液晶顯示器（ＬＣＤ）具有重量輕、耗能小、工作電壓低、無輻射、顯示信息量大等優(yōu)點。隨著測控技術的發(fā)展,ＬＣＤ已被廣泛應用于各種儀器儀表、電子顯示裝置等場合,成為測量結果和人機對話的重要工具。液晶顯示器按其功能可分為三類:筆段式ＬＣＤ（可顯示數(shù)碼）、字符點陣式ＬＣＤ（可顯示數(shù)碼和英文字符）和圖像點陣式ＬＣＤ（可以顯示字符、漢字、任意圖形）。在測控儀器儀表中,字符點陣式ＬＣＤ和圖像點陣式ＬＣＤ應用更為廣泛[1,2]。本文介紹了常用液晶顯示器與微控制器的接口技術及其抗干擾措施,結合最近開發(fā)的絕緣油耐壓測試儀中出現(xiàn)的ＣＭＯＳ自鎖現(xiàn)象,提出了一種在強電磁場等特殊環(huán)境下,可靠使用液晶顯示器的技術方法。
�。蹋茫呐c微控制器的接口技術目前市面上的液晶顯示模塊是將接口電路、行列驅動以及液晶屏組合為一體的專用模塊,模塊中常有兩片以上的ＣＭＯＳ大規(guī)模集成電路,對外與控制器的接口功能只是一些工作方式寄存器的讀寫和對應的點陣ＲＡＭ的讀寫,具體工作的方式控制、掃描顯示及驅動均由模塊內的集成電路來完�？刂破髋cＬＣＤ交換數(shù)據(jù)信息有串行通訊方式（通過ＲＳ232接口）和并行通訊方式,ＬＣＤ顯示屏大多采用并行接口方式。
2.1�。蹋茫牡牟⑿薪涌诜绞斤@示模塊的外部接口一般采用并行方式,并行接口外接口線的讀寫時序常見以下兩種模式。（1）8080模式,這類模式通常有下列接口信號:Ｖｃｃ（工作主電源）、Ｖｓｓ（公共端）、Ｖｅｅ（偏置負電源,常用于調整顯示對比度）/ＲＥＳ,復位線。ＤＢ0～ＤＢ7,雙向數(shù)據(jù)線。Ｄ/Ｉ,數(shù)據(jù)/指令選擇線（1:數(shù)據(jù)讀寫,0:命令讀寫）。/ＣＳ,片選信號線（如果有多片組合,可有多條片選信號線）。/ＷＲ,ＭＰＵ向ＬＣＤ寫入數(shù)據(jù)控制線。/ＲＤ,ＭＰＵ從ＬＣＤ讀入數(shù)據(jù)控制線。（2）6800模式,在這種模式下,Ｖｃｃ、Ｖｓｓ、Ｖｅｅ、/ＲＥＳ、ＤＢ0～ＤＢ7、Ｄ/Ｉ的功能同模式（1）,其他信號線為:Ｒ/Ｗ,讀寫控制（1:ＭＰＵ讀,0:ＭＰＵ寫）。Ｅ,允許信號（多片組合時,可有多條允許信號線）。在接口電路中,微控制器與ＬＣＤ的接口常采用兩種方式:（1）總線式接口方式,該方式適用于各種ＣＰＵ（如80×86）芯片和具有并行總線（地址總
線、數(shù)據(jù)總線、控制總線）接口的單片機（如ＭＣＳ 51系列）,接口電路中,ＤＢ0～ＤＢ7直接接數(shù)據(jù)總線,其他信號線用地址線和控制線一起譯碼產生。在譯碼電路中,ＧＡＬ芯片的使用可以簡化邏輯設計。（2）Ｉ/Ｏ接口方式,該方式適用于各種具有并行總線接口的單片機（如ＭＣＳ 51系列,此時并行口直接進行操作）和不具備并行總線接口的單片機（如ＰＩＣ系列、51ＬＰＣ系列）,接口電路中,通過對各條接口線讀寫實現(xiàn)ＬＣＤ所要求的時序。
2.2�。郑澹宓漠a生在ＬＣＤ模塊中,對比度的調整往往是通過調整Ｖｅｅ的數(shù)值進行的。對比度的大小會隨著溫度的變化而變化,準確的調整方式是加以溫度傳感器通過補償電路來進行的。大多數(shù)使用者是采用在Ｖｃｃ和一個負電源Ｖ＿之間接一個電位器,通過調整電位器使之輸出一個合適的Ｖｅｅ來調整ＬＣＤ的對比度。負電源Ｖ＿可以通過一個直流電源電路產生。如果該測控儀表中設計了ＲＳ232接口,就需要有ＴＴＬ電平與ＲＳ232電平的轉換電路。目前常用的芯片是ＭＡＸ202芯片。ＭＡＸ202是ＭＡＸＩＭ公司出品的接口芯片,可以進行ＴＴＬ電平與ＲＳ232電平的轉換。該芯片內帶電源提升泵,工作時只需單5Ｖ電源而無須外接12Ｖ電源,使用方便而且性能可靠。ＭＡＸ202芯片的引腳有負電源輸出,利用這一個引腳可以代替一個直流電源電路。
