多路复用LCD与Zilog的Z8 Encore微控制器的编程

　　使用 8 位 MCU、小型 BOM 和本文提供的可下载代码来驱动多路复用 4 段 LCD 是一件简单的事情。

　　无需微控制器上的专用 LCD 驱动器即可直接驱动 LCD，并且需要很少的额外资源。LCD 有两种类型——静态和多路复用。本文讨论了多路复用 LCD 与 Zilog 的 Z8 Encore！® 微控制器的编程。

　　Z8 安可！闪存微控制器概述

　　Zilog 的 Z8 安可！产品基于 eZ8™ CPU，并将闪存引入 Zilog 广泛的 8 位微控制器系列。闪存在线编程能力允许更快的开发时间和现场程序更改。eZ8 内核的高性能、基于寄存器到寄存器的架构保持与 Zilog 流行的 Z8 MCU 的向后兼容性。

　　Z8 安可！MCU 将 20 MHz 内核与闪存、线性寄存器 SRAM 和大量片上外设组合在一起。这些外围设备造就了 Z8 Encore！MCU 适用于各种应用，包括电机控制、安全系统、家用电器、个人电子设备和传感器。

　　驱动液晶显示器

　　静态 LCD 具有用于 LCD 的每个段的单独引脚和一个公共背板引脚。照亮分段的要求是使分段偏向背板。另一个要求是 LCD 不能让直流电 （DC） 出现在段上。

　　为了防止段上出现直流，背板用低频方波驱动，段相对于背板进行切换。

　　多路 LCD 具有多个背板，并且多个段之间共享一个段引脚。为了照亮特定的段，段引脚与背板相反驱动，未使用的背板保持空闲状态。背板再次使用低频方波驱动，以防止分段上的直流偏置。

　　挑战

　　由于段的多路复用排列，对多路复用 LCD 进行编程可能是一项艰巨的任务。多路复用 LED 通常为每个 LED 数字配备一个单独的背板。然而，多路复用 LCD 将其背板布置在数字的顶部、中间和底部。这种安排会使解码过程变得非常复杂，但重要的是，即使具有专用 LCD 驱动器的微控制器仍然需要一个困难的解码过程（见图 1）。

　　图 1：分段排列。

　　下一个工程任务与照亮一段所需的电压有关。多路复用段的 ON 驱动电平降低了，因为该段大部分时间都处于空闲状态，并且只有 25% 的时间被断言。实际上，这句话意味着在较低的工作电压下，一个段可能不会发光。

　　更复杂的情况是，当共享段引脚由当前活动的背板断言时，段可以在其关闭状态下感知电压电位。随着更多的背板被添加到显示器，这些对比问题可能会变得更糟，因为每增加一个背板，可用的导通电压就会降低，而剩余的关断电压会增加。

　　图 2 显示了每个背板的对比度如何降低，因为 ON 段和 OFF 段之间的差异较小。在图 2 中，带有一个背板的静态显示器在开启电压时接收其可用 Vcc 的 100%，在关闭电压时接收 0%。在三平面示例中，V cc的一半可用于 ON 电压，OFF 段接收 V cc的四分之一。LCD 因制造商而异，但典型阈值电压为 2.3 V RMS。

　　图 2：驱动电平。

　　由于只有一半的 V cc可用于导通电压，因此很容易看出 3.3 V 微控制器如何无法直接驱动多路复用 LCD。本文的目的是展示您可以在 3 V Z8 Encore 上驱动多路复用 LCD！单片机。

　　硬件架构

　　要使用 3 V MCU 驱动多路复用 LCD，必须提高驱动电平。为了减少门数和复杂性，只对背板进行了提升。段驱动电压摆动高于和低于 Vcc 的二分之一；因此，增强的背板信号必须使用 Z8 Encore 以相同的方式执行！MCU 的端口引脚作为两个电荷泵，参考电压为 V cc的二分之一。IC1，4050缓冲器用于提供电平转换功能。

　　每个背板被驱动为高电平，并在其他平面被驱动时处于空闲状态。该过程被反转以去除任何直流分量，如图 3 所示。

　　图 3：背板波形。

　　通过在有源背板的相反方向上驱动段引脚来打开段，通过在有源背板的方向上驱动引脚来关闭段。在背板的空闲状态期间，任何段上的电压都低于阈值电压。结果，这些段保持不亮。

　　软件实施

　　由于 Z8 Encore 的额外速度和内存！家庭，假设开发发生在 C 编程语言中。如果软件被编写为易于移植，则用 C 编写的应用程序可以轻松移植到不同的环境。

　　考虑到这一点，宏用于特定于 I/O 的操作，以便在将代码移植到另一个设备时，大部分软件将保持不变。

　　以下代码段维护电荷泵。

　　/*电荷泵定义

　　电荷泵提升段驱动电压并在每个定时器中断时提供服务。正泵被拉低以充电并浮动到输入状态。充电时负泵悬空。电容以 1/2 VCC 为参考，电容器上的电荷似乎是 VCC +/- 参考。该宏还初始化端口的端口模式，因此它总是被刷新。

