摘要：針對利用微控制器（MCU）控制液晶顯示驅(qū)動器（LCD）的應用開發(fā)實例，提出一種采用串行方式來設計微控制器和液晶顯示驅(qū)動器之間接口的方案。該方案是在現(xiàn)有點陣式液晶顯示屏上附加一個MCU，通過程序設計利用MCU的I/O端口去模擬I2C串行總線，從而實現(xiàn)利用MCU去控制LCD的目的；同時介紹一種在圖符液晶顯示系統(tǒng)中顯示動態(tài)曲線的技術和實現(xiàn)方法。

    關鍵詞：液晶顯示驅(qū)動器 I2C串行總線 MSP430

1 概述

點陣式液晶與外部的硬件接口簡單，能以點陣或圖形方式顯示出各種信息，因此在電子設計中得到廣泛應用。但是，對它的接口設計必須遵循一定的硬件和時序規(guī)范，不同的液晶顯示驅(qū)動器，可能需要采用不同的接口方式和控制指令才能夠?qū)崿F(xiàn)所需信息的顯示。某些液晶顯示驅(qū)動器與外部的接口必須采用串行方式，而其串行接口往往不是標準的串行接口，這就為這類液晶顯示驅(qū)動器的設計帶來了困難。

針對上述問題，本文提出一種利用微控制器（MCU）的I/O端口，通過軟件設計模擬與所使用的液晶顯示驅(qū)動器規(guī)范相符的串行總線的設計思想，實現(xiàn)MCU對液晶顯示驅(qū)動器的控制，從而建立起一套不但可以顯示各種字符，而且可以動態(tài)顯示曲線的游人顯示系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設計

本文所建立的液晶顯示系統(tǒng)，選用美國德州儀器（TI）公司的MSP430F149微控制器來控制液晶顯示驅(qū)動器uPD16682A，從而實現(xiàn)各種信息的顯示。

2.1 MSP430F14X微控制器簡介

TI公司的MSP430F14X微控制器與其它MSP430系列微控制器相同，均甚至一個真正的正交16位RISC CPU內(nèi)核：具有16個可單周期全尋址的16位寄存器，僅27條的精簡指令集以及7種均采用雙重取數(shù)據(jù)技術（DDFT）的一致性尋址方式。DDFT技術利用每個時鐘脈沖對存儲器進行兩次數(shù)據(jù)存取操作。從而不再需要復雜的時鐘乘法和指令流水線方案。

    MSP430F14X系列MCU片內(nèi)不但包括60多KB的Flash、2KB的RAM、一個看門狗時鐘、12位16通道的A/D轉(zhuǎn)換器、定時器、高精度比較器、PWM以及高速的USART控制器等常用資源，還在某些型號中集成了LCD控制器。其I/O資源豐富，且每個輸入/輸出（I/O）引腳上都提供了矢量中斷功能，每個外圍器件都支持復雜的事件驅(qū)動型操作。同其它微控制器相，帶片內(nèi)Flash的微控制器可將系統(tǒng)功耗降低5倍，并且減小了硬件線路板空間，與現(xiàn)代程序設計技術（如計算分支以及高級語言（如C語言）結(jié)合使用，使得MSP430的體系結(jié)構(gòu)更為高效。

MSP430F14X可采用一個集成的數(shù)字控制振蕩器（DCO）或外部高速晶振對系統(tǒng)進行定時，其工作電壓范圍為1.8～3.6V，并可根據(jù)需要提供高達8MIPS（每秒百萬條指令）的操作性能，對于對成本非常敏感的應用，該系列器件能夠采用DCO來工作而無需外部晶振，快速的指令執(zhí)行周期配之以低于6ms的等機啟動時間，使得系統(tǒng)總功耗比競爭器件低了10倍，大大延長了諸如公用設施計量、便攜式儀表測試和智能檢測等工程應用系統(tǒng)中的電池使用壽命。

