自动测试技术讲稿-第二章10(即原来的：自动测试技术讲稿-第二章9)

1、,自动测试技术,西安电子科技大学机电工程学院,测控工程与仪器系 贺华,第2章,自动测试技术,智能仪器基本系统的设计,2.1 仪器中单片机的工作模式与端口特性 2.2 存贮系统的扩展设计 2.3 仪用键盘系统设计 2.4 数据显示系统设计,自动测试技术,第2章 智能仪器基本系统的设计,三、 8279 可编程键盘 / 显示器件的应用 在较复杂，多功能的智能仪器和自动化检测系统中，不但采用的按键较多， 而且要显示的数据位数也多。用软件扫描键盘要占用大量的 CPU 时间，多位显示器的接口电路也比较复杂，在这种情况下可以选用专用多口键盘 / 显示接口器件，常见的芯片有8279和 SSK814 两种，前者

2、采用并行方式与计算机接口，工作速度较快； 后者采用串行方式与计算机接口，工作速度较慢。下面我们介绍 8279 与单片机的接口方法。,1、8279 的封装与引脚功能 8279 器件采用 40 脚双列封装形式如图 2-29 所示，它片内拥有显示 RAM 存贮器，可编程为 16个 8 位或两对 16 个 4 位的显示存贮缓冲区。与它接口的数字显示器可以从左到右，也可以从右到左顺序显示，最多可接 16 只数码管。片内还拥有一个先进先出（ FIFO ）8x8RAM 区，可用来存放键码。因此它的键盘接口可对 64 个按键组成的矩阵进行扫描。还可用SHIFT 状态使按键分为上下两档，使键盘可编程128种功能

3、。采用 8279 作键盘显示器接口电路， CPU 只需按一般 I/O 操作将显示数据写入 8279 中，在键盘有按键时， 8279也会自动发出中断请求，毋需 CPU 过多的干预，也就是说， 8279 能自动按设置完成数据显示和键盘扫描。,图 2-29 中各引脚的功能是： D7 D0 8 位双向数据总线，与单片机数据总线相连。 IRQ 中断请求输出，当 8279 检测到有键按下时此端发出高电平。 ， ， 片选、读、写信号线。, A0 命令 / 数据标志信号输入线，A0 =1 ，数据写入的是命令，读出的是状态数据； A0 =0，数据线上读写的是 I/O 数据。 SL3 SL0 键盘扫描或显示扫描信

4、号输出端，究竟是扫描键盘还是扫描显示器由方式控制字中的 D2 D0 位来选择。必须注意的是，该扫描信号有两种输出方法， 一种是片内四位二进制计数器直接输出四位二进制码，再经外部译码电路译码后输出 16 位行扫描驱动信号，这种方法称为编码输出方式 ; 另一种情况是它可以将扫描计数器低二位经译码器译码后输出四位行扫描信号，这种方法称为译码输出方式，只用于对 4 位熟悉显示器驱动和 4 8 键盘扫描。 A0 命令 / 数据标志信号输入线，A0 =1 ，数据写入的是命令，读出的是状态数据； A0 =0，数据线上读写的是 I/O 数据。, SL3 SL0 键盘扫描或显示扫描信号输出端，究竟是扫描键盘还是

5、扫描显示器由方式控制字中的 D2 D0 位来选择。必须注意的是，该扫描信号有两种输出方法， 一种是片内四位二进制计数器直接输出四位二进制码，再经外部译码电路译码后输出 16 位行扫描驱动信号，这种方法称为编码输出方式 ; 另一种情况是它可以将扫描计数器低二位经译码器译码后输出四位行扫描信号，这种方法称为译码输出方式，只用于对 4 位熟悉显示器驱动和 4 8 键盘扫描。 SHIFT 、 CNTL/STB 用以输入控制键的状态，具体功能要在计算机读入按键状态后由软件去设定。 消隐输出线。当显示器进行显示切换或消隐时输出有效低电平。 RESERT 8279 状态复位输入，高电平有效。,2、8279

