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第2章智能仪器基本系统的设计西安电子科技大学机电工程学院测控工程与仪器系贺华第2章智能仪器基本系统的设计自动测试技术第2章智能仪器基本系统的设计2.1仪器中单片机的工作模式与端口特性2.2存贮系统的扩展设计2.3仪用键盘系统设计2.4数据显示系统设计自动测试技术第2章智能仪器基本系统的设计三、8279可编程键盘/显示器件的应用在较复杂，多功能的智能仪器和自动化检测系统中，不但采用的按键较多，而且要显示的数据位数也多。用软件扫描键盘要占用大量的CPU时间，多位显示器的接口电路也比较复杂，在这种情况下可以选用专用多口键盘/显示接口器件，常见的芯片有8279和SSK814两种，前者采用并行方式与计算机接口，工作速度较快；后者采用串行方式与计算机接口，工作速度较慢。下面我们介绍8279与单片机的接口方法。第2章智能仪器基本系统的设计1、8279的封装与引脚功能8279器件采用40脚双列封装形式如图2-29所示，它片内拥有显示RAM存贮器，可编程为16个8位或两对16个4位的显示存贮缓冲区。与它接口的数字显示器可以从左到右，也可以从右到左顺序显示，最多可接16只数码管。片内还拥有一个先进先出（FIFO）8x8RAM区，可用来存放键码。因此它的键盘接口可对64个按键组成的矩阵进行扫描。还可用SHIFT状态使按键分为上下两档，使键盘可编程128种功能。采用8279作键盘显示器接口电路，CPU只需按一般I/O操作将显示数据写入8279中，在键盘有按键时，8279也会自动发出中断请求，毋需CPU过多的干预，也就是说，8279能自动按设置完成数据显示和键盘扫描。第2章智能仪器基本系统的设计图2-29中各引脚的功能是：·D7～D08位双向数据总线，与单片机数据总线相连。·IRQ中断请求输出，当8279检测到有键按下时此端发出高电平。·，，片选、读、写信号线。第2章智能仪器基本系统的设计·A0命令/数据标志信号输入线，A0=1，数据写入的是命令，读出的是状态数据；A0=0，数据线上读写的是I/O数据。·SL3～SL0键盘扫描或显示扫描信号输出端，究竟是扫描键盘还是扫描显示器由方式控制字中的D2～D0位来选择。必须注意的是，该扫描信号有两种输出方法，一种是片内四位二进制计数器直接输出四位二进制码，再经外部译码电路译码后输出16位行扫描驱动信号，这种方法称为编码输出方式;另一种情况是它可以将扫描计数器低二位经译码器译码后输出四位行扫描信号，这种方法称为译码输出方式，只用于对4位熟悉显示器驱动和4×8键盘扫描。·A0命令/数据标志信号输入线，A0=1，数据写入的是命令，读出的是状态数据；A0=0，数据线上读写的是I/O数据。第2章智能仪器基本系统的设计·SL3～SL0键盘扫描或显示扫描信号输出端，究竟是扫描键盘还是扫描显示器由方式控制字中的D2～D0位来选择。必须注意的是，该扫描信号有两种输出方法，一种是片内四位二进制计数器直接输出四位二进制码，再经外部译码电路译码后输出16位行扫描驱动信号，这种方法称为编码输出方式;另一种情况是它可以将扫描计数器低二位经译码器译码后输出四位行扫描信号，这种方法称为译码输出方式，只用于对4位熟悉显示器驱动和4×8键盘扫描。·SHIFT、CNTL/STB用以输入控制键的状态，具体功能要在计算机读入按键状态后由软件去设定。·消隐输出线。当显示器进行显示切换或消隐时输出有效低电平。·RESERT8279状态复位输入，高电平有效。第2章智能仪器基本系统的设计2、8279的操作指令8279的工作方式是由8种操作指令来控制的，在这些指令中D7～D5用来指明操作的性质，D4～D0用来具体设定操作的内容，各种操作指令的编码方法如下。①键盘/显示器操作指令：在左输入显示时，段码从最左一位开始一位一位地送入所对应的数码管位置。右输入显示方式时，段码则从右到左排着队一位一位地移入到所对应的位置上。