用戶(hù)自定制LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,電器設(shè)備的輸出顯示技術(shù)也變得復(fù)雜多樣,諸如crt顯示、lcd顯示、多位led顯示及發(fā)光二極管顯示等應(yīng)運(yùn)而生。在這些顯示當(dāng)中,led及發(fā)光二極管顯示電路較為簡(jiǎn)單,成本也較低,在功能單一的儀器儀表與機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用較廣。但當(dāng)設(shè)備顯示的點(diǎn)或位較多時(shí),就需要采用一定的驅(qū)動(dòng)電路與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方式。

在led的驅(qū)動(dòng)和顯示單元的設(shè)計(jì)中,采用的方式有許多種:利用計(jì)算機(jī)芯片的端口作為led的驅(qū)動(dòng)口,并通過(guò)軟件編程加外部驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn),缺點(diǎn)是占用計(jì)算機(jī)芯片的時(shí)間和相關(guān)資源;利用專(zhuān)用接口芯片如intel8155、8255等作為計(jì)算機(jī)芯片的端口擴(kuò)展,并通過(guò)軟件編程加外部驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn),缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜,功耗較大,也要占用計(jì)算機(jī)芯片的時(shí)間和相關(guān)資源;利用顯示用專(zhuān)用芯片如intel8279、max7219、ps7219等,可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的功能,但其占用計(jì)算機(jī)芯片端口還是較多,并且芯片價(jià)格較高。大多數(shù)顯示驅(qū)動(dòng)器都沒(méi)有嚴(yán)格的總線(xiàn)時(shí)序,在強(qiáng)干擾環(huán)境下容易造成時(shí)序混亂,使顯示不正常。本文討論的led顯示方案是利用philips公司的lpc系列單片機(jī)芯片的電路特性,從另一種形式來(lái)定制專(zhuān)用的led顯示驅(qū)動(dòng)控制器芯片。主要利用基于i2c總線(xiàn)的通訊接口,使連接可靠;且基于軟件編程控制顯示,使顯示方式及種類(lèi)多樣。由于lpc系列芯片的端口驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng),一般的led可直接連接,在不外加元件的情況下,可實(shí)現(xiàn)多位led或大量發(fā)光二極管的顯示,與其它芯片連接時(shí),占用的i/o口較少。

1 4位7段led顯示器

通常的4位led顯示器如圖1所示,其內(nèi)部由多只發(fā)光二極管構(gòu)成,按連接方式不同可分為共陽(yáng)極led與共陰極led。其電路特性基本一致:發(fā)光二極管導(dǎo)通壓降為1.2v～1.8v、正向工作電流為2ma～15ma。在顯示驅(qū)動(dòng)方式中,采用動(dòng)態(tài)掃描。當(dāng)掃描到n1～n4公共端時(shí),led驅(qū)動(dòng)器分別對(duì)應(yīng)輸出a～dp的顯示段,led就能正常顯示。在自定制led顯示驅(qū)動(dòng)器芯片中,lpc系列中的p87lpc762單片機(jī)芯片具有較好的端口設(shè)置與較強(qiáng)的內(nèi)部功能,因此可以通過(guò)編程設(shè)置其引腳功能作為led顯示器的驅(qū)動(dòng)芯片。

2 定制4位7段led顯示驅(qū)動(dòng)器芯片

要實(shí)現(xiàn)4位7段led的顯示,只要使流過(guò)發(fā)光二極管每段的電流達(dá)到要求就可以了。在這里選用philips公司lpc系列的p87lpc762單片機(jī)實(shí)現(xiàn)顯示驅(qū)動(dòng)電路。p87lpc762是一款增強(qiáng)型51系列的單片機(jī),除具有一般單片機(jī)的功能外,還具有驅(qū)動(dòng)led的性能:

·i/o口具有上拉輸出模式或開(kāi)漏輸出模式設(shè)置,可作為共陰極或共陽(yáng)極led的段輸出與位輸出。
·具有較大的端口拉電流或灌電流,內(nèi)部有短路保護(hù)功能,可實(shí)現(xiàn)led的電流驅(qū)動(dòng)。
·當(dāng)設(shè)計(jì)4位led驅(qū)動(dòng)器時(shí),芯片其余引腳可作i2c總線(xiàn)地址設(shè)置、led的極性選擇。
·內(nèi)部有2k的opt,可作為程序存儲(chǔ)器,用以實(shí)現(xiàn)接口與顯示程序化。
·自帶i2c硬件接口,便于接口編程與多芯片連接。
·內(nèi)部看門(mén)狗與內(nèi)部復(fù)位,可提高驅(qū)動(dòng)顯示的可靠性。
·內(nèi)部設(shè)有rc振蕩器,減少了外部元件。

p87lpc762芯片的引腳功能如圖2所示。它有三個(gè)端口:port0、port1、port2。當(dāng)選擇內(nèi)部振蕩和內(nèi)部復(fù)位時(shí),最大的i/o端口數(shù)目可達(dá)到18個(gè)。大多數(shù)端口均可以通過(guò)軟件配置成準(zhǔn)雙向、上拉、輸入、開(kāi)漏輸出四種類(lèi)型之一。對(duì)于上拉輸出模式,p87lpc762在標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)雙向口基礎(chǔ)上增加了第三只三極管以提供強(qiáng)上拉功能,在高電平時(shí)可輸出很大的拉電流;對(duì)于開(kāi)漏輸出模式,端口對(duì)外可提供很大的灌電流;對(duì)于輸入模式,端口引腳電平由外部電壓決定。