6、的操作指令 8279 的工作方式是由 8 种操作指令来控制的，在这些指令中 D7 D5 用来指明操作的性质，D4D0 用来具体设定操作的内容，各种操作指令的编码方法如下。 键盘 / 显示器操作指令：,在左输入显示时，段码从最左一位开始一位一位地送入所对应的数码管位置。 右输入显示方式时，段码则从右到左排着队一位一位地移入到所对应的位置上。 在选通输入扫描显示方式中 RL7 RL0作为显示数据段码的输入口，而CNTL/STB 端则作为选通信号输入端用。,时钟编程命令： 格式： 用此命令设置分频系数以使外接入的 CLK 时钟达到 8279 所需的100kHz左右的时钟信号的要求，例如 CLK 信号

7、频率为 1MHz 时，要分频到 100kHz ，分频系数为 10 即P4P3P2P1P0 =01010 B 。,读 FIFO RAM 命令：键盘扫描方式时由于读键入数据总是先进先出 FIFO ，故此命令可以不起作用，它仅仅在传感器矩阵扫描方式中方有用处。 格式：,读显示缓冲器（ RAM ）命令： 格式：,写显示缓冲器（ RAM ）命令： 格式：,显示器写禁止 / 消隐命令： 格式： 上述消隐屏蔽命令 D3 或 D1 ,D2 或 D0 都是互不影响、独立作用的，且在复位时清 0 。,清除命令： 格式： 8279 接到清除命令后，要经历约 100 s 的清除过程，在此期间不允许有其它写操作。, I

8、RQ 恢复方式设置： 格式：,3、8279 的接口设计方式 在 8279众多操作方式中最常用的有两种，一种是所谓键盘行列编码扫描方式，另一种是键盘列值直接输入扫描方式。两种方式在 FIFO RAM 中存放信息数据的格式是不同的。,行列编码扫描方式中，读取的键值编码格式为：,列值直接输入扫描方式中 D7 D0 输入数据，只用来标志键盘状态的列值 RL7 RL0 ：,图2-30 8279与单片机的接口设计举例,图 2-30 画出了 8279 与单片机系统的一种接口方法。图中三只74LS240用作16位 8 段数码管和8 4 键盘的驱动。8279采用外部译码操作方式，用二片74LS138实现对行扫描

9、信号SL3SL0的译码，其中138 （1 ）输出低 8 位显示器的位控信号和键盘的行驱动信号， 138 （ 2 ）输出高 8 位显示器的位控信号。 16位数码管的段码驱动控制由 240 （ 3 ）完成，它的段码输入来自 8279 的 OUTA 和 OUTB 。当 =0 时，两只138 译码器输出全 1 ，经 240 反相达到控制消隐的目的。由于 8279 的片选接 ,A0 与单片机的A0 相连，因此当 位偶地址时，实现数据的读写，为奇地址时将完成对状态和命令的读写 。当键盘出现有效按键时，按键状态值自动进入 8279的 FIFO RAM 中并向单片机发出中断请求，单片机通过中断服务读取键盘数据

10、，再用程序进行识别完成按键所规定的操作。数码管显示内容的更新只需改变 8279 显示缓冲区 RAM 的内容就行。,图2-30 8279与单片机的接口设计举例,2.4.2 LCD 数据显示系统 液晶显示器具有低电压、微功耗、大信息量、长寿命的特点，已广泛应用于电子表、电视和个人计算机等技术领域。在许多便携仪器仪表和智能仪器中也有广泛的应用前景。 液晶是一种具有规则性分子排列的有机化合物，它即不是固体也不是液体，它是介于固态和液态之间的物质，把它加热时它会呈现透明的液体状态，把它冷却时它则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。液晶按照分子结构排列的不同分为三种：粘土状的Smectic液晶，细柱形的Nema

11、tic液晶和软胶胆固醇状的Cholestic液晶。这三种液晶的物理特性各不相同，而第二类的细柱形的Nematic液晶最适于用来制造液晶显示器。,基本上，液晶是同时具有固态和液态两种物理特性的物质。其中一个很炫的特色是（也是作用在LCD显示 器上的特色）它会依据所施加的电压来改变位置。 如同科学世界中的共同现象，液晶是偶然间被发现的。 1888年，Friedrich Reinitzer，奥地利植物学家，正在研究胆固醇在植物扮演的角色。其中一个实验是将提炼 物加热。他发现提炼结晶会在145.5度变成混浊液态然后在178.5度时成为真正液态。 他将他的发现与Otto Lehmann分享，他是位德国科

