淺議ＣＰＬＤ溫度顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì) 智能溫度采集和顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：本文將VHDL語(yǔ)言應(yīng)用于液晶顯示系統(tǒng)，根據(jù)要求設(shè)計(jì)溫度顯示系統(tǒng)，介紹了溫度顯示系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案， 并分別闡述了系統(tǒng)模塊的劃分、工作原理，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間、溫度以及要求溫度的顯示。
　　關(guān)鍵詞：溫度顯示；CPLD；VHDL
　　中圖分類號(hào)：TN141.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　1 引言
　　
　　顯示器是人與機(jī)器溝通的重要界面，早期以顯像管顯示器（CRT）為主，隨著科技不斷進(jìn)步，各種顯示技術(shù)誕生。近來(lái)由于液晶顯示器（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無(wú)輻射危險(xiǎn)、平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，有逐漸取代CRT顯示器主流地位的趨勢(shì)[1]。
　　目前很多工業(yè)控制領(lǐng)域采用單片機(jī)及其它外圍芯片結(jié)合，液晶顯示控制器實(shí)現(xiàn)溫度控制顯示。但是，現(xiàn)有控制器大多與顯示屏集成，顯示內(nèi)容受到一定限制，又不能實(shí)現(xiàn)顯示與動(dòng)態(tài)圖形顯示相結(jié)合。CPLD（Complicate Programmable Logic Devices）具有編程方便、集成度高、速度快、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)潛力強(qiáng)；LCD使用便利，適用范圍廣泛。CPLD與LCD結(jié)合使用使控制顯示系統(tǒng)在復(fù)雜和惡劣條件下的使用成為可能[2-3]。
　　
　　2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
　　
　　顯示系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，它主要包括程序ROM、通信口（RS232）、數(shù)據(jù)ROM、數(shù)據(jù)RAM、MPU（AT89C51）、TEMPDISPLAY（CPLD）、顯示RAM和LCD�？刂破髦苯优c微處理器（MPU）相連接，從MPU處接收8位溫度測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)，控制信號(hào)，鍵盤(pán)信號(hào)。通過(guò)內(nèi)部電路將8位數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為4位并行數(shù)據(jù)信號(hào)，并與轉(zhuǎn)換后的控制信號(hào)一起輸出給TEMPDISPLAY（CPLD），同時(shí)由顯示RAM將顯示數(shù)據(jù)輸出到液晶顯示屏。
　　
　　單片機(jī)傳送初始數(shù)據(jù)給TEMPDISPLAY，以建立控制器的操作參數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)定顯示。初始化完成后指令代碼通過(guò)譯碼器解譯為邏輯信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制/設(shè)置功能，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供掃描時(shí)序信號(hào)；數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入寄存器被格式化，同時(shí)存儲(chǔ)在顯示RAM中。隨著RAM數(shù)據(jù)的更新，LCD控制器持續(xù)從顯示RAM中讀取數(shù)據(jù)，將顯示數(shù)據(jù)和掃描時(shí)序信號(hào)傳送給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將“顯示”和“非顯示”控制信號(hào)輸出給電壓轉(zhuǎn)換電路，由交流脈沖信號(hào)控制電壓轉(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生行列驅(qū)動(dòng)電壓，直接驅(qū)動(dòng)液晶電極，實(shí)現(xiàn)預(yù)定顯示。單片機(jī)沒(méi)有為顯示RAM提供直接路徑，把所有的數(shù)據(jù)和命令傳送給LCD控制芯片，然后傳給顯示RAM。
　　基于CPLD的溫度顯示系統(tǒng)具有如下功能[2]：
　�。�1） 測(cè)溫并且顯溫功能：這是本設(shè)計(jì)的基本功能，每隔一分鐘接收一次測(cè)量并加以顯示。
　�。�2） 計(jì)時(shí)功能：這是本設(shè)計(jì)的輔助功能，每隔一分鐘計(jì)時(shí)一次，并且在顯示屏上顯示當(dāng)前時(shí)間。
　�。�3） 設(shè)置新溫度：按“溫度”鍵后，更改“要求溫度”的溫度值的顯示，用戶用數(shù)字鍵“0”~“9”輸入新的溫度，到規(guī)定值后直接跳出。
　�。�4） 設(shè)置新時(shí)間：按“時(shí)間”鍵后，更改“時(shí)間”的時(shí)間值的顯示，用戶用數(shù)字鍵“0”~“9”輸入新的時(shí)間，到規(guī)定值后直接跳出。
　　
　　3 硬件模塊設(shè)計(jì)
　　
　　3.1 微處理器
　　微處理器選用AT89C51單片機(jī)，AT89C51通過(guò)并行I/O口與LCD控制器芯片相連，同時(shí)與PC的數(shù)據(jù)總線和顯示RAM相連。
　　3.2 VHDL編寫(xiě)芯片
　　TEMPDISPLAY即VHDL編寫(xiě)芯片。通過(guò)硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)模塊功能，包括以下幾個(gè)部分：
　　系統(tǒng)譯碼器：可將KEYPAD信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~9的整型數(shù)，以直觀地表示和處理用戶輸入的數(shù)字。
　　鍵盤(pán)緩沖器：是一個(gè)移位寄存器，暫存用戶鍵入的數(shù)字，并且實(shí)現(xiàn)用戶鍵入數(shù)字在顯示器上從右到左的依次顯示。