在选通输入扫描显示方式中RL7～RL0作为显示数据段码的输入口，而CNTL/STB端则作为选通信号输入端用。第2章智能仪器基本系统的设计②时钟编程命令：格式：用此命令设置分频系数以使外接入的CLK时钟达到8279所需的100kHz左右的时钟信号的要求，例如CLK信号频率为1MHz时，要分频到100kHz，分频系数为10即P4P3P2P1P0=01010B。第2章智能仪器基本系统的设计③读FIFORAM命令：键盘扫描方式时由于读键入数据总是先进先出FIFO，故此命令可以不起作用，它仅仅在传感器矩阵扫描方式中方有用处。格式：第2章智能仪器基本系统的设计④读显示缓冲器（RAM）命令：格式：⑤写显示缓冲器（RAM）命令：格式：第2章智能仪器基本系统的设计⑥显示器写禁止/消隐命令：格式：上述消隐屏蔽命令D3或D1,D2或D0都是互不影响、独立作用的，且在复位时清0。⑦清除命令：格式：8279接到清除命令后，要经历约100μs的清除过程，在此期间不允许有其它写操作。第2章智能仪器基本系统的设计⑧IRQ恢复方式设置：格式：3、8279的接口设计方式在8279众多操作方式中最常用的有两种，一种是所谓键盘行列编码扫描方式，另一种是键盘列值直接输入扫描方式。两种方式在FIFORAM中存放信息数据的格式是不同的。第2章智能仪器基本系统的设计行列编码扫描方式中，读取的键值编码格式为：列值直接输入扫描方式中D7～D0输入数据，只用来标志键盘状态的列值RL7～RL0：第2章智能仪器基本系统的设计第2章智能仪器基本系统的设计图2-308279与单片机的接口设计举例第2章智能仪器基本系统的设计图2-30画出了8279与单片机系统的一种接口方法。图中三只74LS240用作16位8段数码管和8×4键盘的驱动。8279采用外部译码操作方式，用二片74LS138实现对行扫描信号SL3～SL0的译码，其中138（1）输出低8位显示器的位控信号和键盘的行驱动信号，138（2）输出高8位显示器的位控信号。16位数码管的段码驱动控制由240（3）完成，它的段码输入来自8279的OUTA和OUTB。当=0时，两只138译码器输出全1，经240反相达到控制消隐的目的。由于8279的片选接,A0与单片机的A0相连，因此当位偶地址时，实现数据的读写，为奇地址时将完成对状态和命令的读写。当键盘出现有效按键时，按键状态值自动进入8279的FIFORAM中并向单片机发出中断请求，单片机通过中断服务读取键盘数据，再用程序进行识别完成按键所规定的操作。数码管显示内容的更新只需改变8279显示缓冲区RAM的内容就行。第2章智能仪器基本系统的设计图2-308279与单片机的接口设计举例第2章智能仪器基本系统的设计2.4.2LCD数据显示系统液晶显示器具有低电压、微功耗、大信息量、长寿命的特点，已广泛应用于电子表、电视和个人计算机等技术领域。在许多便携仪器仪表和智能仪器中也有广泛的应用前景。液晶是一种具有规则性分子排列的有机化合物，它即不是固体也不是液体，它是介于固态和液态之间的物质，把它加热时它会呈现透明的液体状态，把它冷却时它则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。液晶按照分子结构排列的不同分为三种：粘土状的Smectic液晶，细柱形的Nematic液晶和软胶胆固醇状的Cholestic液晶。这三种液晶的物理特性各不相同，而第二类的细柱形的Nematic液晶最适于用来制造液晶显示器。第2章智能仪器基本系统的设计基本上，液晶是同时具有固态和液态两种物理特性的物质。其中一个很炫的特色是（也是作用在LCD显示器上的特色）它会依据所施加的电压来改变位置。如同科学世界中的共同现象，液晶是偶然间被发现的。1888年，FriedrichReinitzer，奥地利植物学家，正在研究胆固醇在植物扮演的角色。其中一个实验是将提炼物加热。他发现提炼结晶会在145.5度变成混浊液态然后在178.5度时成为真正液态。他将他的发现与OttoLehmann分享，他是位德国科学家，他发现了该种液体具有某些水晶的特性，特别是暴露在光线下时的变化。