12、学家，他发现了该种液体具有某些水晶的特性，特别是暴露在光线下时的变化。所以由Otto Lehmann命名：液晶。,基本上，,一、液晶显示器的基本结构与驱动方法,液晶屏剖面图,1.偏振片 2.玻璃基板 3.公共电极 4.取向层 5.封框胶 6.液晶 7.隔垫物 8.保护层 9.ITO像素电极 10.栅绝缘层 11.存贮电容底电极 12.TFT漏电极 13.TFT柵电极 14.有机半导体有源层 15.TFT源电极及引线 16.各向异性导电胶（ACF）17.TCP 18.驱动IC 19.印刷电路板（PCB）20.控制IC 21.黑矩阵（BM）22. 彩膜（CF）,1,2,3,4,5,6,4,8,9,

13、13,10,2,12,18,11,7,19,1,20,14,15,16,17,21,22,实质运用上，有三种液晶技术用在LCD显示器。我们会在接下的篇幅描述TN + film（TN+视角扩大膜）、IPS（也称超级显示器）、MVA（Multi-Domain Vertical Alignment，画素分割垂直配向）。不论哪种技术被采用 ，所有LCD显示器都遵循相同的基本原则。 一或更多根霓虹管构成所谓的背光，照亮了显示画面。在较便宜的机种上灯管数目可能会仅限一根，但你可以在较昂贵机种上发现最多有四根。有两根（或更多）霓虹灯管丝毫不影响图像的品质。相反的，第二根灯管是当作第一根灯管一旦损害时的备援。

14、实际上，这样颇能延长显示器的工作寿命，因为一根霓虹灯馆通常只能延续50,000小时，但电子设备却要持续通电个100,000到150,000小时。 为了保证有均匀的显示画面，光线会在达到玻璃基板之前经过一组反射系统来重新导向。尽管第一眼瞥见时好像不是那么一回事，但玻璃基板却因为要这么做变的异常复杂。事实上，有两块玻璃面板，在子像素的两边各一块，都被红、绿或蓝色滤光片给覆盖着。在一台15吋显示器中，加起来有1,028 x 768 x 3= 2,359,296个子像素。每个RBG三元素被一个可以产生个别的电压的晶体管所控制。这样的电压，可变化的幅度很大，会造成每个子像素里的液晶向特定角度移动。该角度

15、决定了通过子像素光线的多寡，接着，成像在玻璃面板上。液晶实际的作用是让光线转向而能够在击中显示画面之前通过一个偏向的滤光片。如果液晶与滤光片以同样的方向排列，则光线会通过。另一方面，当液晶与滤光片呈垂直时，玻璃面板会变的黑暗无光。,选择视角 若从某一特定角度观察LCD，LCD会获得最佳对比度。该角度是在生产中确定的。这就叫做LCD的视角VIEW ANGLE）。 类似于从钟表的不同时间朝钟表中心观察，因此定义了两种视角。,选择偏光片 根据所用的反射片的不同，LCD可以是反射型、半透型或透射型。反射型的LCD只可反射从前面进入的光线。透射型的LCD不反射光线，但允许从后面来的光线通过。半透型的LC

16、D反射从前面进入的光线并允许从后面来的光线通过。,由图 2 31所视的基本结构图可知，将一片具有显示段电极膜的基板玻璃和另一片具有公共电极膜的基板玻璃对接在一起，四周用热固化环氧树脂进行封装，两片基板玻璃之间留有约10m 的间隙， 在真空条件下注入液晶材料，用树脂封好后再在前后表面贴上偏振片即制成了一只液晶显示器。在使用时常把上基板上的字形段码电极称为段极，把下基板电极称为背极。我们只要在两极板间加入一定的电场，就可按电极形状显示出相应的图像来。上下导电基板电极的形状不同，所显示的图像也不同。常见的有笔画段形式和点阵式两大类，其基本结构如图 2 32 (a) 、 (d) 所示。,帧反转,液晶显

