SEU接口技术.docx
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SEU接口技术
第九章接口技术
一般而言，接口泛指任何两个系统（部件）之间的交接部分或连接部分，其作用是变换和传送信息。
接口电路种类繁多，如人机接口（键盘、显示器、打印机等）、数据采集接口（A/D转换器、D/A转换器等）、数据处理接口（信号变换、放大电路、滤波电路等）、开关量输入输出接口（电平转换、功率放大、信号隔离等）等。
目前，接口技术已成为电子技术的一个重要分支，本章主要介绍一些常用的接口电路。
§9.1显示器接口
在单片机应用系统中，常用的显示器有：
发光二极管显示器，简称LED（LightEmitingDiode）；液晶显示器，简称LCD（LiquidCrystalDisplay）等。
下面分别进行介绍。
§9.1.1LED显示器接口
1.LED显示器的结构及工作原理
LED显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器，其排列形状如图9-1（a）所示。
此外，显示器中还有一个小圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用于显示小数点。
当某一个发光二极管导通时，相应的段被显示。
通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。
LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法，一种是共阴极连接，另一种共阳极连接。
其连接如图9-1（b）所示。
图9-1七段LED显示器
使用LED显示器时，要注意区分这两种不同的接法。
为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。
七段数码管加上一个小数点，共计8段。
因此为LED显示器提供的编码正好是一个字节。
用LED显示器显示16进制数的编码见表9-1。
表9-1LED显示器16进制编码
2．LED显示器的工作方式
由N片LED显示器可拼成N位LED显示器。
N位LED显示器有N根位选线和8×N根段选线，位选线控制哪一片LED显示器亮、灭，段选线控制显示器显示何种字符。
根据位选线和段选线的连接方式不同可分为静态显示和动态显示两种显示方式。
（1）静态显示方式
静态显示是将LED显示器的每一个段码线都单独地连接到一根I/O口线上，将位选线全部连接在一起并接地（或接+5V）。
且I/O口要具有数据锁存功能，使各位的显示字符一经确定将维持不变，直到显示另一个字符为止。
静态显示的优点是显示程序简单，亮度高。
缺点是显示位数较多时，要占用的I/O口线较多，硬件复杂成本高。
如图9-2所示，利用单片机及其扩展芯片的并行I/O口即可构成静态LED数码管显示接口。
在输出口与数码管之间要加限流电阻，其阻值一般为100Ω～300Ω，以保证每段发光管的电流在5mA～10mA。
（2）动态显示方式
所谓动态显示方式，就是一位一位地轮流点亮各位显示器。
对每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次，且同一时刻只有一位被点亮。
但由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示的间隔时间足够短，则可造成同时被点亮的假象，达到显示的目的。
图9-2静态LED数码管显示接口
在多位LED显示时，为了简化电路，通常将所有位的段选线相应地并联在一起，由一个8位的I/O口控制。
而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O口线控制，实现各位的分时选通。
由于所有位的段选线并联在一起，段码的输出对各位来说都是相同的。
因此，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，所有位均显示相同的字符。
若要各位LED能够显示出与本位相应的字符，就必须采用动态扫描方式，即逐个循环点亮各位显示器。
为了实现LED显示器的动态扫描除了要给显示器提供段码（字形编码）之外，还要对显示器的位进行控制（控制LED显示器亮灭），这就是通常所说的段码和位码。
LED不同位显示的时间间隔可以通过定时中断完成，也可采用延时程序实现。
由于发光二极管从导通到发光有一定的延时，导通时间太小，则人眼无法看清，通常不能小于1ms。
