高都是16时，其上方显示对应的英文长宽比为8*16，所以要注意调整字符的长宽比。这一点非常重要，笔者在一开始时并没有注意到这一细节，而是按照汉字的方式对数字和字母进行字模生成，由于汉字的宽度是数字和字母的两倍，VGA在对每个数字和字母扫描了一遍之后又扫描了一次，出现了字母重叠的情况，而且显示字母有残缺，导致VGA显示出错，检查了很多天才找到原因。一切设置完毕后，就可以生成字模的。温度的显示需要用到数字0~9以及温度单位“℃”，此外由于本温控器的分辨率为0.0625℃，所以还要用到小数点“.”。由于温度单位“℃”与数字0~9和“.”的长宽比不同，所以我们首先对数字“0~9”和“.”的字模进行生成，使用32*64的长宽比，如图4-9所示。图4-9数字0~9和“.”的字模为了适应数字的大小，我们调整长宽比为32*32，然后对“℃”的字模进行生成。图4-10“℃”的字模每个数字或符号对应的存储器数组独立储存，独立调用。只显示一串温度数值未免有些唐突和单薄，所以除了以上显示环境温度数值的字模，我们还需要在显示界面进行注明，即“当前温度”，使用32*32的长宽比，其字模如图4-11所示。图4-11“当前温度”字模这里我们直接将四个汉字一起生成字模，如果分别生成四个字母的字模，再按顺序依次调用四个汉字，势必会增加不必要的编程和调试工作，降低效率，浪费时间，显然是一种不明智的做法。1.1.3VGA显示字符生成字库后，则需要将温度的十六进制数转换成对应的二进制数，以像素的方式在VGA显示器上呈现。本设计使用800*600的VGA显示器，即每行有800个像素，共有600行。为了达到更好的显示效果，此处使字符从300行、150列左右开始，以使显示的字符在VGA显示器的中央区域。在字模数组中，“1”代表点亮，“0”代表熄灭。所以，当扫描到像素点的数值为“1”时，给该像素点赋予非黑的颜色即可，其余像素点赋予黑色。控制VGA显示的部分VerilogHDL程序语言如下：if(x_cnt>10'd300&&x_cnt<10'd557)begincase(y_dis)10'd151:if(char_line00[char_bit])vga_rgb<=8'b11100000;//红色elsevga_rgb<=8'b00000000;//黑色......10'd182:if(char_line1f[char_bit])vga_rgb<=8'b11100000;//红色elsevga_rgb<=8'b00000000;//黑色default:vga_rgb<=8'h00;endcaseend上述代码表示在（x，y）=（301，151）~（556，182）的区域显示“当前温度”四个字，显示颜色为红色，背景颜色为黑色。1.2数码管显示数码管是一种半导体发光器件，它的基本单元是LED发光二极管，设计中常用的LED数码管一般是七段式和八段式的，二者的区别只是七段比八段少了一个小数点，即一段发光二极管，其他部分相同。本设计使用的就是basys3开发板上自带的六位八段数码管，即六个由八个小的LED发光二极管构成的数码管，使用过程中通过控制不同LED发光二极管的亮灭来显示出不同的字形。八段数码管的引脚图如图4-12所示。图4-12八段数码管引脚图按照发光原理，数码管分为共阴极和共阳极两种类型。共阴极数码管就是把每个LED的阴极连在一起并接地，如果有一个LED的另一端被给到高电平，那么这个LED就会被点亮；共阳极数码管则是将LED的阳极连在一起，原理与共阴极类似，任一LED的另一端被给到低电平，它就会被点亮[15]。共阳极和共阴极的原理图如图4-13所示。图4-13共阴极（左）和共阳极（右）basys3开发板上的六位八段数码管类型为共阳极，如果使用了共阴极的方式数码管显示的图案将会非常混乱，笔者在设计的一开始就没有注意到这个问题，把basys3开发板上的八段数码管当成了共阴极进行编程，导致最终显示出的结果是一堆乱码，多浪费了很多不必要的时间。数码管的每个显示位除了小数点外都由七个分段组成一个“8”字形，且每个分段内部都嵌入了一枚微型LED提供照明，这些LED都可以单独点亮，所以通过点亮特定位置的LED可以实现任意一个显示位对共128钟可能的图案的显示，如图4-14所示。图4-14数码管的128种图案一般来说，在这128种图案中，只有对应于阿拉伯数字从“0”到“9”的10个图案的意义是最大的，同样，本设计中也只用到了这10种图案。前文说了共阳型数码管的运行原理，各个数字的使能方法及其对应的使能数据如表4-3所示（为例便于说明，此处以七段数码管为例）。表4-3数字0到9在数码管上的显示方法数字图案a段b段c段d段e段g段七段使能数据0点亮点亮点亮点亮点亮熄灭7’b11111101熄灭点亮点亮熄灭熄灭熄灭7’b01100002点亮点亮熄灭点亮点亮点亮7’b11011013点亮点亮点亮点亮熄灭点亮7’b11110014熄灭点亮点亮熄灭熄灭点亮7’b01100115点亮熄灭点亮点亮熄灭点亮7’b10110116点亮熄灭点亮点亮点亮点亮7’b10111117点亮点亮点亮熄灭熄灭熄灭7’b11100008点亮点亮点亮点亮点亮点亮7’b11111119点亮点亮点亮点亮熄灭点亮7’b1111011使能数据中，“1”代表点亮，“0”代表熄灭。对于多了小数点“.”的八段数码管，仅需要将上表中表示位数的“7”改为“8”，如果有小数点则在后面添“1”，否则添“0”。比如，如果要显示“1.”，则其使能数据为“8’b01100111”。然而，实际应用中的显示方法并非如此简单。经笔者多次尝试，如果要在最终的数据中加入小数点“.”使显示效果更加完美，则需要投入更大量的工程，因为它和温度数值的读取是不同的，DS18B20在检测环境温度时也只是读取了温度的二进制数值，十进制结果是系统根据每个数据的位置转化而来的，小数点是我们根据字节位置人为加入的，这一点可以参考第三章DS18B20温度传感器存储温度数据原理部分，或者直接查看串口助手显示的环境温度测量结果。我们要在数码管中加入小数点势必要耗费很大的力气，但小数点的存在与否对我们了解当前温度的影响并不大，毕竟我们的测温阈值有限，且在人体能够感知的范围之内，可以分辨出小数点在一串数字中的位置。所以，在综合考虑到设计效率和性价比之后，笔者决定此处省略小数