DMF5001液晶顯示器與波形顯示技術(shù)

摘要：DMF5001是日本東芝公司生產(chǎn)的集控制、驅(qū)動(dòng)、顯示為一體的薄板式點(diǎn)陣圖形顯示器，可用來(lái)顯示各種字符和圖形。文中介紹了DMF5001液晶顯示器的工作原理和軟、硬件接口電路，討論了點(diǎn)陣式圖形顯示器示波形的三種方法，最后給出了部分顯示控制。

關(guān)鍵詞：液晶顯示器 波形顯示 顯示內(nèi)插 DMF5001

DMF5001是集控制器、驅(qū)動(dòng)器、顯示器為一體的薄板式點(diǎn)陣圖形顯示器。它不僅可以直接顯示ASCII字符，還可以顯示漢字和各種圖形。DMF5001可廣泛應(yīng)用于各種便攜式波形顯示儀器，如數(shù)字存貯示波器瞬態(tài)波形存貯器等。由于液晶顯示器對(duì)空間電磁輻射的干擾不敏感，且在緊湊的儀器空間中不需要專(zhuān)門(mén)的屏蔽保護(hù)，因而可大大簡(jiǎn)化儀器的結(jié)構(gòu)和制造成本。

1 DMF5001的硬件結(jié)構(gòu)及接口

圖1為DMF5001的內(nèi)部電路框圖。它由一片160×128點(diǎn)的單屏結(jié)構(gòu)液晶顯示器NRD7353、兩片行驅(qū)動(dòng)器T6961B、兩片列驅(qū)動(dòng)器T7778A、一片控制器T6963C及8k的RAM和相關(guān)配套電路組成。由圖1可以看出，外部電路與DMF5001的接口實(shí)際上就是與控制器T6963C的接口。它通過(guò)執(zhí)行T6963C的內(nèi)部命令來(lái)控制8k RAM的讀寫(xiě)和顯示板的顯示。

DMF5001的接口引線如圖1所示。其中，D0-D7為雙向數(shù)據(jù)總線，WR和RD為讀寫(xiě)控制線，CE為片選信號(hào)，C/D為命令/數(shù)據(jù)控制線。C/D控制信號(hào)可與WR、RD控制信號(hào)配合工作。當(dāng)C/D=1時(shí)，系統(tǒng)將認(rèn)為向T6963C寫(xiě)入的8位數(shù)據(jù)是命令，而從T6963C讀出的8位數(shù)據(jù)則認(rèn)為是當(dāng)前T6963C的內(nèi)部工作狀態(tài)；當(dāng)C/D=0時(shí)，系統(tǒng)的寫(xiě)入和讀出均為顯示數(shù)據(jù)。HALT為功耗控制端，當(dāng)HALT=1時(shí)為正常工作，HALT=0時(shí)，為低功耗狀態(tài)。該電路選擇的是+5V（Vcc）工作電源，液晶顯示板的電源VEE為-20V。DMF5001的顯示對(duì)比度控制電壓為Vadj=0-VEE。

DMF×××可以與8051系統(tǒng)直接接口。其實(shí)際接口電路如圖2所示。其中，74LS138的地址譯碼輸出信號(hào)Y6可作為DMF5001的CS控制信號(hào)，地址范圍為C000H-DFFFH。同時(shí)，74LS373輸出的地址線A0應(yīng)接到DMF5001的C/D控制端。因此，向DMF5001寫(xiě)入命令和讀出狀態(tài)的地址為C001H，寫(xiě)入和讀出數(shù)據(jù)的地址為C000H。

2 DMF5001顯示原理及軟件接口

DMF5001在顯示屏上顯示的內(nèi)容，取決于8k RMA中預(yù)置的數(shù)據(jù)。8k RAM可分為文本緩沖區(qū)和圖形緩沖區(qū)。其中文本緩沖區(qū)的每一個(gè)存貯單元對(duì)應(yīng)于顯示屏上的一個(gè)字符，全屏可顯示16行×20列，需占用320個(gè)存貯單元；而圖形緩沖區(qū)的每一個(gè)存貯單元對(duì)應(yīng)顯示屏上的一個(gè)8×1點(diǎn)陣，其全屏圖形為160×240點(diǎn)陣，需占用2560個(gè)存貯單元。當(dāng)用戶向緩沖區(qū)內(nèi)輸入顯示數(shù)據(jù)時(shí)，控制器T6963C立即從緩沖區(qū)內(nèi)讀出這些數(shù)據(jù)，然后將其變換為顯示驅(qū)動(dòng)碼送到行、列顯示驅(qū)動(dòng)器，并在顯示屏相應(yīng)的位置顯示字符和圖形。如果實(shí)際使用的字符緩沖區(qū)大于320單元或者圖形緩沖區(qū)大于2560單元，那么，可以通過(guò)改變當(dāng)前顯示的起始地址來(lái)實(shí)現(xiàn)滾屏或換頁(yè)，以此來(lái)切換顯示緩沖區(qū)內(nèi)的各個(gè)部分內(nèi)容。