但也不宜太大，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，且时间越长，占用CPU的时间也越多。
另外，由于显示器的亮度也与导通电流有关，所以，调整电流和时间参数，可以实现亮度较高且稳定的显示。
一般地说，调整动态显示导通电流的大小与LED位数N有关，动态显示导通电流的大小应为一位静态显示导通电流的N倍，才与一位静态显示的亮度相当。
所以，动态显示需要较大的驱动电流。
图9-3LED数码管动态扫描接口电路
如图9-3所示，是一种典型的动态扫描显示接口电路。
图中将所有位的段选线相应地并联在一起，由8255的A口控制。
而各位的共阴极分别由8255的C口相应引脚控制，实现各位的分时选通。
§9.1.2LCD显示器接口
液晶显示器（LCD）由于体积小、质量轻、功耗低、寿命长等优点，其应用极其广泛，不久的将来可能取代CRT，成为电子信息产品的主要显示器件。
下面介绍LCD的工作原理及接口技术。
1．液晶显示器的分类
按电光效应分类，可分为电场效应类、电流效应类、电热写入效应类和热效应类。
电场效应类又分为扭曲向列效应（TN）类、宾主效应（GH）类和超扭曲效应（STN）类等。
所谓电光效应实际上是指在电的作用下，液晶分子的初始排列改变为其他的排列形式，从而使液晶盒的光学性质发生变化，不同的电光效应可制成不同的显示器件。
目前在单片机应用系统中广泛就用的是TN型和STN型。
STN型液晶显示器具有视角宽、对比度好等优点，STN型正逐步代替TN型成为主流，几乎所有32位以上的点阵LCD都已经采用了STN型效应结构。
液晶显示器从其显示内容来分，可分为字段式、点阵字符式和点阵图形式三种。
字段式是指以长条笔划状显示像素组成的液晶显示器件，亦称段型、笔划型液晶显示器。
字段式显示器以七段显示最为常用，也包括为专用液晶显示器设计的固定图形及少量汉字等。
点阵字符式有192种内置字符，包括数字、字母、常用标点符号等。
另外用户可自定义5×7点阵字符或5×11点阵字符若干个。
显示行数一般分为1行、2行、4行三种，每行可显示8个或16个、24个、32个或40个字符不等。
点阵图形式除可显示字符外，还可显示图形信息、汉字等。
常见的模块点阵从80×32到640×480不等。
液晶显示器按采光方式分，可分为带背光和不带背光两种。
不带背光的LCD是靠背面的反射膜将射入的自然光从下面反射出来完成的。
大部分计量显示器都是用自然光的光源，在自然光充足时，可选用不带背光的LCD。
如在弱光或黑暗的环境下使用，就要选择带背光的LCD。
常见的背光源有发光二极管、场致发光（EL）及冷阴极荧光（CFD）、波形白炽灯等。
2．LCD的驱动方式
液晶显示器的驱动方式由电极引线的选择方式确定，因此，在选择好液晶之后，用户无法改变驱动方式，使用时一定要先弄清楚。
液晶显示器的驱动方式一般有静态驱动和时分割驱动两种。
由于直流电压驱动LCD会使液晶体电解和电极老化，从而大大降低LCD使用寿命，所以一般使用交流电压驱动。
（1）静态驱动方式
对于字段式LCD常采用静态驱动方式。
一般在LCD的公共极（通常为背极）加上恒定的交变方波电压，通过控制前极的电压变化，使LCD两个电极之间产生所需的零电压或二倍幅值的交变电压以实现LCD亮、灭的控制。
如图9-4所示，是一位7段LCD的电极配置和静态驱动电路图。
图9-47段LCD显示驱动电路
目前已有许多LCD驱动集成芯片，这些芯片已将多个LCD驱动电路集成到一起，使用起来同LED驱动芯片一样方便。
如Intersil公司的ICM7211系列等。
（2）时分割驱动
当显示字段较多时，为减少引出线和驱动回路的数量，必须采用时分割驱动的方式。
该方式通常采用电压平均化法，其占空比有1/2、1/8、1/16、1/32等，偏压比有1/2、1/3、1/4等。
如图9-5所示为1位LCD的电极引线和时分割驱动波形，它采用1/3偏压法。
图9-5LCD电极引线及其驱动波形
从图9-5（a）电极引线及图9-5（b）驱动波形可以看出，COM与S之间共形成8种独立的电压，分别控制8个段的显示和熄灭。
如：
f、a段上所加的驱动电压波形是峰值为UO的选通状态，它们将被点亮，而g段所加的驱动电压是峰值为1/3U0的非选通状态，它们将熄灭。
从图9-5可以看出，8位8段LCD显示，如用静态驱动方式，则需要8×8＋1=65个驱动回路，而采用时分割驱动，则只需要3×8＋3=27个驱动回路。
3．字段式液晶显示器驱动芯片介绍
字段式液晶显示驱动电路在各大系列集成电路中均能找到。
例如CMOS集成电路CD4055是不带锁存器的BCD码——七段译码LCD驱动器；CC14513和CC14514是常用的一位带锁存器的BCD码输入——七段译码LCD驱动器。