MSP430F14X系列微控制器允許用戶使用標準C語言進行程序編程，并提供高效的C語言編譯環(huán)境；配之以支持對具有仿零點功能的快閃產(chǎn)品進行豐取的快速實時仿真工具FET及優(yōu)良的調(diào)試環(huán)境，使MSP430F14X系列微控制器在工程設計中得到了廣泛應用。

2.2 液晶顯示驅(qū)動器uPD16682A簡介

uPD16682是NEC公司2001年初推出的液晶顯示驅(qū)動器，該產(chǎn)品內(nèi)置大容量顯示RAM內(nèi)存，并能夠提供132×65點陣的全點顯示，特別適合用于16×16或12×12點陣中、日文字符顯示。該產(chǎn)品采用+3V單電源供電，內(nèi)置升壓電路并具3倍壓和4倍壓兩種工作模式，支持8位串行或并行數(shù)據(jù)的輸入，內(nèi)置時鐘發(fā)生電路和程序可編程控制的偏壓電路。

（1）uPD16682A的顯示內(nèi)存

uPD16682A的顯示RAM內(nèi)存保存著被顯示內(nèi)容的點陣信息。顯示RAM的每一位對應顯示屏上的一個點，總共可以存儲132×65點的信息；通過選擇對應的RAM頁地址和列地址，微控制器可以訪問其中的任何一個點。微控制器對uPD16682A的顯示RAM的讀寫操作通過uPD16682A的I/O緩沖器進行（串行模式下uPD16682A不支持讀操作），并且該讀操作和液晶顯示屏驅(qū)動信號的讀取操作是獨立的，因此，當顯示內(nèi)存的數(shù)據(jù)同時被雙方訪問時，不會出現(xiàn)顯示信息的抖動等現(xiàn)象。從微控制器讀入的顯示數(shù)據(jù)按照D7～D0的數(shù)據(jù)位順序與液晶顯示屏的行順序一一對應，其顯示關系對應圖如圖1所示。如果在系統(tǒng)中使用了多片uPD16682A，則在片間進行顯示數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移和顯示一整幅圖案時用戶就會有很大的自由度。

（2）uPD16682A與微控制器的接口

uPD16682A可以通過8位雙向數(shù)據(jù)總線（并行模式下）或者通過串行總線接收來自微控制器的數(shù)據(jù)，這兩種模式可以通過將其P/S引腳置高或置低進行選擇。當工作于并行輸入模式下時，uPD16682A的片選信號端、讀寫信號端以及控制信號端（A0）和數(shù)據(jù)線（D0～D7）都應該同微控制器的對應端口進行連接。此時uPD16682A內(nèi)部顯示RAM的數(shù)據(jù)以刷新液晶顯示的內(nèi)容，也可以通過數(shù)據(jù)總線讀取顯示內(nèi)存的內(nèi)容。當工作于串行模式下，uPD16682A僅使用數(shù)據(jù)線D6輸入串行數(shù)據(jù)，即串行總線的數(shù)據(jù)輸入端（SI），數(shù)據(jù)線D7被用作時鐘輸入（SCL）端，并將片將信號和控制信號（A0）同微控制器總線進行連接，置高或接地讀寫信號。此時uPD16682A內(nèi)部顯示RAM的數(shù)據(jù)訪問是單向的，即微控制器只可以向顯示RAM寫數(shù)據(jù)以刷新液晶顯示的內(nèi)容，但不可以讀取顯示RAM的內(nèi)容。

（3）uPD16682A的串行接口

uPD16682A的串行接口是TTL電平，不是標準的串行接口，對串行數(shù)據(jù)的接收沒有具體波特率、數(shù)據(jù)接口協(xié)議的要求，內(nèi)部包括1個8位的移位寄存器和1個3位的計數(shù)器。UPD16682A在每個串行時鐘的上升沿將串行數(shù)據(jù)捕獲到其內(nèi)部的移位寄存器，同時計數(shù)器自動加1。當串行數(shù)據(jù)按照D7～D0的順序被依次捕獲到后，在第8個時鐘周期的上升沿，已接收到內(nèi)部的8位串行數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成一個8位的并行數(shù)據(jù)；同時，uPD16682A讀取控制信號線A0上的電平，并且根據(jù)A0信號來判斷當前被寫入的8位串行數(shù)據(jù)是一個顯示數(shù)據(jù)還是一個控制命令。對控制信號線A0的讀操作由uPD16682A的內(nèi)部定時器來控制，在每隔8個串行時鐘之后自動操作一次。

