MSP430单片机与液晶显示器的串行接口方案设计(一)

1 概述
 点阵式液晶与外部的硬件接口简单，能以点阵或图形方式显示出各种信息，因此在电子设计中得到广泛应用。但是，对它的接口设计必须遵循一定的硬件和时序规范，不同的液晶显示驱动器，可能需要采用不同的接口方式和控制指令才能够实现所需信息的显示。某些液晶显示驱动器与外部的接口必须采用串行方式，而其串行接口往往不是标准的串行接口，这就为这类液晶显示驱动器的设计带来了困难。
 针对上述问题，本文提出一种利用微控制器（MCU）的I/O端口，通过软件设计模拟与所使用的液晶显示驱动器规范相符的串行总线的设计思想，实现MCU对液晶显示驱动器的控制，从而建立起一套不但可以显示各种字符，而且可以动态显示曲线的游人显示系统。
2 系统设计
 本文所建立的液晶显示系统，选用美国德州仪器（TI）公司的MSP430F149微控制器来控制液晶显示驱动器uPD16682A，从而实现各种信息的显示。
2.1 MSP430F14X微控制器简介
 TI公司的MSP430F14X微控制器与其它MSP430系列微控制器相同，均甚至一个真正的正交16位RISC CPU内核：具有16个可单周期全寻址的16位寄存器，仅27条的精简指令集以及7种均采用双重取数据技术（DDFT）的一致性寻址方式。DDFT技术利用每个时钟脉冲对存储器进行两次数据存取操作。从而不再需要复杂的时钟乘法和指令流水线方案。
 MSP430F14X系列MCU片内不但包括60多KB的Flash、2KB的RAM、一个看门狗时钟、12位16通道的A/D转换器、定时器、高精度比较器、PWM以及高速的USART控制器等常用资源，还在某些型号中集成了LCD控制器。其I/O资源丰富，且每个输入/输出（I/O）引脚上都提供了矢量中断功能，每个外围器件都支持复杂的事件驱动型操作。同其它微控制器相，带片内Flash的微控制器可将系统功耗降低5倍，并且减小了硬件线路板空间，与现代程序设计技术（如计算分支以及高级语言（如C语言）结合使用，使得MSP430的体系结构更为高效。
 MSP430F14X可采用一个集成的数字控制振荡器（DCO）或外部高速晶振对系统进行定时，其工作电压范围为1.8～3.6V，并可根据需要提供高达8MIPS（每秒百万条指令）的操作性能，对于对成本非常敏感的应用，该系列器件能够采用DCO来工作而无需外部晶振，快速的指令执行周期配之以低于6ms的等机启动时间，使得系统总功耗比竞争器件低了10倍，大大延长了诸如公用设施计量、便携式仪表测试和智能检测等工程应用系统中的电池使用寿命。
 MSP430F14X系列微控制器允许用户使用标准C语言进行程序编程，并提供高效的C语言编译环境；配之以支持对具有仿零点功能的快闪产品进行丰取的快速实时仿真工具FET及优良的调试环境，使MSP430F14X系列微控制器在工程设计中得到了广泛应用。
2.2 液晶显示驱动器uPD16682A简介
 uPD16682是NEC公司2001年初推出的液晶显示驱动器，该产品内置大容量显示RAM内存，并能够提供132×65点阵的全点显示，特别适合用于16×16或12×12点阵中、日文字符显示。该产品采用+3V单电源供电，内置升压电路并具3倍压和4倍压两种工作模式，支持8位串行或并行数据的输入，内置时钟发生电路和程序可编程控制的偏压电路。
（1）uPD16682A的显示内存
 uPD16682A的显示RAM内存保存着被显示内容的点阵信息。显示RAM的每一位对应显示屏上的一个点，总共可以存储132×65点的信息；通过选择对应的RAM页地址和列地址，微控制器可以访问其中的任何一个点。微控制器对uPD16682A的显示RAM的读写操作通过uPD16682A的I/O缓冲器进行（串行模式下uPD16682A不支持读操作），并且该读操作和液晶显示屏驱动信号的读取操作是独立的，因此，当显示内存的数据同时被双方访问时，不会出现显示信息的抖动等现象。从微控制器读入的显示数据按照D7～D0的数据位顺序与液晶显示屏的行顺序一一对应，其显示关系对应图如图1所示。如果在系统中使用了多片uPD16682A，则在片间进行显示数据的转移和显示一整幅图案时用户就会有很大的自由度。
 
（2）uPD16682A与微控制器的接口
 uPD16682A可以通过8位双向数据总线（并行模式下）或者通过串行总线接收来自微控制器的数据，这两种模式可以通过将其P/S引脚置高或置低进行选择。当工作于并行输入模式下时，uPD16682A的片选信号端、读写信号端以及控制信号端（A0）和数据线（D0～D7）都应该同微控制器的对应端口进行连接。此时uPD16682A内部显示RAM的数据以刷新液晶显示的内容，也可以通过数据总线读取显示内存的内容。当工作于串行模式下，uPD16682A仅使用数据线D6输入串行数据，即串行总线的数据输入端（SI），数据线D7被用作时钟输入（SCL）端，并将片将信号和控制信号（A0）同微控制器总线进行连接，置高或接地读写信号。此时uPD16682A内部显示RAM的数据访问是单向的，即微控制器只可以向显示RAM写数据以刷新液晶显示的内容，但不可以读取显示RAM的内容。
（3）uPD16682A的串行接口
 uPD16682A的串行接口是TTL电平，不是标准的串行接口，对串行数据的接收没有具体波特率、数据接口协议的要求，内部包括1个8位的移位寄存器和1个3位的计数器。UPD16682A在每个串行时钟的上升沿将串行数据捕获到其内部的移位寄存器，同时计数器自动加1。当串行数据按照D7～D0的顺序被依次捕获到后，在第8个时钟周期的上升沿，已接收到内部的8位串行数据被转换成一个8位的并行数据；同时，uPD16682A读取控制信号线A0上的电平，并且根据A0信号来判断当前被写入的8位串行数据是一个显示数据还是一个控制命令。对控制信号线A0的读操作由uPD16682A的内部定时器来控制，在每隔8个串行时钟之后自动操作一次。
（4）uPD16682A的控制指令
 uPD16682A通过读取其控制信号线A0的电平来判断当前从片外设备接收的数据是一个显示数据还是控制命令。当A0电平为高时，认为接收到的是一个显示数据；而当A0电平为低时，则认为接收到的是一个显示控制命令。利用uPD16682A的控制命令可以实现对uPD16682A大多数操作的控制。
2.3 uPD16682A与MSP430F149的硬件接口设计
 图2是系统uPD16682A与MSP430F149的硬件接口示意图。图中系统采用4MHz晶振，并由系统时钟分频得到其它内外设所用的时钟。MSP430F149和uPD16682A相连接的I/O口被定义为输出，MSP430F149利用片内12位A/D采集传感器变换后的电压信号。经程序处理后，通过上述I/O口传送到uPD16682A进行信息显示。由于驱动液晶显示的电压需要十几V，如果系统板采用+3V单供电，则液晶显示驱动器必须采用片内升压电路。图中uPD16682A采用内部4倍压连接方式。
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