17、示,有源方式,无源方式,点反转,静态驱动法,动态驱动法 多路驱动法,行反转,笔段、棒形显示 数字、文字等,矩阵显示 任意图形,高分辨率彩色视频显示, 液晶显示主要采用交流驱动,液晶显示驱动驱动方式比较,从电路设计角度理解，可以把一个液晶显示器的一个显示段或显示点等效为由段极和背极组成的一个液晶体空间，其显示驱动电路的基本形式和电极波形如图 2 32 (e)、(c) 所示。,由振荡电路产生的对称方波信号经分频器分频后输出一定频率背极驱动信号，与此同时该信号经异或门控制，可以产生一个与反相或同相的段极电压信号 。当控制电极 A 为低电平时，与同相， - = 0，液晶显示器灭显。当 A 为高电平时，

18、与反相，- =2，液晶显示器显示。,我们注意到液晶显示器的驱动方法与LED显示器是不同的，它的两个电极所加显示驱动电压的极性必须是交变对称的交流电压或零，任何残留的直流电场都会导致液晶材料的化学反应和电极的老化，使液晶显示器的寿命迅速下降。,由于显示图象形状段极和背极的排列组织方法不同，液晶显示器的驱动控制方法也是不同的。从总体看有静态驱动法和动态驱动法两种。这些驱动控制电路都比较复杂，因此在实际使用时都选用集成器件进行接口电路设计。 液晶显示器的使用，从电路设计来讲倒不如说是液晶显示器的驱动控制器件的使用。下面我们介绍几种在仪器仪表中常用的液晶显示驱动控制器件。,二、采用 ICM7211 液

19、晶显示驱动器的接口设计,图2-33ICM7211封装引脚图,ICM7211 是一种 4 位数字式液晶显示驱动器件 ， 它有 ICM7211IPL 、 ICM7211AIPL 、 ICM7211MIPL 和 ICM7211AMIPL 四种型号。 这些器件可以用来驱动四位七段数字式液晶显示器，片内自带 RC 振荡器，并可以进行级联，构成更多位的显示系统。它采用 CMOS 工艺，器件功耗极低。 IPL 型、 AIPL 型芯片有 4位数字输入端和四位位控输入端，适于与 8255 、 8031 等芯片直接接口。 MIPL 型、 AMIPL型芯片有四位4位数字输入、 2位地址和2位片选输入端，适于直接在单

20、片计算机系统中应用。另外，IPL 、MIPL两种芯片可译码显示0F 十六种字符，而 AIPL 、 AMIPL 两种芯片只译码显示 0 9 、一、 E 、 H 、 L 、 P 等字符，在选用时必须加以注意。图 2-33 是该器件的引脚封装图。,二、采用 ICM7211 液晶显示驱动器的接口设计,图2-33ICM7211封装引脚图,图中： a4 g4 、 a3 g3 、 a2 g2 、 a1 g1 是四组七段字形码驱动信号输出端。 OSC ， BP是片内信号发生电路的两个对外端口。当芯片单独使用或在联机是作主机时， OSC 悬空不用，只由 BP 端输出约 150Hz 的背极驱动信号。在联机使用中作

21、从机使用时， OSC 端要接地，主驱动信号由BP 端输入作片内控制。 B3 B0 是显示字符代码输入端。 D4 D1是显示位选通控制信号输入端，高电平有效。其中 D4 指向最高显示位， D1指向最低显示位。在M型芯片中这四位分别采用寻址选通方式。在CS2(D4)、CS1(D3)处00的条件下，显示位由A2(D2)和 A1(D1) 的编码确定。,图 2 - 34 画出了用 7211 器件设计的四位数码液晶显示器与单片机系统的接口方法。,图2-34 7211与单片机的接口方法,在这个方案中，将 7211 接在单片机的一个具有位操作能力的 I/O 端口上，因此驱动程序设计比较简单。例如希望将 803