（4）uPD16682A的控制指令

uPD16682A通過讀取其控制信號線A0的電平來判斷當前從片外設備接收的數(shù)據(jù)是一個顯示數(shù)據(jù)還是控制命令。當A0電平為高時，認為接收到的是一個顯示數(shù)據(jù)；而當A0電平為低時，則認為接收到的是一個顯示控制命令。利用uPD16682A的控制命令可以實現(xiàn)對uPD16682A大多數(shù)操作的控制。

2.3 uPD16682A與MSP430F149的硬件接口設計

圖2是系統(tǒng)uPD16682A與MSP430F149的硬件接口示意圖。圖中系統(tǒng)采用4MHz晶振，并由系統(tǒng)時鐘分頻得到其它內(nèi)外設所用的時鐘。MSP430F149和uPD16682A相連接的I/O口被定義為輸出，MSP430F149利用片內(nèi)12位A/D采集傳感器變換后的電壓信號。經(jīng)程序處理后，通過上述I/O口傳送到uPD16682A進行信息顯示。由于驅(qū)動液晶顯示的電壓需要十幾V，如果系統(tǒng)板采用+3V單供電，則液晶顯示驅(qū)動器必須采用片內(nèi)升壓電路。圖中uPD16682A采用內(nèi)部4倍壓連接方式。

2.4 軟件設計

MSP420F149允許用戶標準C進行編程，并提供高效的C編譯環(huán)境。如果對程序運行時間的要求不是很荷刻，采用C語言進行程序開發(fā)應當是編程人員的首先。以下主要介紹關于自定義串口總線的程序設計，同時介紹一種在uPD16682A下的畫點和畫線函數(shù)，提供在釁符顯示屏下顯示曲線的實現(xiàn)方法，從而為程序?qū)崿F(xiàn)動態(tài)顯示波形提供了可能。

    2.4.1 串行口控制程序

微控制器送往uPD16682A的數(shù)據(jù)有顯示數(shù)據(jù)或顯示命令兩種。兩者的區(qū)分由uPD16692A控制信號線A0的狀態(tài)來表征，因此將MSP430F149的Port2.2端口電平置高或置低就可控制uPD16682A的狀態(tài)。

按照uPD16682A串行接口聽原理，為了向其寫入一個8位或16位的數(shù)據(jù)，首先必須通過程序設計向uPD16682A產(chǎn)生一個時鐘輸出。時鐘產(chǎn)生可以有兩種方式。一是利用微控制器定時器中斷，定時依次從I/O端口輸出高、低電平。二是利用指令產(chǎn)生和數(shù)據(jù)同步的時鐘脈沖，通過產(chǎn)生一個電平的跳變沿將位數(shù)據(jù)送到uPD16682A，然后通過逐次移位，就可以將一個8位數(shù)據(jù)寫進uPD16682A內(nèi)部的數(shù)據(jù)鎖存器。在第8個時鐘脈沖的上升沿，鎖存器中數(shù)據(jù)炙一個8位的并行數(shù)據(jù)，同時根據(jù)A0信號線睥電平來顯示圖符或執(zhí)行相應的控制命令。雖然這里的串行數(shù)據(jù)的發(fā)送沒有具體波特率和數(shù)據(jù)接口協(xié)議的要求，但是在編寫程序時，必須認真考慮串行方式下各個信號的時序。以下是向uPD16682A寫入一個8位控制命令的程序：

void Set_Address(unsigned char column,unsigned char page){

unsigned char ColH,ColL;

//設頁地址

ColH=page|0xB0;

Write_Command(ColH);

//設列地址

ColH=(column&0xF0)>>4；

ColH|=0x10;

ColL=column&0x0F;

Write_Command(ColH)；

Write_Command(ColL);