2.3 抗干擾措施ＬＣＤ顯示屏常置于儀表的面板上,通過一條扁平電纜連接于主控板上。測控儀表內部的電磁干擾對ＬＣＤ的工作有一定的影響[3,4],如果該儀表工作于工業(yè)生產過程,惡劣的環(huán)境對于液晶屏的工作更為不利,這就需要在設計中采用各種抗干擾措施,一般情況下采用下述措施即可:（1）主板上與ＬＣＤ模塊接口的邏輯電路盡可能采用驅動能力強的芯片。（2）ＬＣＤ模塊的接口中,在Ｖｃｃ和Ｖｓｓ之間接一個0.1μＦ的濾波電容。（3）ＬＣＤ模塊的工作電流很小,為幾個ｍＡ,但其背光部分所需要的電流遠大于其工作電流,最好將工作電源和背光電源分別走線。（4）定期對液晶屏復位（通過/ＲＥＳ引腳）可以保證液晶顯示屏長期工作的穩(wěn)定性。如果不允許液晶屏定期復位,可以檢測ＬＣＤ內部工作寄存器和顯示ＲＡＭ,一旦發(fā)現(xiàn)ＬＣＤ不正常,可以對ＬＣＤ復位。3�。茫停希幼枣i現(xiàn)象及其抑制隨著ＣＭＯＳ器件在電子設計領域中應用范圍的日益廣泛,對其性能可靠、抗干擾方面的要求也越來越高,而在特定環(huán)境下,其自身特有的自鎖[5]現(xiàn)象嚴重影響了系統(tǒng)的正常工作,因此,如何有效抑制ＣＭＯＳ自鎖現(xiàn)象的產生已成為使用ＣＭＯＳ器件設計電路中一個不可忽視的問題。
3.1 自鎖現(xiàn)象自鎖現(xiàn)象又稱可控硅（ＳＣＲ）現(xiàn)象。這是因為器件內部存在的ｐｎｐｎ結構形成了雙結型寄生晶閘管,此寄生晶閘管的電路結構與ＳＣＲ的結構完全相同。在測試和使用過程中,當有外來的電壓或電流信號觸發(fā)動作,ＣＭＯＳ器件的漏極Ｖｄｄ和源極Ｖｓｓ之間就會出現(xiàn)很大的導通電流。該電流一旦開始流動,即使除去外來觸發(fā)信號也不會中斷,只有關斷電源或將電壓降到某個值以下才能解除該電流,此時器件處于自鎖狀態(tài)。理論和實驗證明,ＣＭＯＳ電路的自鎖效應是由于其內部存在寄生雙極晶閘管所引起的。產生自鎖的原因是多方面的,具體分為外部原因和內部原因兩類。內部原因是因其內部雙寄生晶體管的特殊構造引起的,其制造工藝在出廠后已確定,在此不做詳述。外部原因主要由以下幾方面構成:（1）輸入或輸出端的電平下降到比Ｖｓｓ還低,或者上升到比Ｖｄｄ還高;（2）接到Ｖｄｄ端的電源有異常的浪涌電壓或噪聲干擾侵入;（3）電源電壓瞬間跳動引起反偏下ｐ阱 襯底結電容出現(xiàn)較大的充放電電流,該電流的大小與電源電壓變化速度呈正比;（4）受到電離輻射,如α射線或γ射線輻照,使襯底、阱等處有異常的電流流過。
3.2�。茫停希幼枣i現(xiàn)象的抑制措施為了避免自鎖現(xiàn)象的發(fā)生,一方面從ＣＭＯＳ器件的制造工藝上改進其基本結構,另一方面在電路設計中,針對具體產生自鎖的原因采取相應的措施,具體為以下幾種方案:（1）輸入輸出電源端有浪涌電壓或電流出現(xiàn)時,可在輸入端、輸出端串聯(lián)電阻以限制觸發(fā)電,或者加粗電源線。（2）當電源線阻抗較高時,系統(tǒng)內集成電路開關引起的動態(tài)壓降也易引起自鎖。此時可在Ｖｄｄ和Ｖｓｓ間接入電容,提供動態(tài)電流,減小電源線上的動態(tài)壓降。（3）由于大多數(shù)自鎖現(xiàn)象是外來噪聲和系統(tǒng)暫態(tài)過程引起的,只是瞬間產生,可在由浪涌電壓或電流引起的強磁場形成前斷開系統(tǒng)內ＣＭＯＳ器件的供電,躲過強磁場后繼續(xù)上電工作。4 絕緣油耐壓測試儀ＬＣＤ顯示中的ＣＭＯＳ自鎖現(xiàn)象的抑制措施。
