LCD的接口技術(shù)和抗干擾措施
液晶顯示器（LCD）具有重量輕、耗能小、工作電壓低、無輻射、顯示信息量大等優(yōu)點。隨著測控技術(shù)的發(fā)展,LCD已被廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表、電子顯示裝置等場合,成為測量結(jié)果和人機對話的重要工具。液晶顯示器按其功能可分為三類:筆段式LCD（可顯示數(shù)碼）、字符點陣式LCD（可顯示數(shù)碼和英文字符）和圖像點陣式LCD（可以顯示字符、漢字、任意圖形）。在測控儀器儀表中,字符點陣式LCD和圖像點陣式LCD應(yīng)用更為廣泛[1,2]。本文介紹了常用液晶顯示器與微控制器的接口技術(shù)及其抗干擾措施,結(jié)合最近開發(fā)的絕緣油耐壓測試儀中出現(xiàn)的ＣＭＯＳ自鎖現(xiàn)象,提出了一種在強電磁場等特殊環(huán)境下,可靠使用液晶顯示器的技術(shù)方法。
LCD與微控制器的接口技術(shù)目前市面上的液晶顯示模塊是將接口電路、行列驅(qū)動以及液晶屏組合為一體的專用模塊,模塊中常有兩片以上的ＣＭＯＳ大規(guī)模集成電路,對外與控制器的接口功能只是一些工作方式寄存器的讀寫和對應(yīng)的點陣ＲＡＭ的讀寫,具體工作的方式控制、掃描顯示及驅(qū)動均由模塊內(nèi)的集成電路來完?？刂破髋cLCD交換數(shù)據(jù)信息有串行通訊方式（通過ＲＳ232接口）和并行通訊方式,LCD顯示屏大多采用并行接口方式。
2.1 LCD的并行接口方式顯示模塊的外部接口一般采用并行方式,并行接口外接口線的讀寫時序常見以下兩種模式。（1）8080模式,這類模式通常有下列接口信號:Ｖｃｃ（工作主電源）、Ｖｓｓ（公共端）、Ｖｅｅ（偏置負(fù)電源,常用于調(diào)整顯示對比度）/ＲＥＳ,復(fù)位線。ＤＢ0～ＤＢ7,雙向數(shù)據(jù)線。Ｄ/Ｉ,數(shù)據(jù)/指令選擇線（1:數(shù)據(jù)讀寫,0:命令讀寫）。/ＣＳ,片選信號線（如果有多片組合,可有多條片選信號線）。/ＷＲ,ＭＰＵ向LCD寫入數(shù)據(jù)控制線。/ＲＤ,ＭＰＵ從LCD讀入數(shù)據(jù)控制線。（2）6800模式,在這種模式下,Ｖｃｃ、Ｖｓｓ、Ｖｅｅ、/ＲＥＳ、ＤＢ0～ＤＢ7、Ｄ/Ｉ的功能同模式（1）,其他信號線為:Ｒ/Ｗ,讀寫控制（1:ＭＰＵ讀,0:ＭＰＵ寫）。Ｅ,允許信號（多片組合時,可有多條允許信號線）。在接口電路中,微控制器與LCD的接口常采用兩種方式:（1）總線式接口方式,該方式適用于各種ＣＰＵ（如80×86）芯片和具有并行總線（地址總
線、數(shù)據(jù)總線、控制總線）接口的單片機（如ＭＣＳ 51系列）,接口電路中,ＤＢ0～ＤＢ7直接接數(shù)據(jù)總線,其他信號線用地址線和控制線一起譯碼產(chǎn)生。在譯碼電路中,ＧＡＬ芯片的使用可以簡化邏輯設(shè)計。（2）Ｉ/Ｏ接口方式,該方式適用于各種具有并行總線接口的單片機（如ＭＣＳ 51系列,此時并行口直接進行操作）和不具備并行總線接口的單片機（如ＰＩＣ系列、51ＬＰＣ系列）,接口電路中,通過對各條接口線讀寫實現(xiàn)LCD所要求的時序。
2.2 Ｖｅｅ的產(chǎn)生在LCD模塊中,對比度的調(diào)整往往是通過調(diào)整Ｖｅｅ的數(shù)值進行的。對比度的大小會隨著溫度的變化而變化,準(zhǔn)確的調(diào)整方式是加以溫度傳感器通過補償電路來進行的。大多數(shù)使用者是采用在Ｖｃｃ和一個負(fù)電源Ｖ＿之間接一個電位器,通過調(diào)整電位器使之輸出一個合適的Ｖｅｅ來調(diào)整LCD的對比度。負(fù)電源Ｖ＿可以通過一個直流電源電路產(chǎn)生。如果該測控儀表中設(shè)計了ＲＳ232接口,就需要有ＴＴＬ電平與ＲＳ232電平的轉(zhuǎn)換電路。目前常用的芯片是ＭＡＸ202芯片。ＭＡＸ202是ＭＡＸＩＭ公司出品的接口芯片,可以進行ＴＴＬ電平與ＲＳ232電平的轉(zhuǎn)換。該芯片內(nèi)帶電源提升泵,工作時只需單5Ｖ電源而無須外接12Ｖ電源,使用方便而且性能可靠。ＭＡＸ202芯片的引腳有負(fù)電源輸出,利用這一個引腳可以代替一個直流電源電路。