控制器T6963C內(nèi)含128字符的字符發(fā)生器，用戶只需將字符的ASCII代碼寫(xiě)入字符緩沖區(qū)，即可顯示字符。設(shè)Y=0～15為顯示屏上字符顯示的行號(hào)，X=0～19為顯示屏上字符顯示的列號(hào)，則字符寫(xiě)入緩沖區(qū)的地址為：

add=home+20Y+X

式中，home為字符緩沖區(qū)的首地址。

T6963C可以對(duì)圖形緩沖區(qū)內(nèi)每一個(gè)存貯單元的每一位進(jìn)行置位和復(fù)位，以實(shí)現(xiàn)圖形、曲線或漢字的顯示。為了在顯示屏上顯示一點(diǎn)或清除一點(diǎn)，需處理的圖形緩沖區(qū)單元的地址為：

add=home+20Y+INT(X/8)

該存貯單元應(yīng)置位或復(fù)位的位為：

bit=7-mod(X，8)

其中，Y=0～127為顯示屏上點(diǎn)的行號(hào)，X=0～159為顯示屏上點(diǎn)列號(hào)。

DMF5001的文本和圖形可以分別顯示，也可以重疊同時(shí)顯示。DMF5001的命令集共有10條命令，簡(jiǎn)述如下：

（1）指針設(shè)置命令。該命令用于設(shè)置游標(biāo)指針、外部字符發(fā)生器的地址指針以及顯示數(shù)據(jù)的地址指針；

（2）首地址和顯示列寬設(shè)置命令。用來(lái)設(shè)置文本和圖形緩沖區(qū)的首地址和顯示寬度；

（3）顯示模式設(shè)置命令。用于設(shè)置文本與圖形的“與”、“或”、“異或”等顯示方式。

（4）顯示控制命令。主要控制文本、圖形、游標(biāo)的顯示或關(guān)閉；

（5）游標(biāo)圖案選擇命令。通過(guò)該命令可選擇一線光標(biāo)至八線光標(biāo)；

（6）數(shù)據(jù)讀寫(xiě)命令。每次讀出或?qū)懭胍粋€(gè)數(shù)據(jù)，地址自動(dòng)遞增、遞減或不變；

（7）數(shù)據(jù)連續(xù)讀寫(xiě)命令?？梢赃B續(xù)讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)，地址自動(dòng)遞增；

（8）屏幕數(shù)據(jù)讀出命令。用于讀出顯示屏上各種邏輯組合的數(shù)據(jù)；

（9）屏幕拷貝命令。通過(guò)該命令將顯示屏上的一行顯示數(shù)據(jù)寫(xiě)入到圖形緩沖區(qū)中；

（10）位操作命令。通過(guò)該命令并利用屏幕像素的組合來(lái)顯示圖形。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明：在各種命令輸入或數(shù)據(jù)讀寫(xiě)之前，需要讀出和判斷T6963C的狀態(tài)字。只有狀態(tài)字中相應(yīng)的位所指示的狀態(tài)為“允許”或“就緒”時(shí)，才能進(jìn)行相應(yīng)的操作。某些命令需要帶有數(shù)據(jù)，如地址指針的設(shè)置、數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)等，這些命令需要先輸入數(shù)據(jù)，后輸入命令。若為雙字節(jié)數(shù)據(jù)，則先輸入低字節(jié)，后輸入高字節(jié)。

在DMF5001型薄板式液晶圖形顯示器上電以后，系統(tǒng)應(yīng)首先需要對(duì)T6963C進(jìn)行初始化。其初始化流程如圖3所示，每一步的命令已在圖中標(biāo)出。命令所帶的數(shù)據(jù)可根據(jù)顯示需要來(lái)決定。在上電或顯示過(guò)程中，一般都需要清屏，其方法是向文本和圖形緩沖區(qū)內(nèi)寫(xiě)滿數(shù)據(jù)00H。

3 點(diǎn)陣圖形顯示器的波形顯示技術(shù)

DMF5001點(diǎn)陣圖形顯示器是利用顯示屏上像素點(diǎn)的顯示或清除來(lái)表示圖形的。在采樣數(shù)據(jù)的波形顯示時(shí)，每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)在顯示器上表現(xiàn)為一個(gè)像素點(diǎn)，而該像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)于圖形緩沖區(qū)某一單元的某一位。