　　分頻器：將較高數(shù)的外部時(shí)鐘頻率分頻為每分鐘一次的時(shí)鐘頻率，以便進(jìn)行控制測(cè)溫和進(jìn)行時(shí)間計(jì)數(shù)。
　　計(jì)數(shù)器：實(shí)際上是一個(gè)復(fù)位，異步置數(shù)的累加器；通常情況下進(jìn)行時(shí)鐘的累加計(jì)數(shù)，可以用來(lái)使時(shí)間累加和溫度累加。
　　寄存器：用與新溫度的設(shè)置，新時(shí)間的設(shè)置是個(gè)異步復(fù)位寄存器。
　　顯示器：根據(jù)所測(cè)溫度顯示所測(cè)溫度的數(shù)值，顯示當(dāng)前時(shí)間和所輸入新的溫度的值。同時(shí)判斷當(dāng)前的溫度是否達(dá)到輸入新溫度，實(shí)際上是一個(gè)多路選擇器加比較器。
　　控制器：是設(shè)計(jì)的核心部分，按設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯，以控制其他部分的工作。
　　3.3 LCD
　　液晶的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于液晶的四壁效應(yīng)，在定向膜的作用下，液晶分子在正、背玻璃電極上呈水平排列，但排列方向互為正交，而玻璃間的分子呈連續(xù)扭轉(zhuǎn)過(guò)渡，這樣的構(gòu)造能使液晶對(duì)光線產(chǎn)生旋光作用，使光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。上、下電極施加一定電壓控制，液晶呈黑色或透明狀態(tài)。根據(jù)需要，將液晶電極做成各種文字、數(shù)字或點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，就可獲得所需的各種顯示。
　　
　　本系統(tǒng)采用TFT，TFT通過(guò)薄膜晶體管直接尋址，屬于有源矩陣液晶顯示器中的一種，反應(yīng)時(shí)間達(dá)到了25ms，具有更高的對(duì)比度和更豐富的色彩。TFT每個(gè)像素都配置一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路。由于每個(gè)像素都可通過(guò)點(diǎn)脈沖直接控制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立，并可連續(xù)控制，反應(yīng)時(shí)間短，灰度控制上非常精確，色彩更逼真。
　　3.4 通信與存儲(chǔ)器
　　系統(tǒng)選用適合于個(gè)人計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備的接口的RS232串行通訊標(biāo)準(zhǔn)。采用3條連線組成，即發(fā)送線（Tx）、接收線（Rx）和地線（GND）。將控制信號(hào)和鍵盤(pán)信號(hào)與單片機(jī)通信，電壓等級(jí)是+/-12V。
　　顯示RAM用于預(yù)存一屏的顯示數(shù)據(jù)，容量為40*54＝2160 bits，設(shè)計(jì)中集成在驅(qū)動(dòng)器芯片中，以減少空間節(jié)約成本。
　　
　　4 軟件設(shè)計(jì)
　　
　　4.1 漢字顯示程序設(shè)計(jì)
　　首先編制出狀態(tài)查詢、寫(xiě)指令、寫(xiě)數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)等子程序，然后編制出清屏、畫(huà)點(diǎn)等基本子程序，最后在此基礎(chǔ)上編寫(xiě)顯示字符、數(shù)字、漢字及復(fù)雜的圖形等。
　　4.2 單片機(jī)程序
　　由系統(tǒng)控制程序、顯示程序與微機(jī)通信程序構(gòu)成，軟件流程如圖3所示。系統(tǒng)控制程序首先完成初始化參數(shù)。然后查詢是否有顯示數(shù)據(jù)存在，查到后調(diào)用顯示程序。顯示程序則把需要顯示的數(shù)據(jù)調(diào)入一特定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中，按要求的顯示方式把顯示數(shù)據(jù)按一定順序放入顯示RAM中操作，通過(guò)硬件電路產(chǎn)生所需的視頻信號(hào)。顯示結(jié)束后回到系統(tǒng)控制程序，重復(fù)先前操作，當(dāng)有微機(jī)通信信號(hào)產(chǎn)生，則中斷執(zhí)行的程序，進(jìn)入串口中斷處理程序，把需顯示的數(shù)據(jù)及方式存入數(shù)據(jù)RAM中，然后回到中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。
　　在硬件系統(tǒng)上電復(fù)位后，軟件根據(jù)液晶模塊的參數(shù)（如液晶的行數(shù)、列數(shù)、掃描頻率等）和需要的顯示方式設(shè)置各個(gè)指令的參數(shù)來(lái)初始化系統(tǒng)，之后由單片機(jī)把數(shù)據(jù)直接給控制器的緩存，控制器就可以控制液晶顯示[2]。
　　
　　
　　5 總結(jié)
　　
　　本文設(shè)計(jì)的顯示系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要選擇相應(yīng)LCD，確定顯示時(shí)序。設(shè)計(jì)中選用CPLD芯片，采用VHDL硬件描述語(yǔ)言，對(duì)顯示屏系統(tǒng)的邏輯控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　顯示系統(tǒng)采用CPLD進(jìn)行開(kāi)發(fā)，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法，電路按功能劃分成不同的模塊，具有良好的通用性和互換性。顯示系統(tǒng)構(gòu)成了獨(dú)立特色的控制系統(tǒng)，使控制功能大大增強(qiáng)，可以更好地使用于如空調(diào)和冰箱等設(shè)備中。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]郭強(qiáng).LCD應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.
　　[2]陳靜，姚清玉.用LCD控制器實(shí)現(xiàn)EL顯示屏的控制[J].現(xiàn)代顯示，2004，（1）.
　　[3]劉會(huì)軍，賀洪江，趙琦.VHDL在顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2005，7（8）.

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