　　*/

　　#define ChargePumpsPDADDR=PxHD;

　　PDCTL|= B3|B4; PDOD&=~B3;

　　PDOD|=B4；PDADDR=PxOC；

　　PDCTL&=~（B3|B4）; PDADDR=PxDDR；

　　PDCTL&=~（B3|B4）

　　#define FloatPumpsPDADDR=PxDDR; PDCTL|=B4|B3

　　以下宏管理背板驱动器。这些宏很复杂，因为每个背板只需要一个引脚，但每个背板需要两个引脚状态。

　　/*背板驱动器需要三种状态：ON、OFF 和 IDLE。通过将 BP1 与 BP2、BP2 与 BP3 以及 BP3 与 BP1 混合，可以在每个平面上获得所有三种状态，而无需额外的引脚。

　　PlaneX123

　　_______________

　　BP11101

　　BP20110

　　BP31011

　　`BP10010

　　`BP21001

　　`BP30100

　　*/

　　#define SetUpBackplanePDADDR=PxOC;

　　PDCTL&=~（B0|B5|B6）;

　　PDADDR=PxDDR；PDCTL&=~（B0|B5|B6）

　　#define BP1PDOD&=~B6; PDOD|=B0|B5

　　#define BP2PDOD&=~B5; PDOD|=B0|B6

　　#define BP3PDOD&=~B0; PDOD|=B6|B5

　　#define NotBP1PDOD&=~（B0|B5）; PDOD|=B6

　　#define NotBP2PDOD&=~（B0|B6）; PDOD|=B5

　　#define NotBP3PDOD&=~（B5|B6）; PDOD|=B0

　　最后，用于驱动段的宏。

　　/*下一个宏获取存储在显示缓冲区中的各个段并将它们放在端口上。它可以在没有宏的情况下完成，但这使它更通用。将有六个平面和两个缓冲区，因为有超过 8 个段*/

　　#define DisplaySegmentsPAOD&=~0xF8;

　　PAOD|=（缓冲区［平面］&0x00F8）; PCOD=0；

　　PCOD|=（（缓冲区［平面］&0x7F00）》》8）

　　如前所述，多路 LCD 中涉及的困难编程是一种相当不寻常的多路复用方案。前面的宏只是将先前解码的段从缓冲区放到端口上。由于解码过程如此复杂，它不在中断服务程序 （ISR） 中执行。ISR 必须尽可能短；ISR 中所需的只是设置背板和驱动段。缓冲区是一个整数数组，其中包含我们显示中使用的 12 个段。该数组中的一维是平面。此维度中有六个平面，每个背板状态一个：A、B、C、A‘、B’ 和 C‘。解码过程完成后，缓冲区必须加载跨越六个平面的 12 段数据。

