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)器都沒有嚴(yán)格的總線時(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,從另一種形式來定制專用的LED顯示驅(qū)動(dòng)控制器芯片。主要利用基于I2C總線的通訊接口,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,因此可以通過編程設(shè)置其引腳功能作為LED顯示器的驅(qū)動(dòng)芯片。
圖1 4位LED顯示器
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漏輸出模式設(shè)置,可作為共陰極或共陽極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),的I/O端口數(shù)目可達(dá)到18個(gè)。大多數(shù)端口均可以通過軟件配置成準(zhǔn)雙向、上拉、輸入、開漏輸出四種類型之一。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總線外部地址,便于多芯片連接時(shí)對(duì)I2C總線地址設(shè)定,設(shè)置為輸入模式;P1.2、P1.3保持I2C總線接口功能不變。定義后的芯片引腳如圖3所示。
圖2 P87LPC762芯片原引腳功能
圖3 P87LPC762新定制芯片引腳定義
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)看門狗、內(nèi)部復(fù)位、復(fù)位后口線為高電平、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,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,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作為共陽極與共陰極的選擇端;A0～A2作為I2C總線外部地址選擇,多可連接8只外部芯片;SDA、SCL保持I2C總線接口功能不變。
圖4 外形圖
圖5 P87LPC932芯片原引腳功能
圖6 P89LPC932新定制芯片引腳定義
表1 修改后P87LPC762端口定義
| 引腳 | 原引腳功能 | 新定義 | 說明 | 引腳 | 原引腳功能 | 新定義 | 說明 |
| 1 | P0.0/CMP2 | a | LED 段輸出 |
12 | P1.0/TXD | n1 | LED 段輸出 |
| 20 | P0.1/CIN2B | b | 11 | P1.1/RXD | n2 | ||
| 19 | P0.2/CIN2A | c | 2 | P1.6 | n3 | ||
| 18 | P0.3/CIN1B | d | 3 | P1.7 | n4 | ||
| 17 | P0.4/CIN1A | e | 4 | P1.5/RST | A/K | 極性 | |
| 16 | P0.5/REF | f | 6 | P2.1/X1 | A2 | 芯片地址 | |
| 14 | P0.6/CMP1 | g | 7 | P2.0/X2 | A1 | ||
| 13 | P0.7/T1 | dp | 8 | P1.4/INT1 | A0 | ||
| 9 | P1.3/SDA | SDA | I2C 接口 |
15 | VDD | VDD | 電源 |
| 10 | P1.2/SCL | SCL | 5 | VSS | VSS |
表2 P87LPC762芯片設(shè)置
| P1.5 | P0M1 | P0M2 | P1M1 | P1M2 | P2M1 | P2M2 | UCFG1 | |
| 共陽極LED | 接地 | FFH | FFH | 10H | C3H | 03H | 00H | FBH |
| 共陰極LED | 接電源 | 00H | FFH | D3H | C3H | 03H | 00H | FBH |
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;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。塊芯片的I2C總線外部地址為000,用A0、A1、A2引腳接地來實(shí)現(xiàn),其余芯片地址依次設(shè)置,多可連接8只外部芯片(圖中未畫出)。從電路圖來看,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總線連接,占用系統(tǒng)資源少,電路較簡(jiǎn)單。如在I2C總線上連接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總線上,多可擴(kuò)展的“米”字段LED可達(dá)到48位,足可以滿足一般使用要求。
為了提高I2C總線驅(qū)動(dòng)能力,在實(shí)現(xiàn)多片連接時(shí),SCL、SDA需接總線匹配上拉電阻。
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總線硬件接口,用戶可以直接把它作為I2C總線的主控器或I2C總線的被控器。被控器通過I2C硬件中斷處理可實(shí)現(xiàn)從總線上接收或發(fā)送數(shù)據(jù);主控器操作I2C總線可實(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)序來檢測(cè)I2C總線被控器,并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送。I2C總線上的被控器是以I2C總線地址來區(qū)別的。I2C總線地址統(tǒng)一由I2C總線委員會(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,用戶也可以自定義芯片種類,低3位(D3～D1)通過芯片A0、A1、A2引腳設(shè)置。
當(dāng)使用帶有I2C總線接口的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總線主控器。定制的LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片通過I2C中斷接收數(shù)據(jù)的流程圖如圖8所示。當(dāng)從I2C總線上接收個(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。
圖7 采用定制顯示驅(qū)動(dòng)芯片的LED顯示驅(qū)動(dòng)器原理圖
圖8 I2C中斷流程圖
根據(jù)I2C總線協(xié)議要求,對(duì)主控器發(fā)送來的數(shù)據(jù)有一定的響應(yīng)時(shí)間要求。短時(shí)間可由RC振蕩器的倍頻頻率和中斷響應(yīng)時(shí)間來決定,速率可達(dá)到400kbs/s。速率可由LPC系列內(nèi)部專用I2C定時(shí)器I來控制,為了適應(yīng)非標(biāo)準(zhǔn)的低速率的I2C總線操作,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總線控制線,編寫模擬I2C驅(qū)動(dòng)程序。而且,89C52主機(jī)重新復(fù)位、I2C總線通訊斷線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英寸共陰極與共陽極LED時(shí),LED亮度均達(dá)到要求。在長期全亮顯示時(shí),定制的LED驅(qū)動(dòng)芯片溫升正常,能夠長期連續(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。