摘  要： 提出了一種以C8051F060單片機(jī)作為電路控制核心控制彩色TFT-LCD液晶顯示，實(shí)現(xiàn)各種圖形、曲線以及漢字字型輸出的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)漢字在讀取字模和顯示過(guò)程中的特點(diǎn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了漢字字模動(dòng)態(tài)提取、色彩實(shí)時(shí)設(shè)置及顯示區(qū)域快速更新等功能。實(shí)驗(yàn)證明，TFT-LCD色彩分辨率為256色；顯示像素為320×100時(shí)，曲線更新頻率大于90 Hz；顯示區(qū)域?yàn)?20×240像素時(shí)，更新幀頻可達(dá)40 Hz，滿足了人機(jī)接口高速顯示和智能儀表的需要。
關(guān)鍵詞： 智能儀表；C8051F060；TFT-LCD液晶；人機(jī)接口；幀頻

　在現(xiàn)實(shí)生活中，液晶屏是一種具有良好人機(jī)交互性能的可視化人機(jī)接口，被廣泛地應(yīng)用于智能儀器、家用電子產(chǎn)品、工業(yè)生產(chǎn)和手持設(shè)備中。在高新技術(shù)企業(yè)，液晶屏顯示已經(jīng)成為顯示技術(shù)的主要方式之一[1-2]。隨著電子技術(shù)和智能儀表的不斷發(fā)展以及信息量的不斷增加，單色液晶屏的應(yīng)用越來(lái)越受到限制。彩色液晶屏以其信息量大、畫面生動(dòng)美觀等優(yōu)點(diǎn)逐漸獲得人們的喜愛。目前，驅(qū)動(dòng)彩色液晶屏的電路比較復(fù)雜，價(jià)格比較貴，限制了它的廣泛使用。因此，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全的電路驅(qū)動(dòng)彩色液晶屏，實(shí)現(xiàn)曲線、圖文的動(dòng)態(tài)顯示功能，拓展了彩屏在低端智能儀器設(shè)計(jì)中的使用。
1 控制器和液晶模塊
1.1 C8051F060單片機(jī)簡(jiǎn)介
　C8051F060單片機(jī)是Cygnal公司完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)器件SoC（System on chip）。其CIP-51內(nèi)核運(yùn)行速度可達(dá)25 MIPS，除具有標(biāo)準(zhǔn)的8051數(shù)字外設(shè)外，內(nèi)部還集成了常用的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，具有2個(gè)16 bit分辨率的SAR（逐次逼近寄存器型）ADC，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1 Ms/s，1個(gè)10 bit的SAR ADC，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200 ks/s，2個(gè)12 bit DAC，可用于產(chǎn)生無(wú)抖動(dòng)的模擬電壓輸出。豐富的外設(shè)資源和高速指令運(yùn)算能力大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3-5]。
1.2 液晶模塊TFT0305-A
　IFT0305-A是由恒方電子有限公司生產(chǎn)的，屏幕尺寸為3.5寸，可顯示256種顏色，顯示分辨率為320×240，自帶標(biāo)準(zhǔn)的中文字庫(kù)，顯示漢字和字符極為方便。字庫(kù)芯片采用GT23L32S4W，支持GB2312國(guó)標(biāo)漢字（含有國(guó)家信標(biāo)委合法授權(quán)）及ASCII字符，用戶通過(guò)字符內(nèi)碼，利用GT23L32S4W手冊(cè)提供的方法計(jì)算出該字符點(diǎn)陣在芯片中的地址，把地址信息送入地址寄存器就可從該地址中連續(xù)讀出字符點(diǎn)陣信息。液晶屏控制板采用嵌入式CPLD電路控制漢字以及字符的讀寫，不占用主控制器的機(jī)時(shí)，字庫(kù)芯片和CPLD之間采用PLII總線方式，控制更方便、傳輸數(shù)據(jù)更快。
1.3 TFT液晶驅(qū)動(dòng)電路原理
　TFT 液晶屏顯示器件是靠鑲嵌在顯示器件玻璃上的薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管來(lái)完成顯示功能，一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)一個(gè)像素。TFT液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路的工作原理是采用逐行掃描的方式完成顯示功能。當(dāng)選通一行的地址時(shí)，該行場(chǎng)效應(yīng)管將全部處于導(dǎo)通狀態(tài)；此時(shí)，列地址將顯示信號(hào)分別施加給該行的每個(gè)晶體管上，實(shí)現(xiàn)顯示功能。當(dāng)選通下一行地址時(shí)，該行的場(chǎng)效應(yīng)管將全部進(jìn)入無(wú)效狀態(tài)，無(wú)論列驅(qū)動(dòng)器如何變化，該行都保持不變，即該行的電壓將保持一段時(shí)間，而這段時(shí)間與掃描的行數(shù)無(wú)關(guān)[6]。
2 液晶屏與C8051F060的接口設(shè)計(jì)
2.1 硬件電路設(shè)計(jì)
　在實(shí)際應(yīng)用中，液晶屏與單片機(jī)有多種連接方式。從占用I/O口的多少可以分為串行方式和并行方式，其中，串行方式雖然占用的I/O口少，但是速度較并行方式來(lái)說(shuō)比較慢[7]。因此，結(jié)合液晶屏在實(shí)際應(yīng)用中的顯示速度，本文采用并行方式，計(jì)算機(jī)以訪問(wèn)I/O口設(shè)備的方式直接對(duì)液晶屏顯示模塊進(jìn)行操作。接口電路圖如圖1所示。C8051F060的供電電壓一般為3.3 V，而液晶屏所需供電電壓為5 V，為了使液晶屏正常工作，在單片機(jī)與液晶屏之間加入兩片控制電壓轉(zhuǎn)換的芯片SNC74LVC4245DB。如圖1所示，P7.0~P7.7端口通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片與TFT液晶屏的數(shù)據(jù)線DB0~DB7相連，P3.1~P3.7分別和液晶屏的控制引腳相連。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
　TFT0305-A液晶屏的控制板中有兩個(gè)地址寄存器分別用來(lái)控制行操作、列操作、頁(yè)操作和緩沖區(qū)操作，地址寄存器只能寫，不能讀。讀取漢字和液晶屏顯示操作不能同時(shí)進(jìn)行。讀取漢字時(shí)，先往字庫(kù)芯片的3個(gè)地址寄存器內(nèi)送入所要顯示漢字的地址，然后從地址寄存器中讀取該漢字的內(nèi)容，放入單片機(jī)的內(nèi)存中。選中液晶屏的片選信號(hào)，從單片機(jī)的內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)到液晶屏上