这类电路成本低，但每片只能驱动一个数码，且无片内振荡电路，构成多位LCD驱动电路时比较麻烦。
所以，常用专用于字段式LCD的显示驱动器，如Intersil公司的ICM7211系列等。
下面重点介绍ICM7211系列的功能及应用。
（1）ICM7211的功能
ICM7211系列为4位液晶显示驱动器。
它有四种型号：
ICM7211IPL、ICM7211AIPL、ICM7211MIPL和ICM7211AMIPL。
其中A表示有“B码译码”，M表示具有输入锁存功能，能与CPU直接接口。
两种译码方式见表9-2。
它们都是双列直插式封装，引脚配置如图9-6所示。
表9-2两种译码方式的显示格式
B3B2B1B0（十进制）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
十六进制译码
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
B码译码
1
2
3
4
5
6
7
8
9
－
E
H
L
P
灭
图9-6引脚配置图
ICM7211的功能框图如图9-7所示。
从图中可以看出，ICM7211具有片内振荡器、位选、锁存、译码、驱动功能。
片内有RC振荡器，用来产生背极驱动信号。
因晶振信号为16kHz，BP的最大交变频率为125Hz。
多片可级连工作，用于驱动多于4位的液晶显示器。
ICM7211（A）提供了4条数字信号输入线和4条位选输入线；ICM7211M（AM）提供了4条数字信号输入线、2条地址输入线和2条片选信号输入线，因此可实现与CPU的直接接口。
图9-7ICM7211功能框图
（2）ICM7211的应用
ICM7211有完整的背极交变电压驱动电路，如图9-7（a）所示。
对外它有两个引脚OSC和BP，在ICM7211单独使用或与主机联接使用时，OSC悬空使BP驱动器工作。
内部振荡器产生16kHz的脉冲序列，经128分频后供给BP驱动器125Hz的脉冲交变信号。
此时，BP为输出状态，它一方面提供片内4位段驱动器信号，另一方面提供液晶显示器的背极驱动及级连的从片BP的同步信号。
如果级连的芯片多于4片时，建议使用外部交流信号源，这时所有的ICM7211全为从方式工作。
在作为从机使用时，ICM7211的OSC端接地，封锁BP驱动器，此时BP端作为输入端，连接外部BP发生器，为本片提供4位段驱动器的交流信号。
ICM7211（A）有4条数据输入线和4条位选线。
4条数据线B0～B4可直接与输入数据端相连，译码后输出7段显示字型；4条位选线D1～D4分别控制4位7段译码锁存器，每一位选线均是高电平选通，低电平封锁，它们可同时为高电平或低电平，即可以全选通或全封锁。
但由于没有片选信号，不能直接与CPU总线相连，需要通过I/O接口实现。
ICM7211M（AM）的结构为4条数据线、2条地址线和2条片选信号线。
数据线的用法与ICM7211（A）相同。
2条地址线和2条片选线的功能见表9-3。
表9-3真值表
DS2
DS1
功能
0
0
0
0
选中D4位
0
0
0
1
选中D3位
0
0
1
0
选中D2位
0
0
1
1
选中D1位
其它
X
X
未选中
从表9-3可以看出，在
和
都为0时，该片才被选通。
在任一片选信号的上升沿，数据和位地址被写入输出锁存器内。
如图9-8所示是由两片ICM7211M构成的8位LCD与单片机的接口电路。
其中U2的OSC端悬空（也可接外部16kHz的晶振信号），以产生125Hz的BP
图9-88位LCD显示器的接口电路
信号，U3的OSC接地，封锁U3的BP驱动器，使U3的BP端为输入，两个芯片的BP端连到一起并接到LCD的背极。
两个芯片的段输出信号对应接到LCD各位的7个段。
两片的
作为片选端，分别接到单片机的空余高位地址总线P2.6、P2.7，
作为写信号选通端，接到单片机的
引脚上，数据输入B0～B3和位选输入DS1、DS2分别接到数据总线上。
编写显示程序时，只需先寻址要显示的位所需的驱动芯片地址，再向该地址写入2位位选码和4位显示数据，即可实现相应位的显示。
例如，在第8位要显示字符8，编程如下：
MOVDPTR,#8000H;送U1地址
MOVA,#00111000B;DS2=1，DS1=1，B3～B0为8
MOVX@DPTR,A;送显示数据及位选
4．点阵式液晶显示器驱动芯片介绍
点阵式液晶显示器一般把LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器等全做到一块印制电路板上，构成便于应用的液晶显示模块LCM。
液晶显示模块在国际上已经规范化，与单片机可以很方便地接口。