2.3 抗干擾措施LCD顯示屏常置于儀表的面板上,通過一條扁平電纜連接于主控板上。測控儀表內(nèi)部的電磁干擾對LCD的工作有一定的影響[3,4],如果該儀表工作于工業(yè)生產(chǎn)過程,惡劣的環(huán)境對于液晶屏的工作更為不利,這就需要在設(shè)計中采用各種抗干擾措施,一般情況下采用下述措施即可:（1）主板上與LCD模塊接口的邏輯電路盡可能采用驅(qū)動能力強的芯片。（2）LCD模塊的接口中,在Ｖｃｃ和Ｖｓｓ之間接一個0.1μＦ的濾波電容。（3）LCD模塊的工作電流很小,為幾個ｍＡ,但其背光部分所需要的電流遠大于其工作電流,最好將工作電源和背光電源分別走線。（4）定期對液晶屏復(fù)位（通過/ＲＥＳ引腳）可以保證液晶顯示屏長期工作的穩(wěn)定性。如果不允許液晶屏定期復(fù)位,可以檢測LCD內(nèi)部工作寄存器和顯示ＲＡＭ,一旦發(fā)現(xiàn)LCD不正常,可以對LCD復(fù)位。3?。茫停希幼枣i現(xiàn)象及其抑制隨著ＣＭＯＳ器件在電子設(shè)計領(lǐng)域中應(yīng)用范圍的日益廣泛,對其性能可靠、抗干擾方面的要求也越來越高,而在特定環(huán)境下,其自身特有的自鎖[5]現(xiàn)象嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的正常工作,因此,如何有效抑制ＣＭＯＳ自鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生已成為使用ＣＭＯＳ器件設(shè)計電路中一個不可忽視的問題。
3.1 自鎖現(xiàn)象自鎖現(xiàn)象又稱可控硅（ＳＣＲ）現(xiàn)象。這是因為器件內(nèi)部存在的ｐｎｐｎ結(jié)構(gòu)形成了雙結(jié)型寄生晶閘管,此寄生晶閘管的電路結(jié)構(gòu)與ＳＣＲ的結(jié)構(gòu)完全相同。在測試和使用過程中,當(dāng)有外來的電壓或電流信號觸發(fā)動作,ＣＭＯＳ器件的漏極Ｖｄｄ和源極Ｖｓｓ之間就會出現(xiàn)很大的導(dǎo)通電流。該電流一旦開始流動,即使除去外來觸發(fā)信號也不會中斷,只有關(guān)斷電源或?qū)㈦妷航档侥硞€值以下才能解除該電流,此時器件處于自鎖狀態(tài)。理論和實驗證明,ＣＭＯＳ電路的自鎖效應(yīng)是由于其內(nèi)部存在寄生雙極晶閘管所引起的。產(chǎn)生自鎖的原因是多方面的,具體分為外部原因和內(nèi)部原因兩類。內(nèi)部原因是因其內(nèi)部雙寄生晶體管的特殊構(gòu)造引起的,其制造工藝在出廠后已確定,在此不做詳述。外部原因主要由以下幾方面構(gòu)成:（1）輸入或輸出端的電平下降到比Ｖｓｓ還低,或者上升到比Ｖｄｄ還高;（2）接到Ｖｄｄ端的電源有異常的浪涌電壓或噪聲干擾侵入;（3）電源電壓瞬間跳動引起反偏下ｐ阱襯底結(jié)電容出現(xiàn)較大的充放電電流,該電流的大小與電源電壓變化速度呈正比;（4）受到電離輻射,如α射線或γ射線輻照,使襯底、阱等處有異常的電流流過。
3.2?。茫停希幼枣i現(xiàn)象的抑制措施為了避免自鎖現(xiàn)象的發(fā)生,一方面從ＣＭＯＳ器件的制造工藝上改進其基本結(jié)構(gòu),另一方面在電路設(shè)計中,針對具體產(chǎn)生自鎖的原因采取相應(yīng)的措施,具體為以下幾種方案:（1）輸入輸出電源端有浪涌電壓或電流出現(xiàn)時,可在輸入端、輸出端串聯(lián)電阻以限制觸發(fā)電,或者加粗電源線。（2）當(dāng)電源線阻抗較高時,系統(tǒng)內(nèi)集成電路開關(guān)引起的動態(tài)壓降也易引起自鎖。此時可在Ｖｄｄ和Ｖｓｓ間接入電容,提供動態(tài)電流,減小電源線上的動態(tài)壓降。（3）由于大多數(shù)自鎖現(xiàn)象是外來噪聲和系統(tǒng)暫態(tài)過程引起的,只是瞬間產(chǎn)生,可在由浪涌電壓或電流引起的強磁場形成前斷開系統(tǒng)內(nèi)ＣＭＯＳ器件的供電,躲過強磁場后繼續(xù)上電工作。4 絕緣油耐壓測試儀LCD顯示中的ＣＭＯＳ自鎖現(xiàn)象的抑制措施。