根據(jù)4位動(dòng)態(tài)led的顯示特性,在此對(duì)p87lpc762的端口作定義,定義引腳如表1所示。p0.0～p0.7作為4位led的段輸出,根據(jù)led極性不同,端口可設(shè)為上拉輸出或開(kāi)漏輸出;p1.0、p1.1、p1.6、p1.7作為4位led的位輸出,根據(jù)led極性不同,端口可設(shè)為開(kāi)漏輸出或上拉輸出;p1.5作為led的極性選擇,設(shè)置為輸入模式;p2.1、p2.0、p1.4作為i2c總線(xiàn)外部地址,便于多芯片連接時(shí)對(duì)i2c總線(xiàn)地址設(shè)定,設(shè)置為輸入模式;p1.2、p1.3保持i2c總線(xiàn)接口功能不變。定義后的芯片引腳如圖3所示。

要實(shí)現(xiàn)以上的芯片設(shè)置,p87lpc762的部分內(nèi)部特殊功能寄存器及引腳設(shè)置如表2所示。pxmx為端口模式設(shè)置,配合led極性進(jìn)行選擇。ucfg1為芯片系統(tǒng)配置字,在芯片編程時(shí)需寫(xiě)入,在程序運(yùn)行后便不可以設(shè)置了。當(dāng)配置字為fbh時(shí),其意義為:啟動(dòng)看門(mén)狗、內(nèi)部復(fù)位、復(fù)位后口線(xiàn)為高電平、欠壓電壓為2.5v、六個(gè)clock時(shí)鐘,內(nèi)部rc振蕩器。

3 定制6位“米”字段led顯示驅(qū)動(dòng)器芯片

通常,1位“米”字段led顯示器外形圖如圖4所示,其內(nèi)部由多只發(fā)光二極管構(gòu)成。如要組成6位“米”字段led顯示器,需將相同的段、位分別連接起來(lái),每位公共端引出以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。根據(jù)發(fā)光二極管連接極性不同,可分為共陽(yáng)極與共陰極兩種方式。6位“米”字段led顯示器由于輸出段、位較多,可選用lpc系列的p89lpc932芯片實(shí)現(xiàn)顯示驅(qū)動(dòng)電路,其引腳為28腳封裝,最大的i/o端口數(shù)目可達(dá)到26個(gè),功能引腳如圖5所示。p89lpc932具有與p87lpc762相同的端口電氣特性,并且具有較多的i/o端口,因此可以將它作為6位“米”字段led顯示器的驅(qū)動(dòng)器芯片。新定制的驅(qū)動(dòng)器芯片引腳如圖6所示:a～n為驅(qū)動(dòng)段輸出,n1～n6為驅(qū)動(dòng)位輸出;a/k作為共陽(yáng)極與共陰極的選擇端;a0～a2作為i2c總線(xiàn)外部地址選擇,最多可連接8只外部芯片;sda、scl保持i2c總線(xiàn)接口功能不變。

4 定制的led顯示驅(qū)動(dòng)器芯片的應(yīng)用

以定制的4位7段led顯示驅(qū)動(dòng)器芯片為例,設(shè)計(jì)的led顯示驅(qū)動(dòng)器的原理圖如圖7所示。它采用89c52單片機(jī)的通用i/o口p1.0、p1.1作為模擬i2c總線(xiàn);led顯示器為4位共陰極led,a/k引腳接電源;顯示驅(qū)動(dòng)芯片采用p87lpc762作定制,命名為led-762。第一塊芯片的i2c總線(xiàn)外部地址為000,用a0、a1、a2引腳接地來(lái)實(shí)現(xiàn),其余芯片地址依次設(shè)置,最多可連接8只外部芯片(圖中未畫(huà)出)。從電路圖來(lái)看,led-762可以不加任何外部元件就可以作為led的驅(qū)動(dòng)器,由于采用i2c總線(xiàn)連接,占用系統(tǒng)資源最少,電路較簡(jiǎn)單。如在i2c總線(xiàn)上連接8只led-762, led擴(kuò)展位數(shù)可達(dá)到32位。對(duì)于“米”字段led顯示驅(qū)動(dòng)器芯片的應(yīng)用,可采用同樣的連接方式。在同樣的i2c總線(xiàn)上,最多可擴(kuò)展的“米”字段led可達(dá)到48位,足可以滿(mǎn)足一般使用要求。

