Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Кустарев П.В., Платунов А.Е. Аппаратные и программные средства встраиваемых систем

Подождите немного. Документ загружается.

211

Вопросы доступа к регистрам ПЛИС на программном уровне

рассматриваются в подразделе 6.2 на примере программирования светодиодных

индикаторов.

4.6.9 Жидкокристаллический индикатор

4.6.9.1 Историческая справка

В настоящее время жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются

наиболее распространённым видом индикаторов. Хотя сами жидкие кристаллы

(ЖК) были известны химикам еще с 1888 г., но только 1960-х годов началось их

практическое использование. В 1990 г. Де Жен получил Нобелевскую премию

за теорию жидких молекулярных кристаллов.

Термином жидкий кристалл обозначается мезофаза

между твердым

состоянием и изотропным жидким состоянием, при этом мезофаза сохраняет

фундаментальные свойства присущие двум состояниям материи. Жидкие

кристаллы, с одной стороны, обладает текучестью как изотропная жидкость, с

другой стороны, сохраняет определенный порядок в расположении молекул

(как кристалл).

В отдельных случаях мезофаза оказывается стабильной в широкой области

температур, включая комнатную

, тогда говорят о жидких кристаллах.

Большинство жидких кристаллов образуются стержневыми молекулами.

Обычно жидкокристаллический дисплей представляет собой стеклянную

кювету толщиной меньше 20 мкм, в которую помещен жидкий кристалл.

Направление молекул жидкого кристалла может быть задано обработкой

поверхностей кюветы таким образом, чтобы молекулы ЖК выстраивались в

определенном направлении – параллельно плоскости кюветы или

перпендикулярно

к ней. Один из способов обработки поверхности заключается

в нанесении на нее тонкого слоя твердого полимера и последующего

«натирания» его в одном направлении.

Используя различные ориентации направления молекул жидкого

кристалла первоначально с помощью поверхностного упорядочения, а затем с

помощью электрического поля, можно сконструировать простейший дисплей.

Жидкокристаллический дисплей состоит из несколько

слоев, где ключевую

роль играют две стеклянные панели, между которыми помещён жидкий

кристалл.

На панели наносятся бороздки. Бороздки получаются в результате

размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного

пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Бороздки

расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но

перпендикулярны бороздкам соседней панели. Соприкасаясь

с бороздками,

Мезофаза – промежуточная фаза состояния вещества, в котором оно имеет свойства жидкости и

твёрдого тела одновременно.

212

молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково по всей поверхности.

В результате направление ориентации молекул жидкого кристалла

поворачивается от верхней панели к нижней на 90°, вращая, таким образом,

плоскость поляризации света. Изображение формируется при помощи

поляризационных плёнок, размещённых над и под жидкокристаллическим

дисплеем. Если оси поляризации этих плёнок перпендикулярны друг другу, то

дисплей будет прозрачным.

На стеклянные панели наносится тонкий слой металла, образующий

электроды. Если теперь к электродам подвести напряжение, то молекулы

жидкого кристалла развернутся вдоль электрического поля, вращение

плоскости поляризации исчезнет, и свет не сможет пройти через

поляризационные плёнки.

Напряжение, необходимое для поворота директора составляет обычно 2В-

5В. Важно, что действие

электрического поля не связано с дипольным

моментом молекулы и поэтому не зависит от направления поля. Это позволяет

использовать для управления индикатором переменное поле. Постоянное поле

может приводить к электролизу жидкого кристалла и, в конечном итоге,

выходу прибора из строя.

Электроды на жидкокристаллический индикатор наносятся в виде точек,

пиктограмм или сегментов

для отображения различных видов информации, как

это уже обсуждалось ранее.

Важным параметром индикатора является время релаксации - время,

необходимое для возвращения молекул жидкого кристалла в исходное

состояние после выключения поля. Оно определяется поворотом молекул и

составляет 30-50 мс. Такое время достаточно для работы различных

индикаторов, но на несколько порядков превышает время, необходимое для

работы компьютерного монитора.