4.1 絕緣油耐壓測試儀設(shè)計中自鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生絕緣油耐壓測試儀是一種廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)的測量變壓器絕緣油耐壓強度的儀器。其工作原理是:在電力絕緣油的測試過程中,需要一個可調(diào)的高壓電壓,該電壓加在絕緣油杯兩端,電壓由零逐步上升,當(dāng)電壓在任意時刻擊穿時,當(dāng)前的電壓值即為油的絕緣值。具體實現(xiàn)電路原理框圖如圖1?！ ∑渲?/span>,系統(tǒng)的高壓產(chǎn)生部分是通過交流電機帶動自耦變壓器（可調(diào)）,產(chǎn)生0～220Ｖ的交流電,經(jīng)過1∶400的高壓變壓器產(chǎn)生0～88ｋＶ交流電壓。在具體的設(shè)計調(diào)試中,我們發(fā)現(xiàn)每當(dāng)絕緣油被擊穿時,用于顯示系統(tǒng)加壓狀態(tài)的液晶屏都會出現(xiàn)花屏,導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。經(jīng)過反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn),造成系統(tǒng)工作失常的是由于在絕緣油擊穿時,通過油杯的擊穿電流為10～20ｍＡ,因變壓器變壓比為1∶400,升壓變壓器初級線圈將有4～8Ａ的大電流流過,這么大的電流突變在電路周圍產(chǎn)生了強電磁場干擾,嚴(yán)重干擾了暴露在外的液晶顯示模塊中ＣＭＯＳ器件,引發(fā)了器件的自鎖現(xiàn)象。
4.2 抑制方法由于本系統(tǒng)中,ＣＭＯＳ器件是集成在液晶模塊中,不能采取傳統(tǒng)方法直接加限流電阻來抗干擾,只能采用第三種方法來抑制自鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生。具體實現(xiàn)是:一方面,將系統(tǒng)中大電流導(dǎo)線遠離微機控制電路,并使兩根大電流導(dǎo)線絞合成雙絞線以降低對外的空間干擾;另一方面,考慮到由于大多數(shù)自鎖現(xiàn)象是外來噪聲和系統(tǒng)暫態(tài)過程引起的,只是瞬間產(chǎn)生,則可在由浪涌電壓或電流引起的強磁場形成前斷開系統(tǒng)內(nèi)ＣＭＯＳ器件的供電,待強磁場撤除后繼續(xù)上電工作。為此,本系統(tǒng)增設(shè)了擊穿時的復(fù)位電路,見圖2。其中Ｊ1繼電器控制高壓的閉合與斷開,Ｊ2繼電器控制液晶顯示屏的供電;Ｕ1為Ｄ觸發(fā)器,當(dāng)ＳＤ=Ｈ,ＣＤ=Ｌ時,Ｑ=Ｌ;當(dāng)ＳＤ=Ｌ,ＣＤ=Ｈ時,Ｑ=Ｈ。滿位開關(guān)信號是由滿位限位開關(guān)提供,在電機正轉(zhuǎn)達到滿位之前,輸出為高。具體工作原理是:系統(tǒng)啟動時,啟動信號輸入為低脈沖,觸發(fā)器ＣＤ為低,滿位開關(guān)輸入高電平信號,此時Ｑ=Ｌ低,Ｊ1繼電器閉合,高壓接通。當(dāng)高壓擊穿時或電機正轉(zhuǎn)到滿位（二者滿足任一條件）,高壓信號輸入變低,觸發(fā)器ＳＤ=Ｌ,ＣＤ=Ｈ,Ｑ=Ｈ,高壓控制繼電器斷開,同時因Ｃ3電容兩端電壓不能突變,Ｕ4輸出正脈沖,Ｊ2動作,斷開液晶屏供電電源,而且ＲＥＳＥＴ輸出為高,復(fù)位信號有效,系統(tǒng)復(fù)位。過一段時間（約1ｓ）后,+5Ｖ電源對電容Ｃ3充電,使電容兩端變高,Ｕ4輸出變低,液晶屏恢復(fù)正常供電,系統(tǒng)復(fù)位撤除,恢復(fù)正常工作。
4.3 試驗結(jié)果實驗表明,該方法能有效控制絕緣油擊穿時高壓的通斷,能夠準(zhǔn)確測量變壓器絕緣油的耐壓值,并且在絕緣油擊穿時斷開液晶顯示模塊的電源供電,有效避免了液晶屏內(nèi)ＣＭＯＳ器件自鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生。