　軟件編程環(huán)境采用的是Silicon Labs集成開發(fā)環(huán)境IDE （Integrated Development Environment），它是一套完整、獨(dú)立的軟件程序，為設(shè)計(jì)者提供了用于開發(fā)和測(cè)試項(xiàng)目的所有工具。在IDE編程環(huán)境下，系統(tǒng)軟件用C語(yǔ)言編寫，根據(jù)液晶屏的讀寫時(shí)序以及編程要求編寫程序。程序在調(diào)用字庫(kù)芯片時(shí)，通過(guò)CPLD對(duì)字庫(kù)芯片進(jìn)行讀寫控制，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CPLD緩存后送入到單片機(jī)的存儲(chǔ)區(qū)中。程序經(jīng)過(guò)匯編、調(diào)試，燒寫在單片機(jī)的外部存儲(chǔ)區(qū)中。主程序流程圖如圖3所示。

　經(jīng)實(shí)際測(cè)試可獲得以下數(shù)據(jù)（TFT-0305液晶屏的顯示分辨率為320×240）：兩次動(dòng)態(tài)曲線掃描時(shí)間間隔為21 588，由式（1）可得動(dòng)態(tài)掃描頻率為96.5 Hz，由式（2）可得幀頻為40.2 Hz。
　本文介紹了C8051F060單片機(jī)與TFT-LCD液晶屏接口方法及顯示設(shè)計(jì)，可以在智能儀表中實(shí)時(shí)地顯示波形，硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，顯示圖形清晰流暢，曲線更新頻率可調(diào)。本文設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于，采用帶字庫(kù)型彩色液晶屏，方便、快捷地動(dòng)態(tài)調(diào)用字庫(kù)內(nèi)的漢字和字符，無(wú)需在程序中寫出漢字的內(nèi)碼，編程時(shí)可為單片機(jī)節(jié)省大量的空間，為內(nèi)存比較小的單片機(jī)的操作和設(shè)計(jì)提供了可能，為彩色液晶在低端智能儀表中的使用奠定了良好的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)單片機(jī)與液晶屏接口電路以及軟件調(diào)試過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)，可為今后開發(fā)研究其他類型的彩色液晶屏控制、驅(qū)動(dòng)和顯示提供一些幫助。
參考文獻(xiàn)
[1] 丁建軍，王曦華.基于8051單片機(jī)的液晶屏接口設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù)，2009，5（34）：9839-9840.
[2] 孫盛坤，丁昊，宋杰.基于FPGA和TFT彩屏液晶屏的便攜式示波器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（4）：158-161.
[3] 李圣昆，張永樂，任勇峰.基于C8051F060的采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（2）：14-16.
[4] Li Lei， Chen Yangzhen， Zhou Huaping， et al. The application of hall sensors ACS712 in the protection circuit of controller for humanoid robots[C]. IEEE Conference on Computer Application and System Modeling， Taiyuan： IEEE CPS， 2010：101-102.
[5] Sun Mingge， Zhu Xilin. Design of auto disturbance rejection controller based on field-bus[C].2010 IEEE International Conference on Information and Automation（ICIA）， Piscataway， N.J： IEEE，2010：992-996.
[6] 張俊謨.SoC單片機(jī)原理與應(yīng)用：基于C8051F系列[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.
[7] 郭強(qiáng).液晶顯示模塊應(yīng)用及調(diào)試[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.
[8] 恒方電子有限公司.液晶模塊TFT0305-A技術(shù)規(guī)格文件[S].2009.