Время релаксации резко зависит от температуры жидкокристаллического

индикатора. Именно временем релаксации определяется минимальная

температура использования жидкокристаллических индикаторов. Время

релаксации современных жидкокристаллических индикаторов при температуре

-25°C достигает нескольких секунд. Это время смены информации

неприемлемо для большинства практических приложений.

Не менее важным параметром жидкокристаллического индикатора

является контрастность изображения. При нормальной

температуре

контрастность изображения достигает нескольких сотен. При повышении

температуры контрастность изображения падает и при температуре порядка

+50°C изображение становится практически неразличимым.

Следующий параметр, характеризующий жидкокристаллический

индикатор – это угол обзора. Угол обзора жидкокристаллического индикатора

существенно зависит от скважности динамического режима индикации. Чем

больше скважность, тем меньше получается угол обзора индикатора.

213

В современных жидкокристаллических компьютерных мониторах

используется специальный метод формирования статического формирования

изображения при динамическом способе его подачи на дисплей. Это TFT

технология. При использовании этой технологии около каждого элемента

изображения формируется запоминающий конденсатор и ключевой транзистор,

который подключает этот конденсатор к цепям формирования изображения

только в момент подачи информации именно для

этого элемента изображения.

Особенностью работы жидкокристаллического индикатора является то,

что на него следует подавать переменное напряжение. Это связано с тем, что

при подаче на жидкокристаллический индикатор постоянного напряжения

происходит электролиз жидкого кристалла и индикатор выходит из строя.

Напряжение для работы жидкокристаллического индикатора формируется

логическими элементами, поэтому обычно используется прямоугольное

колебание

со скважностью равной двум. Его легко можно получить на выходе

делителя частоты на два.

Теперь вспомним, что логические сигналы содержат постоянную

составляющую. Ее можно убрать, подав сигнал на выводы

жидкокристаллической ячейки в противофазе друг другу.

Если ячейку жидкокристаллического индикатора следует оставить

прозрачной, то на ее выводы подаются синфазные напряжения. В результате

разность потенциалов получается равной нулю [35].

4.6.9.2 Подключение ЖКИ

В ЖКИ SDK-1.1 есть специальный контроллер, формирующий

необходимые напряжения на входах матрицы и осуществляющий

динамическую индикацию. Для работы с этим контроллером реализован

простейший интерфейс, описанный ниже. Матрица имеет 80 входов по

горизонтали и 16 входов по вертикали

Рисунок 83. Схема подключения контроллера ЖКИ к МК ADuC812

Чтобы уменьшить количество проводников используется динамическая индикация. Принцип работы

динамической индикации аналогичен принципу, используемому при опросе клавиатуры учебного стенда.

214

Матрица ЖКИ состоит из 32 знакомест (2 строки по 16 символов)

размером 5 точек по горизонтали и 8 точек по вертикали. Для отображения

различных символов внутри контроллера ЖКИ есть знакогенератор

Таблица 29. Интерфейс ЖКИ

Обозначение Описание

Переключение между регистрами команд и данных. 1 – данные, 0 –

команды

R/W 1– чтение (из контроллера ЖКИ), 0 – запись (в контроллер ЖКИ)

Разрешающий сигнал (1 – активный уровень). Если сигнал E = 0, то

контроллер ЖКИ игнорирует все остальные сигналы.