22、1累加器 A 中的一位 BCD 码显示在 D1 所指的显示位上，驱动程序如下： ;适用8031P1口 ANL A,#0FH ;取出A中BCD码 MOV P1,A ;将数据输出上线 SETB P1.4 ; 数据写入7211显示 CLR P1.4 ;准备显示下一位 .,可以用几种方法将LCD与PCB（印刷线路板）连接。用户应当结合产品的应用场合，性能要求，加工条件等，选择合适的连接方式。,三、字符形液晶显示模块 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示数字和符号的点阵液晶显示组合器件。它将一片点阵字符型的液晶显示器用导电橡胶压装在一块双面印刷电路板上，印刷板的另一面安装所需的驱动器、控制器和分压电路，

23、使整个模块构成一个完整的液晶显示系统，用户只需按规定进行简单的接口设计，就可以实现对液晶的控制和驱动。因此这种组合模块是智能仪器的一种理想 LCD 显示部件。 字符型模块所用的液晶显示器件，其点阵显示图形是按字符显示规则排列的，有 5 7 或 5 11等多种组成形式。对点阵字形显示的控制和驱动由模块中所装的一片 HD44780 芯片负责完成，因此为了用好模块，我们先对 HD44780 的功能作一些介绍。,1、 HD44780 的引脚功能和特点 HD44780是一种液晶显示器的专用控制与驱动集成器件，它具有控制和驱动 4016点阵液晶像素的能力，片内拥有显示缓冲区和用户自定义的字符发生器 CGR

24、AM。它的接口设计特别适于与 Motorola 单片机的联接，有较强的控制指令，可以实现显示字符的移动和闪烁。,6个中断源,图 2-35 是它的封装引脚图。图中各引脚的作用是： (1) SEG1 SEG40 、 COM1 COM16 和 V1V5 都用于与液晶显示器件段极、背极和驱动电源的联接。 (2) DB7 DB4 、 DB3 DB0 是两组三态总线 ，即可以按字节操作，也可以按半字节操作，在半字节操作时低四位无效。 (3) E 、是时钟、读写线。 (4)RS 是片内寄存器选择信号输入线 。RS=0时，可读写片内指令寄存器， RS=1 只读写片内数据寄存器。注意，在8位总线操作时，指令数据

25、是一次读写完成的。而在 4 位总线操作时，第一个 E 脉冲读写高4位，第二个E 脉冲读写低 4 位。 (5)OSC1 、 OSC2 是片内时钟电路引出端，一般外接一只 9.1K的精密电阻即可 。时钟电路的工作频率约为 250Hz 左右，时钟信号也可以通过 OSC1 外接输入。 (6)D （数据输出）、 M （交流驱动信号输出）、 CL1 （列驱动锁存信号输出）、 CL2 （列驱动数据移位时钟输出）、VCC 、 V1 V5 （驱动器偏置电压）等都是用在模块内部作各驱动器控制信号或进行功能扩展连接。,HD44780 对显示过程的逻辑控制全由片内逻辑电路自动完成，其主要逻辑功能有： (1) 对系统进

26、行加电复位控制。芯片被复位后，将清屏关显示设置，并将总线设为 8位操作，显示方式为 5 7 字体。 (2) 片内设有地址计数器AC，可以用指令设定它作显缓DDRAM 的指针或作字符发生器CGRAM 的地址指针。 AC 的计数方式可由指令设置为自增 1 或自减 1 方式工作， AC 的内容直接指示了光标的当前位置。 (3) 具有光标设置和字符闪烁控制能力。光标是一条在字符下面的底线，闪烁可表示为光标的闪烁或字符的闪烁，这些都是可以用指令加以设置的。,3、CGRAM 、 CGROM 与 DDRAM 功能 HD44780 除了有用户自定义用的字符发生器CGRAM 外还有一个已固化好的字模库CGROM （见附录四）。它存有 160 种 5 7 点阵字符和 32 种 5 10的字符。对表内的字符，我们只需按需调用即可，十分方便。表内没有的字符，用户可利用 CGRAM 自己定义。 CGRAM 共 64 个字节，若按 5 8 点阵定义可存放 8 个字符。若按 5 11 点阵组字，可存放 4 个大字。 片内 DDRAM 是一个容量为 80 个字节的显示缓冲区，用来存放将要显示的字符代码。 DDRAM 的字符代码存放格式与液晶显示位置排