　　解码的第一步是定义字符的显示方式。此定义适用于所有七段显示器。因此，可以重用以下代码段。

　　#define Dig_0Seg_a | 段_b | 段_c | 段_d | 赛段 | Seg_f

　　#define Dig_1Seg_b | Seg_c

　　#define Dig_2Seg_a | 段_b | 段_g | 赛段 | Seg_d

　　#define Dig_3Seg_a | 段_b | 段_g | 段_c | Seg_d

　　#define Dig_4Seg_f | 段_g | 段_b | Seg_c

　　#define Dig_5Seg_a | 段_f | 段_g | 段_c | Seg_d

　　#define Dig_6Seg_a | 段_f | 段_g | 段_c | 段_d | Seg_e

　　#define Dig_7Seg_a | Dig_1

　　#define Dig_8Seg_g | Dig_0

　　#define Dig_9Seg_a | 段_f | 段_g | 段_b | Seg_c

　　#define Dig_ASeg_a | 段_b | 段_c | 段_g | 赛段 | Seg_f

　　#define Dig_bSeg_f | 赛段 | 段_g | 段_d | Seg_c

　　#define Dig_CSeg_a | 段_f | 赛段 | Seg_d

　　#define Dig_dSeg_b | 段_c | 段_d | 赛段 | 说_g

　　#define Dig_ESeg_a | 段_f | 赛段 | 段_d | Seg_g

　　#define Dig_FSeg_a | 段_f | 赛段 | Seg_g

　　#define Dig_gSeg_a | 段_f | 段_g | 段_b | 段_c | Seg_d

　　#define Dig_hSeg_g | 段_c | 赛段 | Seg_f

　　#define Dig_IDig_1

　　#define Dig_JDig_1 | Seg_d

　　#define Dig_LSeg_d | 赛段 | Seg_f

　　#define Dig_nSeg_c | 赛段 | Seg_g

　　#define Dig_ODig_0

　　#define Dig_PSeg_g | 段_a | 段_b | 赛段 | Seg_f

　　#define Dig_rSeg_g | 赛段 | Seg_f

　　#define Dig_SSeg_g | 段_a | 段_c | 段_d | Seg_f

　　#define Dig_tSeg_g | 赛段 | 段_f | Seg_d

　　#define Dig_USeg_b | 段_c | 段_d | 赛段 | Seg_f

　　这些段分散在三个独立的背板上，并且必须以三个比特的三个数据包的形式排列在一个字节中。最后一位未使用。这种排列反映了显示数字的物理布局（见表 1）　

　　表 1：段分配。

　　#define Seg_a1

　　#define Seg_g2

　　#define Seg_d4

　　#define Seg_b8

　　#define Seg_c16

　　#define Seg_dp32

　　#define Seg_f64

　　#define Seg_e128

　　我们的目标是将分段数据放入三个整数中——每个显示背板一个。软件必须将代表七段字符的单个字节分成三个平面的三个段。表 2 指示整数数组如何存储各个段位。

　　由于 LCD 的每个数字都需要三个段，因此寻址正确的段引脚需要将每个数字的数据移位三位。最后，必须寻址微控制器的正确物理引脚。以下代码段中的分配可以根据电路板布局和其他资源进行更改。

　　#define Seg_1AGD8//PAOD|=B3

　　#define Seg_1BCDP16//PAOD|=B4

　　#define Seg_1FE32//PAOD|=B5

　　#define Seg_2AGD64//PAOD|=B6

　　#define Seg_2BCDP128//PAOD|=B7

　　#define Seg_2FE256// PCOD |=B0

　　#define Seg_3AGD512//PCOD|=B1

　　#define Seg_3B​​CDP1024//PCOD|=B2

　　#define Seg_3FE2048//PCOD|=B3

　　#define Seg_4AGD4096//PCOD|=B4

　　#define Seg_4BCDP8192//PCOD|=B5

　　#定义 Seg_4FE16384//PCOD|=B6

　　以下代码段确定哪些段为特定字符打开。

　　for （digit=0， shift=9; digit《4; digit++，shift-=3）

　　{

　　段［0］|=（0x07 &

　　CharTbl［que［digit］］）《

　　段［1］|=（（0x38 & CharTbl［que［dig

　　它］］）》》3）《

　　段［2］|=（（0x1C0 & CharTbl［que［di

　　混帐］］）》》6）《

　　}

　　存储正确的段以打开需要测试每个单独的位。优点是代码变得非常可移植，如下所示：

　　对于（平面=0；平面《3；平面++）

　　{

　　如果（段［平面］&B0）

　　缓冲区［平面］|=Seg_1AGD；

　　如果（段［平面］&B1）

　　缓冲区［平面］|=Seg_1BCDP；

　　如果（段［平面］&B2）

　　缓冲区［平面］|=Seg_1FE；

　　如果（段［平面］&B3）

　　缓冲区［平面］|=Seg_2AGD；

　　等等

　　}

　　/*我们在这里有一个赋值，而不是在上面的语句中设置单个变量，因为在收集段时会发生计时器 IRQ，这将导致显示闪烁。最后三个缓冲区只是前三个缓冲区的补充。*/

　　缓冲区［0］=临时缓冲区［0］；

　　缓冲区［1］=临时缓冲区［1］；

　　缓冲区［2］=临时缓冲区［2］；

　　缓冲区［3］=~缓冲区［0］；

　　缓冲区［4］=~缓冲区［1］；

　　缓冲区［5］=~缓冲区［2］；

　　总结

　　直接驱动 LCD 所需的实际代码并不是很复杂。在这个 C 示例中，解码各个分段平面所需的时间仅为 141 µs。优点是无需额外的 LCD 驱动器或使用带有专用驱动器的微控制器即可直接驱动超大显示器。唯一的缺点是电荷泵和背板驱动需要额外的引脚，但在大多数情况下，额外的引脚比专用驱动器便宜。

　　图 4 显示了使用 Z8 Encore 的 LCD 驱动器的示意图！单片机。

　　图 4：使用 Z8 Encore 的 LCD 驱动器示意图！单片机。