DB0 Бит данных 0

DB1 Бит данных 1

DB2 Бит данных 2

DB3 Бит данных 3

DB4 Бит данных 4

DB5 Бит данных 5

DB6 Бит данных 6

DB7 Бит данных 7

4.6.9.3 Контроллер ЖКИ

Основными компонентами контроллера ЖКИ являются память DDRAM

(Data Display RAM), память CGRAM (Character Generator RAM), память

CGROM (Character Generator ROM), счетчик адреса, регистр команд IR

(Instruction Register), регистр данных DR (Data Register). Регистр команд

предназначен для записи в него таких операций, как очистка дисплея,

перемещение курсора, включение/выключение дисплея, а также установка

адреса памяти DDRAM и CGRAM, для последующего их выполнения. Регистр

данных временно хранит данные, предназначенные для записи

или чтения из

DDRAM или CGRAM (символы). Эти два регистра можно выбрать с помощью

регистрового переключателя RS (Register Select).

Таблица 30. Варианты значений сигналов RS и R/W

RS R/W Команда

0 0 IR используется для внутренних команд (очистка дисплея и т.д.).

0 1 Считывание флага занятости (DB7) и счетчика адреса (от DB0 до DB7).

1 0 Запись данных в DDRAM или CGRAM (из регистра данных в DDRAM или

CGRAM).

1 1 Чтение данных из DDRAM или CGRAM (из DDRAM или CGRAM в

регистр данных).

Знакогенератор – специальное устройство, содержащее в себе ПЗУ (или ОЗУ) с битовыми картами с

изображениями различных символов. Каждому изображению символа ставится в соответствие его код.

215

4.6.9.4 Память данных ЖКИ (DDRAM)

Эта память используется для хранения данных, выводимых на дисплей.

Один символ представлен в виде 8-битного кода. Объем памяти составляет

80×8 битов или 80 символов.

Рисунок 84. Адресация памяти DDRAM.

Ниже приведена схема соответствия между адресами DDRAM и

позициями ЖКИ.

Рисунок 85. Соответствие между адресами DDRAM и позициями ЖКИ.

4.6.9.5 Знакогенератор, встроенный в ПЗУ (CGROM)

CGROM генерирует символы размером 5×8 или 5×10 точек на основе 8-

битных кодов символов.

4.6.9.6 Знакогенератор, встроенный в ОЗУ (CGRAM)

В CGRAM пользователь может программно генерировать символы.

Можно определить 8 символов размером 5×8 точек и 4 символа размером

5×10 точек. Коды символов нужно записывать в DDRAM по адресам,

отображенным в таблице.

4.6.9.7 Счетчик адреса (AC)

Счетчик адреса (AC) назначает адреса и DDRAM, и CGRAM.

4.6.9.8 Флаг занятости (BF)

Если флаг занятости равен 1, это значит, что БИС занята выполнением

внутренних операций и следующая команда не может быть принята. Если RS=0

и R/W=1, содержимое флага занятости передается в бит DB7. Следующая

команда должна быть записана только при значении флага занятости, равном 0.

216

4.6.9.9 Таблица команд контроллера ЖКИ

Команда

Код операции

Описание

Очистка

экрана

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Запись “00H” в DDRAM и

установка адреса DDRAM на

“00H” из AC.

Возврат в

начало

строки

0 0 0 0 0 0 0 0 1 *

Установка адреса DDRAM на

“00H” из AC и возврат курсора в

начало строки, если он был

смещен. Содержимое DDRAM не

меняется.

Начальные

установки

0 0 0 0 0 0 0 1 I/D SH

Задает направление перемещения

курсора и разрешает сдвиг сразу

всех символов.

Дисплей

ON/OFF

0 0 0 0 0 0 1 D C B

Устанавливает / отключает биты,

отвечающие за режим дисплея

(D), отображение курсора (C),

мерцание курсора (B).

Передвиж.

курсора по

экрану

0 0 0 0 0 1

* *

Установка бита движения курсора

и смещения всех символов,

указание направления смещения

без изменения данных в DDRAM.

Функц.

установки

0 0 0 0 1 DL N F * *

Установка длины данных (DL:8-

бит/4-бита), количества строк на

дисплее (N:2-строки или 1) и

размера символов (F:5×11

точек/5×8 точек).