这类模块的控制器大多使用日立公司的HD44780及其兼容电路，所以只要熟悉了HD44780的工作原理，即能通晓该类控制器的工作原理，便于使用液晶显示模块。
（1）HD44780的功能特点
HD44780具有功能较强的指令集，可实现清屏、字符移动、字符闪烁、移动光标或整体显示等功能。
数据传输可采用8位并行或4位并行传输两种方式。
字符发生器（CGROM）能提供用户所需字符库或标准库，内部自定义字符发生器（CGRAM）的部分未用位可作为一般数据存储器使用。
与单片机可方便地接口。
（2）HD44780与单片机的接口引脚及功能
HD44780与单片机的接口引脚及功能见表9-4。
表9-4接口引脚及功能
引脚号
符号
名称
功能说明
1
VSS
电源地
0V
2
VDD
电源
5V±10%
3
VEE
液晶驱动电压
0～5V
4
RS
寄存器选择信号
H：
数据寄存器，L：
指令寄存器
5
R/
读/写信号
H：
读，L：
写
6
E
片选允许信号
R/
=“L”，下降沿有效
R/
=“H”，E=“H”有效
7～14
DB0～DB7
数据线
数据传送：
在进行4位传送时只使用高4位；在进行8位传送时全部使用
（3）HD44780的操作时序
读写操作时序如图9-9所示。
时序特性参数见表9-5。
图9-9读写操作时序
表9-5时序特性参数
名称
符号
最小值
最大值
单位
使能时间周期
Tcyc
1000
nS
使能脉冲宽度
Pweh
450
nS
使能上升、下降时间
Ter、Tef
25
nS
RS、R/
建立时间
Tas
140
nS
数据建立时间
Tdsw
195
nS
数据延迟时间
Tddr
320
nS
数据保持时间
Th
10
nS
（4）HD44780的内部组成
主要由指令寄存器（IR）、数据寄存器（DR）、地址计数器（AC）、显示数据存储器（DDRAM）、标准字符发生器（CGROM）、自定义字符发生器（CGRAM）、忙标志（BF）输入/输出缓冲器及定时控制逻辑电路等组成。
指令寄存器和数据寄存器的操作选择见表9-6。
表9-6IR和DR的操作选择
RS
R/
操作
0
0
将指令代码写入指令寄存器（IR）
0
1
忙标志和地址计数器（AC）读出
1
0
数据寄存器（DR）写入
1
1
数据寄存器读出
忙标志（BF）为“1”时，表明正在进行内部操作，此时不能输入指令或数据，内部操作结束，忙标志为“0”。
地址计数器（AC）作为DDRAM或CGRAM的地址指针，将地址码写入指令寄存器后，自动装入AC。
AC具有自动加1或减1的功能，指示当前写入的字符的显示位。
显示数据存储器（DDRAM）用于存储显示的数据，最多能存储80个字符码。
DDRAM的地址与显示位之间的关系见表9-7。
表9-7显示位与DDRAM地址的对应关系
显示位序号
12345…………40
DDRAM
地址（HEX）
第一行
0001020304…………27
第二行
4041424344…………67
标准字符发生器（CGROM）由8位字符码生成192个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符。
字符码和字形的对应关系见表9-8所示。
例如“0”的字符码为30H，“A”的字符码为41H，“a”的字符码为61H。
字符码被送入指定地址的数据存储单元后，即在相应的显示位显示出对应的字符。
表9-8字符码与字符的对应关系
自定义字符发生器（CGRAM）是为用户编写特殊字符用的，共有64个字节，可由用户定义8个5×7点阵字符或4个5×10点阵字符。
留给用户自定义的字符码为00H～07H，规定CGRAM地址为00H～3FH。
（5）HD44780的指令功能
HD44780共11种指令：
清屏、返回、输入方式设置、显示开关控制、移位、功能设置、CGRAM地址设置、DDRAM地址设置、读忙标志和地址、写数据到CG/DDRAM、读数据到CG/DDRAM。
见表9-9。
表9-9指令表
指令名称
控制信号
RSR/
指令码
DB7…DB0
功能说明
运行时间FCP=250kHz
清屏
LL
LLLLLLLH
清除屏幕，置AC为零
1．64ms
返回
LL
LLLLLLH×
设置DDRAM地址为零，显示回原位，DDRAM内容不变
1．64ms
输入方式
设置
LL
LLLLLHI/DS
设置光标、整体显示是否移动及移动方向
40µs
显示开关
控制
LL
LLLLHDCB
设置整体显示开关（D），光标开关（C），光标及光标位的字符闪烁（B）
40µs
移位
LL
LLLHS/CR/L××
移动光标或整体显示、同时不改变DDRAM内容
40µs
功能设置