數(shù)據(jù)波形的顯示通常有三種方式：直接點(diǎn)顯示、矢量?jī)?nèi)插顯示，正弦內(nèi)插顯示。根據(jù)不同的情況選用相應(yīng)的顯示方式。

數(shù)據(jù)波形顯示的質(zhì)量與模擬信號(hào)采樣頻率有關(guān)。對(duì)于一定頻率f0的模擬信號(hào)波形，為了在采樣后能夠足夠精確地顯示出來(lái)，需要選用足夠高的采樣頻率fs，而fs的選取又與其所采用的顯示方式有關(guān)。fo、fs和顯示方式的關(guān)系定義如下：

fs=Kfo

在直接點(diǎn)顯示時(shí)，K=25，脈沖內(nèi)插顯示時(shí)，k=10，正弦內(nèi)插顯示時(shí)，K=2.5。

可見(jiàn)，不同的顯示方式所需要的采樣頻率相差很大。反之，若采樣頻率fs一定，則不同的顯示方式所限定的最高輸入信號(hào)頻率也相差很大。

3.1 直接點(diǎn)顯示

直接點(diǎn)顯示是一種虛線顯示方式，它簡(jiǎn)單地將各數(shù)據(jù)點(diǎn)按照其時(shí)間順序和幅值的大小擺放在顯示屏上，該方式的顯示速度很高，與波形的形狀無(wú)關(guān)，適用于多個(gè)波形的同時(shí)顯示和快速換屏的情況。

直接點(diǎn)顯示對(duì)于規(guī)則的周期信號(hào)，大約需要每周期25點(diǎn)才能較好地顯示該信號(hào)。而每周期25點(diǎn)的直觀感覺(jué)已經(jīng)能夠足夠精確地表示波形原形了。但如果每周期取樣點(diǎn)較少，或者是非周期的瞬態(tài)信號(hào)，則直接點(diǎn)顯示容易產(chǎn)生難以辨認(rèn)或視覺(jué)混淆現(xiàn)象。而當(dāng)信號(hào)變化較快且幅值較大時(shí)，由于采樣點(diǎn)相對(duì)較少，該方式將使得波形不連續(xù)；同時(shí)也不容易辨認(rèn)波形細(xì)節(jié)。

3.2 矢量?jī)?nèi)插顯示方式

矢量?jī)?nèi)插方式又稱(chēng)為線性?xún)?nèi)插方式，即高級(jí)編程語(yǔ)言中常用的“LINE”命令所描繪的曲線方式。它將點(diǎn)顯示方式中的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)用直線連接起來(lái)，從而能夠使曲線具有連貫和動(dòng)態(tài)感覺(jué)，這樣，就避免了單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的丟失和數(shù)據(jù)密集時(shí)的視覺(jué)混淆現(xiàn)象，從而大大地改善了視覺(jué)效果。

矢量?jī)?nèi)插方式顯示瞬態(tài)信號(hào)時(shí)，不容易感覺(jué)到顯示誤差的存在。但實(shí)際上，由于是用直線代替曲線，因此，當(dāng)采樣率較低且曲線曲率較大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的顯示誤差。

3.3 正弦內(nèi)插顯示方式

正弦內(nèi)插顯示方式對(duì)正弦波輸入信號(hào)非常有效，它可以從低至每周期2.5個(gè)點(diǎn)的采樣序列中滿意地恢復(fù)原始信號(hào)。

正弦內(nèi)插顯示的理論基礎(chǔ)是采樣的內(nèi)插公式：

式中，Δ為采樣的時(shí)間間隔。

從該公司可以看出，連續(xù)函數(shù)x(t)可以由它的采樣值x(Δn)來(lái)表示。

在實(shí)際計(jì)算機(jī)內(nèi)插顯示的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，可用量化的A/D采樣數(shù)據(jù)x(n)代替內(nèi)插公式中的模擬采樣值，其內(nèi)插計(jì)算點(diǎn)數(shù)的多少由所需的顯示精度決定。由于采樣序列只能為有限長(zhǎng)度，所以，內(nèi)插卡的求和范圍應(yīng)限制在計(jì)算點(diǎn)（-m,m）左右的區(qū)間內(nèi)，由此產(chǎn)生的x(t)幅值誤差為：

Δy≈1(πm)

因此，當(dāng)m>30時(shí)，顯示精度優(yōu)于1%。

圖4為每周期采樣5點(diǎn)的正弦波。圖4（a）是矢量?jī)?nèi)插顯示的波形，圖4（b）為正弦內(nèi)插顯示的波形，而內(nèi)插后每周期25個(gè)顯示點(diǎn)，計(jì)算求和的長(zhǎng)度為m=50。