4.1 絕緣油耐壓測試儀設計中自鎖現(xiàn)象的產生絕緣油耐壓測試儀是一種廣泛應用于電力行業(yè)的測量變壓器絕緣油耐壓強度的儀器。其工作原理是:在電力絕緣油的測試過程中,需要一個可調的高壓電壓,該電壓加在絕緣油杯兩端,電壓由零逐步上升,當電壓在任意時刻擊穿時,當前的電壓值即為油的絕緣值。具體實現(xiàn)電路原理框圖如圖1�！ ∑渲�,系統(tǒng)的高壓產生部分是通過交流電機帶動自耦變壓器（可調）,產生0～220Ｖ的交流電,經(jīng)過1∶400的高壓變壓器產生0～88ｋＶ交流電壓。在具體的設計調試中,我們發(fā)現(xiàn)每當絕緣油被擊穿時,用于顯示系統(tǒng)加壓狀態(tài)的液晶屏都會出現(xiàn)花屏,導致系統(tǒng)不能正常工作。經(jīng)過反復實驗發(fā)現(xiàn),造成系統(tǒng)工作失常的是由于在絕緣油擊穿時,通過油杯的擊穿電流為10～20ｍＡ,因變壓器變壓比為1∶400,升壓變壓器初級線圈將有4～8Ａ的大電流流過,這么大的電流突變在電路周圍產生了強電磁場干擾,嚴重干擾了暴露在外的液晶顯示模塊中ＣＭＯＳ器件,引發(fā)了器件的自鎖現(xiàn)象。
4.2 抑制方法由于本系統(tǒng)中,ＣＭＯＳ器件是集成在液晶模塊中,不能采取傳統(tǒng)方法直接加限流電阻來抗干擾,只能采用第三種方法來抑制自鎖現(xiàn)象的產生。具體實現(xiàn)是:一方面,將系統(tǒng)中大電流導線遠離微機控制電路,并使兩根大電流導線絞合成雙絞線以降低對外的空間干擾;另一方面,考慮到由于大多數(shù)自鎖現(xiàn)象是外來噪聲和系統(tǒng)暫態(tài)過程引起的,只是瞬間產生,則可在由浪涌電壓或電流引起的強磁場形成前斷開系統(tǒng)內ＣＭＯＳ器件的供電,待強磁場撤除后繼續(xù)上電工作。為此,本系統(tǒng)增設了擊穿時的復位電路,見圖2。其中Ｊ1繼電器控制高壓的閉合與斷開,Ｊ2繼電器控制液晶顯示屏的供電;Ｕ1為Ｄ觸發(fā)器,當ＳＤ=Ｈ,ＣＤ=Ｌ時,Ｑ=Ｌ;當ＳＤ=Ｌ,ＣＤ=Ｈ時,Ｑ=Ｈ。滿位開關信號是由滿位限位開關提供,在電機正轉達到滿位之前,輸出為高。具體工作原理是:系統(tǒng)啟動時,啟動信號輸入為低脈沖,觸發(fā)器ＣＤ為低,滿位開關輸入高電平信號,此時Ｑ=Ｌ低,Ｊ1繼電器閉合,高壓接通。當高壓擊穿時或電機正轉到滿位（二者滿足任一條件）,高壓信號輸入變低,觸發(fā)器ＳＤ=Ｌ,ＣＤ=Ｈ,Ｑ=Ｈ,高壓控制繼電器斷開,同時因Ｃ3電容兩端電壓不能突變,Ｕ4輸出正脈沖,Ｊ2動作,斷開液晶屏供電電源,而且ＲＥＳＥＴ輸出為高,復位信號有效,系統(tǒng)復位。過一段時間（約1ｓ）后,+5Ｖ電源對電容Ｃ3充電,使電容兩端變高,Ｕ4輸出變低,液晶屏恢復正常供電,系統(tǒng)復位撤除,恢復正常工作。
4.3 試驗結果實驗表明,該方法能有效控制絕緣油擊穿時高壓的通斷,能夠準確測量變壓器絕緣油的耐壓值,并且在絕緣油擊穿時斷開液晶顯示模塊的電源供電,有效避免了液晶屏內ＣＭＯＳ器件自鎖現(xiàn)象的產生。
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