所以由OttoLehmann命名：「液晶」。第2章智能仪器基本系统的设计基本上，第2章智能仪器基本系统的设计一、液晶显示器的基本结构与驱动方法第2章智能仪器基本系统的设计液晶屏剖面图第2章智能仪器基本系统的设计1.偏振片2.玻璃基板3.公共电极4.取向层5.封框胶6.液晶7.隔垫物8.保护层9.ITO像素电极10.栅绝缘层11.存贮电容底电极12.TFT漏电极13.TFT柵电极14.有机半导体有源层15.TFT源电极及引线16.各向异性导电胶（ACF）17.TCP18.驱动IC19.印刷电路板（PCB）20.控制IC21.黑矩阵（BM）22.彩膜（CF）12345648913102121811719120141516172122第2章智能仪器基本系统的设计实质运用上，有三种液晶技术用在LCD显示器。我们会在接下的篇幅描述TN+film（TN+视角扩大膜）、IPS（也称超级显示器）、MVA（Multi-DomainVerticalAlignment，画素分割垂直配向）。不论哪种技术被采用，所有LCD显示器都遵循相同的基本原则。一或更多根霓虹管构成所谓的背光，照亮了显示画面。在较便宜的机种上灯管数目可能会仅限一根，但你可以在较昂贵机种上发现最多有四根。有两根（或更多）霓虹灯管丝毫不影响图像的品质。相反的，第二根灯管是当作第一根灯管一旦损害时的备援。实际上，这样颇能延长显示器的工作寿命，因为一根霓虹灯馆通常只能延续50,000小时，但电子设备却要持续通电个100,000到150,000小时。为了保证有均匀的显示画面，光线会在达到玻璃基板之前经过一组反射系统来重新导向。尽管第一眼瞥见时好像不是那么一回事，但玻璃基板却因为要这么做变的异常复杂。事实上，有两块玻璃面板，在子像素的两边各一块，都被红、绿或蓝色滤光片给覆盖着。在一台15吋显示器中，加起来有1,028x768x3=2,359,296个子像素。每个RBG三元素被一个可以产生个别的电压的晶体管所控制。这样的电压，可变化的幅度很大，会造成每个子像素里的液晶向特定角度移动。该角度决定了通过子像素光线的多寡，接着，成像在玻璃面板上。液晶实际的作用是让光线转向而能够在击中显示画面之前通过一个偏向的滤光片。如果液晶与滤光片以同样的方向排列，则光线会通过。另一方面，当液晶与滤光片呈垂直时，玻璃面板会变的黑暗无光。第2章智能仪器基本系统的设计选择视角若从某一特定角度观察LCD，LCD会获得最佳对比度。该角度是在生产中确定的。这就叫做LCD的视角VIEWANGLE）。类似于从钟表的不同时间朝钟表中心观察，因此定义了两种视角。第2章智能仪器基本系统的设计选择偏光片根据所用的反射片的不同，LCD可以是反射型、半透型或透射型。反射型的LCD只可反射从前面进入的光线。透射型的LCD不反射光线，但允许从后面来的光线通过。半透型的LCD反射从前面进入的光线并允许从后面来的光线通过。显示类型正性/负性点亮/非点亮部分的颜色是否需要背光特点反射型正性黑/白不需要不需要背光。不过，在黑暗处不可见半透型正性负性黑/白，白/黑需要（在必要时点亮）在明亮处使用时，可关掉背光透射型正性负性黑/白，白/黑需要（总是点亮）使用时背光常点亮第2章智能仪器基本系统的设计由图2–31所视的基本结构图可知，将一片具有显示段电极膜的基板玻璃和另一片具有公共电极膜的基板玻璃对接在一起，四周用热固化环氧树脂进行封装，两片基板玻璃之间留有约10μm的间隙，在真空条件下注入液晶材料，用树脂封好后再在前后表面贴上偏振片即制成了一只液晶显示器。在使用时常把上基板上的字形段码电极称为段极，把下基板电极称为背极。我们只要在两极板间加入一定的电场，就可按电极形状显示出相应的图像来。上下导电基板电极的形状不同，所显示的图像也不同。常见的有笔画段形式和点阵式两大类，其基本结构如图2–32(a)、(d)所示。第2章智能仪器基本系统的设计帧反转液晶显示有源方式无源方式点反转静态驱动法动态驱动法多路驱动法行反转笔段、棒形显示数字、文字等矩