}

2.4.2 字符顯示屏上的曲線繪制程序

有了上述程序，就可以方便地在uPD16682A上指定位置顯示設定的圖案和字符了。如果用戶需要動態(tài)地展示信號波形和曲線，還可設計出專用的畫點和畫線函數(shù)，從而大大提高了字符液晶顯示屏的動態(tài)圖形顯示能力。通常而言，液晶顯示屏上的一點對應液晶顯示驅(qū)動器顯示RAM中的一位。顯示RAM中的某位為1，則在液晶顯示屏上的相應點即為點亮狀態(tài)；而要想實現(xiàn)在液顯示屏上動態(tài)的顯示點和曲線，必須用到顯示RAM中的數(shù)據(jù)。通常的做法是讀取指定點周圍的數(shù)據(jù)，然后在這些點中的某個指定位置插入1位，從而將液晶顯示屏上的指定點點亮，這就是基本的畫點原理。但是，在串行方式下，uPD16682A不具備數(shù)據(jù)讀出能力。為此，我們仿照顯示RAM顯示的方式，在MSP430F149的數(shù)據(jù)區(qū)開辟了一塊和uPD16682A顯示RAM同樣大小的內(nèi)存塊，在向uPD16682A顯示RAM寫入顯示數(shù)據(jù)的同時，也向該內(nèi)存塊的對應位置寫入同樣的數(shù)據(jù)，保證了該內(nèi)存塊的內(nèi)容和uPD16682A顯示RAM中的數(shù)據(jù)是同步刷新的。因此在畫點函數(shù)中，我們直接從該內(nèi)存塊中取出需要的顯示數(shù)據(jù)進行處理，然后再通過自定義串行總線送往uPD16682A進行顯示。用這種方式，我們實現(xiàn)了在液晶顯示屏的任意位置畫出一個點，并且還可以利用這種方式編制自己的畫線函數(shù)，這樣就使uPD16682A具備了動態(tài)顯示波形的能力，也就擴展了字符液晶顯示屏動態(tài)曲線波形的顯示功能。以下是uPD16682A編寫的畫點函數(shù)：

void DrawPointXY(unsigned char x,unsigned char y){

unsigned char page,dot,dat,CouL,CouH;

dot=0x01;

page=y/8; /*計算當前點頁地址、列地址*/

r_page=page; /*點亮當前點并保持周圍點信息不變*/

r_column=x;

page|=0xB0;

dat=y%8;

dot=dot<

CouH=(x&0xF0)>>4;

/*通過自定義串行總線向uPD16682A發(fā)送數(shù)據(jù)*/

CouH=CouH|0x10;

CouL=(x&0x0F);

Write_Command(page);

Write_Command(CouH);

Write_Command(CouL);

dat=DisplayRam[r_page][r_column];

dat|=dot;

Write_DisplayData(dat); /*向顯示RAM寫入數(shù)據(jù)*/

}

程序中的二維全局數(shù)組DisplayRam[][]即為在MSP430F149中開辟的內(nèi)存塊，用于保存當前uPD16682A顯示RAM中對應位置的顯示數(shù)據(jù)。全局變量r_page和r_column分別保存8位顯示數(shù)據(jù)的頁地址和列地址。

如果想進一步實現(xiàn)曲線的顯示，程序中則需要計算兩個點之間在X方向和Y方向上的偏差，并依據(jù)偏差大小來插入要顯示的點。本系統(tǒng)中，用這種設計方法獲得了平滑的曲線顯示效果。

3 應用

經(jīng)實踐證明，本文所介紹的利用微控制器的I/O端口實現(xiàn)微控制器和液晶顯示驅(qū)動器之間的自定義串行總線的設計方案，取得了很好的應用效果。設計的液晶顯示系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，開發(fā)的在字符型LCD下動態(tài)顯示曲線波形的技術，擴展了字符型LCD動態(tài)顯示曲線的功能，也為液晶顯示驅(qū)動器的應用開發(fā)提供了一種新的途徑。本文所提出的用軟件模擬串行總線的方法具有很強的通用性，為實現(xiàn)I2C串行接口提供了一種新方式。