Установка

адреса

CGRAM

0 0 0 1

Установка адреса CGRAM в

счетчик адреса.

Установка

адреса

DDRAM

0 0 1

Установка адреса DDRAM в

счетчик адреса.

Чтение

флага

занятости

и адреса

0 1 BF

Прочитав флаг занятости, можно

определить, занят ли контроллер

выполнением внутренних

операций. Также можно прочесть

содержимое счетчика адреса.

Записать

данные в

память

1 0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Запись данных во внутреннюю

память (DDRAM/CGRAM).

«*» – Не имеет значения

217

Чтение

данных из

памяти

1 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Чтение данных из внутренней

памяти (DDRAM/CGRAM).

4.6.9.10 Операции чтения и записи команд/данных

Рисунок 86. Запись команды/данных в ЖКИ

Рисунок 87. Чтение данных из ЖКИ

Пример программирования ЖКИ стенда SDK-1.1 приведен в подразделе

6.5.

4.7 Внешняя память программ и данных

Внешняя память программ и данных стенда SDK-1.1 (см. подраздел 4.4.2)

– статическое ОЗУ (SRAM), имеющее страничную организацию и

предназначенное для размещения пользовательских программ и данных.

Подключается к МК ADuC812 по системной шине (как и ПЛИС).

Так как МК ADuC812 имеет Гарвардскую архитектуру, то доступ к

внешней памяти по чтению команд и данных организован по-разному.

218

Используется одна и та же шина адреса и данных, а шина управления

отличается.

Сначала рассмотрим цикл чтения команды из внешней памяти программ:

Рисунок 88. Интерфейс подключения внешней памяти программ к МК ADuC812

В такой схеме для портов P0 и P2 должна быть выбрана альтернативная

функция (т.е. не порты ввода-вывода), при этом порт P0 превращается

мультиплексированную шину адреса/данных. Сначала через P0 передается

младший байт счетчика команд, который запоминается регистром-защелкой

(Latch) по синхроимпульсу ALE (Address Latch Enable). Через P2 передается

старший байт счетчика команд. Далее вырабатывается сигнал PSEN (Program

Store Enable), по которому из

внешней памяти программ считывается команда в

ADuC812 через P0.

Рисунок 89. Диаграмма цикла чтения команды из внешней памяти программ

Рассмотрим схему подключения внешней памяти данных объемом 16 Мб

(больше 64 Кб) к МК ADuC812:

219

Рисунок 90. Интерфейс подключения внешней памяти данных (16 Мб) к МК ADuC812

В такой схеме подключения используется два регистра-защелки. Цикл

чтения байта данных организован следующим образом: через порт P0

выставляется младший байт адреса (содержимое SFR-регистра DPL), а через

порт P2 — старший байт адреса (регистр DPP). Каждый байт адреса

сохраняется по сигналу ALE в соответствующем регистре-защелке. Далее через

порт P2 выставляется средний байт адреса (регистр DPH), и по сигналу

ADuC812 читает байт данных через порт P0.

Рисунок 91. Диаграмма цикла чтения байта из внешней памяти данных

220

Если второго регистра-защелки нет, то объем доступной внешней памяти

данных равен 64 Кб.

Цикл записи байта во внешнюю память данных выполняется аналогично,

только вместо сигнала RD используется сигнал WR, а через порт P0 передается

записываемый байт.

Таким образом, для обращения к внешней памяти данных и к памяти

программ используются одни и те же

шина адреса и шина данных, но разные

управляющие сигналы. Для чтения памяти программ вырабатывается сигнал

PSEN (Program Store Enable), а для чтения памяти данных вырабатывается

сигнал RD. Для записи информации в память данных вырабатывается сигнал

WR. То есть память программ доступна только для чтения, а память данных

доступна и для чтения, и для записи любой

информации, записанной в

двоичном коде.

Рисунок 92. Диаграмма цикла записи байта во внешнюю память данных