LL
LLHDLNF××
设接口数据位数（DL），显示行数（L），及字形（F）
40µs
CGRAM
地址设置
LL
LHACG
设CGRAM地址，设置后CGRAM数据被发送和接收
40µs
DDRAM
地址设置
LL
HADD
设DDRAM地址，设置后DDRAM数据被发送和接收
40µs
读忙标志位（BF）及地址计数器
LH
BFAC
读忙标志位（BF）判断内部操作是否正在执行，并读地址计数器AC内容
0µs
写数据
CG/DD
RAM
HL
写数据
写数据到CG或DDRAM
40µs
Tadd=6ns
读数据由
CG/DD
RAM
HH
读数据
读数据由CG或DDRAM
40µs
Tadd=6ns
I/D1：
增量方式，
0：
减量方式
S1：
移位
S/C1：
显示移位，
0：
光标移位
R/L1：
右移，
0：
左移
DL1：
8位，
0：
4位
N1：
2行
0：
1行
F1：
5×10点阵
0：
5×7点阵
BF1：
内部操作，
0：
接收指令
RS：
寄存器选择
R/W：
读/写
①清屏
清除DDRAM的内容，光标回原位，置地址计数器AC=0。
②返回
设置DDRAM地址为零，显示回原点，DDRAM内容不变。
③输入方式设置
当数据写入DDRAM或从DDRAM中读出数据时，AC自动加1或减1。
I/D=1时自动加1，I/D=0时自动减1。
当S=1时，数据写入时整体显示左移（I/D=1）或右移（I/D=0），此时光标看上去未动，但读出数据时显示不移动；当S=0时，光标左移（I/D=0）或右移（I/D=1），但整体显示不移动。
④显示开关控制
当D=1时，开显示，当D=0时，关显示，此时DDRAM的内容不变；当C=1时，开光标显示，当C=0时，关光标显示；当B=1时，光标及光标位的字符一起闪烁，当B=0时，不闪烁。
⑤移位
此指令使光标或整体显示在不进行读写操作时移位。
移动情况见表9-10。
表9-10光标及显示移位
S/C
R/L
移动说明
0
0
光标左移，AC自动减1
0
1
光标右移，AC自动加1
1
0
光标和显示一起左移
1
1
光标和显示一起右移
⑥功能设置
此指令用于设置数据接口位数、显示行数及点阵是5×7还是5×10。
当DL=1时，使用8位数据线，当DL=0时，仅使用4位数据线DB7～DB4。
当N=1时，二行显示，当N=0时，一行显示。
当F=1时，选择5×10点阵字符，当F=0时选择5×7点阵字符。
⑦CGRAM地址设置
设置CGRAM的地址指针，地址码A5～A0被送入AC后，可将自编字符数据送入或读出CGRAM。
⑧DDRAM地址设置
设置DDRAM的地址指针，写入地址码后，即可向DDRAM写入字符码或从DDRAM读出。
⑨读忙标志和地址
当RS=0，R/
=1时，BF和AC的内容被读到数据线上。
当BF=1时，表示控制器正在执行内部操作，不接收任何外部指令或数据。
当BF=0时，表示内部操作完成。
⑩写/读DDRAM或CGRAM数据
当RS=1，R/
=0时，将字符码写入DDRAM或将用户自定义字符数据写入CGRAM中。
当RS=1，R/
=1时，将DDRAM或CGRAM中的内容读到数据线上。
5．LCM与MCS-51单片机的接口与编程
点阵字符型液晶显示模块LCM可以与MCS-51单片机直接接口，如图9-10所示。
也可以挂接在MCS-51的并行总线上，如图9-11所示。
实际上LCM与MCU的接口就是HD44780（或与其兼容）控制器与MCU的接口，所以LCM指令及其接口信号与HD44780相同。
图9-10I/O口与LCM的接口
图9-11MCS-51并行总线与LCM的接口
对LCM的编程应注意以下问题：
（1）LCM的初始化
HD44780在电源建立时自动复位，并对LCM进行初始化。
内部初始化时间大于10ms，在此期间忙标志保持为1。
复位时的初始化如下：
①清屏。
②功能设置：
DL=1，即接口为8位；N=0，单行显示；F=0，字符为5×7点阵。
③显示开关设置：
D=0，关显示；C=0，关光标；B=0，关闪烁。
④输入方式设置：
I/D=1，地址计数器自动加1；S=0，整体显示不移位，光标右移。
有时系统上电不满足内部初始化的要求则不能完成初始化过程，因此，建议在编程时首先对LCM初始化。
初始化过程如下：
①执行延时程序，至少等待15ms。
②执行功能设置命令，并置DL=1。
③执行延时程序，至少等待5ms。
④重新执行功能设置命令，并置DL=1。
⑤执行延时程序，至少等待100µs。
⑥再一次执行功能设置命令，并置DL=
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