為了提高i2c總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力,在實(shí)現(xiàn)多片連接時(shí),scl、sda需接總線(xiàn)匹配上拉電阻。

5 定制的led顯示驅(qū)動(dòng)器芯片的軟件編程

由于lpc系列芯片內(nèi)部帶有支持i2c總線(xiàn)硬件接口,用戶(hù)可以直接把它作為i2c總線(xiàn)的主控器或i2c總線(xiàn)的被控器。被控器通過(guò)i2c硬件中斷處理可實(shí)現(xiàn)從總線(xiàn)上接收或發(fā)送數(shù)據(jù);主控器操作i2c總線(xiàn)可實(shí)現(xiàn)起始時(shí)序、數(shù)據(jù)時(shí)序、應(yīng)答時(shí)序、停止時(shí)序來(lái)檢測(cè)i2c總線(xiàn)被控器,并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送。i2c總線(xiàn)上的被控器是以i2c總線(xiàn)地址來(lái)區(qū)別的。i2c總線(xiàn)地址統(tǒng)一由i2c總線(xiàn)委員會(huì)實(shí)現(xiàn)分配,芯片地址共7位(它占據(jù)了d7～d1位),高4位(d7～d4)決定芯片種類(lèi),用戶(hù)也可以自定義芯片種類(lèi),低3位(d3～d1)通過(guò)芯片a0、a1、a2引腳設(shè)置。

當(dāng)使用帶有i2c總線(xiàn)接口的lpc系列芯片定制led顯示驅(qū)動(dòng)器芯片時(shí),定制的led顯示驅(qū)動(dòng)器芯片設(shè)置為被控器,而要發(fā)送顯示數(shù)據(jù)的cpu設(shè)置為i2c總線(xiàn)主控器。定制的led顯示驅(qū)動(dòng)芯片通過(guò)i2c中斷接收數(shù)據(jù)的流程圖如圖8所示。當(dāng)從i2c總線(xiàn)上接收第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí),判斷是否與本芯片地址相同,如相同并且為寫(xiě)顯示數(shù)據(jù),則發(fā)送應(yīng)答時(shí)序接收4位顯示數(shù)據(jù),然后i2c接口恢復(fù)到空閑狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)led動(dòng)態(tài)顯示,可對(duì)led顯示驅(qū)動(dòng)器編制顯示程序,根據(jù)led極性輸入,分別送出要顯示的段和位,led就能正常顯示。

根據(jù)i2c總線(xiàn)協(xié)議要求,對(duì)主控器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)有一定的響應(yīng)時(shí)間要求。最短時(shí)間可由rc振蕩器的倍頻頻率和中斷響應(yīng)時(shí)間來(lái)決定,最高速率可達(dá)到400kbs/s。最低速率可由lpc系列內(nèi)部專(zhuān)用i2c定時(shí)器i來(lái)控制,為了適應(yīng)非標(biāo)準(zhǔn)的低速率的i2c總線(xiàn)操作,可關(guān)閉定時(shí)器i。

6 芯片測(cè)試及主要性能指標(biāo)

按照定制要求,將完整的led顯示驅(qū)動(dòng)程序與芯片設(shè)置參數(shù)通過(guò)編程器固化后,要制作芯片測(cè)試連接圖,如圖7所示。這里采用89c52的p1.0與p1.1作為模擬i2c總線(xiàn)控制線(xiàn),編寫(xiě)模擬i2c驅(qū)動(dòng)程序。而且,89c52主機(jī)重新復(fù)位、i2c總線(xiàn)通訊斷線(xiàn)等情況下均不能影響顯示驅(qū)動(dòng)器的下一次正常數(shù)據(jù)接收。如果關(guān)閉定制的led驅(qū)動(dòng)器中的定時(shí)器i,模擬i2c程序暫停、單步調(diào)試定制的led驅(qū)動(dòng)器也能正常驅(qū)動(dòng)顯示。由于philips公司的lpc系列芯片端口輸出電流能力較強(qiáng),在驅(qū)動(dòng)0.5英寸共陰極與共陽(yáng)極led時(shí),led亮度均達(dá)到要求。在長(zhǎng)期全亮顯示時(shí),定制的led驅(qū)動(dòng)芯片溫升正常,能夠長(zhǎng)期連續(xù)工作。在實(shí)際使用時(shí),控制端口a/k及a0、a1、a2由于編程時(shí)設(shè)置成輸入模式,故其懸空時(shí)輸入電平為不確定狀態(tài),并隨機(jī)變化,有可能造成不正常顯示,應(yīng)根據(jù)地址設(shè)定要求,強(qiáng)制接vcc或gnd。