從LCD電極讀數(shù)的單片機(jī)接口技術(shù)

摘要 以測(cè)量?jī)x表中常見(jiàn)的時(shí)分割驅(qū)動(dòng)法驅(qū)動(dòng)的段式LCD顯示器為例，分析LCD顯示器的電極連接結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形；介紹單片機(jī)讀取儀表LCD讀數(shù)的接口電路。此接口電路應(yīng)用于筆者開發(fā)的自動(dòng)血壓監(jiān)控儀的研制及臨床應(yīng)用項(xiàng)目中，由8031單片機(jī)讀取血壓計(jì)的收縮壓、舒張壓、心率以及充氣和放氣時(shí)瞬時(shí)壓強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明，此接口電路工作穩(wěn)定、可靠。
關(guān)鍵詞 LCD電極 讀數(shù) 時(shí)分割驅(qū)動(dòng)法 接口設(shè)計(jì)

　　通過(guò)測(cè)量?jī)x表拾取被測(cè)信號(hào)是單片機(jī)前向通道設(shè)計(jì)中常用的數(shù)據(jù)采集方式。通常，接口電路從儀表電路中取得相關(guān)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換或V/F 轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)；或者取得一個(gè)頻率信號(hào)，經(jīng)整形后送入單片機(jī)[1]。然而，有些測(cè)量?jī)x表電路中可能找不到這樣的信號(hào)。以電容式壓力傳感器血壓計(jì)為例，盡管從其振蕩電路中可以取得一個(gè)與壓強(qiáng)成線性關(guān)系的頻率信號(hào)[2]，送入單片機(jī)測(cè)得壓強(qiáng)，但這個(gè)壓強(qiáng)并不是所要拾取的收縮壓、舒張壓和心率；而普通的血壓計(jì)又沒(méi)有智能儀表那樣的通信接口與單片機(jī)通信。顯然，要想通過(guò)這樣的儀表拾取被測(cè)信號(hào)只有直接讀取其顯示屏的讀數(shù)了。

　　本文以一個(gè)全自動(dòng)血壓計(jì)為例，介紹將LCD顯示器讀數(shù)讀入單片機(jī)的接口電路。該血壓計(jì)顯示器為6 1/2位段式LCD顯示器，3位顯示收縮壓，3位顯示舒張壓。1/2位在兩組數(shù)碼中間，顯示4個(gè)指示符號(hào)。

1  LCD的電極連接結(jié)構(gòu)和工作波形

1.1  LCD的電極連接結(jié)構(gòu)

　　圖1為血壓計(jì)LCD的電極連接結(jié)構(gòu)及等效電路。其中，圖1（a)為公共電極連接排列，圖1（b)為段電極連接排列。它共有4個(gè)公共電極COM0~COM3，每位數(shù)碼各有2個(gè)段電極Sx-0、Sx-1，其等效電路為一個(gè)4行×2列的矩陣，如圖1（c)所示。

圖1  LCD電極連接結(jié)構(gòu)及等效電路

1.2  LCD的工作波形

　　用雙蹤示波器觀察血壓計(jì)LCD的工作波形，如圖2所示。它采用時(shí)分割驅(qū)動(dòng)法驅(qū)動(dòng)，偏比1/3,占空比1/4，B型[3]。公共電極 COM0~COM3的信號(hào)波形始終保持不變，段電極Sx-0、Sx-1信號(hào)波形隨顯示數(shù)字的變化而變化。圖2中的Sx-0、Sx-1波形為顯示數(shù)字“0” 時(shí)的工作波形。由圖2可知，不考慮信號(hào)的直流分量，所有波形的前半周期t1~t4與后半周期t5~t8大小相等，極性相反。COM0~COM3信號(hào)電壓依次在t1~t4四個(gè)時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值。時(shí)間t1為第1行上f、a兩段的掃描時(shí)間，公共電極COM0，Sx-0為f段的段電極，Sx-1為a段的段電極。在 t1時(shí)間內(nèi)， f段上的電壓COM0－Sx-0=V0，a段上的電壓COM0－Sx-1=V0，f、a兩段均處于選擇狀態(tài)，顯示。其余各段在其掃描時(shí)間內(nèi)的電壓和顯示狀態(tài)如表1所列。7段中只有g(shù)段上的電壓為V0/3，處于非選擇狀態(tài)，不顯示。其余6段均處于選擇狀態(tài)，顯示。因此，顯示數(shù)字“0”。

圖2  LCD工作波形

表1  顯示“0”時(shí)各段的顯示狀態(tài)

　　由此可見(jiàn)，只要依次檢查在t1~t4四個(gè)時(shí)間內(nèi)f、a、g、b、e、c、d各段上的電壓COMx－Sx-y(x=0,1,…,6;y=0,1)是V0還是V0/3即可獲得LCD各位數(shù)碼的字形碼，然后再將字形碼轉(zhuǎn)換為測(cè)量結(jié)果。

2  單片機(jī)讀數(shù)接口電路

　　圖3為根據(jù)上述工作原理設(shè)計(jì)的8051單片機(jī)讀數(shù)接口電路。圖中，LCD為血壓計(jì)的液晶顯示器，6位數(shù)碼從右到左依次編號(hào)0~5，中間半位的編號(hào)為6。它有13個(gè)段電極、4個(gè)COM電極，GND為血壓計(jì)的接地端。8051的 PC口為8051的擴(kuò)展并行口。

圖3  讀數(shù)接口電路

2.1  顯示狀態(tài)讀取電路

　　由CD4067、CD4051、LM324(UA、UB)組成顯示狀態(tài)讀取電路，讀取LCD數(shù)碼各段的顯示狀態(tài)。CD4067多路模擬開關(guān)從 LCD的13個(gè)段電極信號(hào)中選擇一路Sx-x輸出到LM324(UA)的反相輸入端2腳。CD4051多路模擬開關(guān)從LCD的4個(gè)COM信號(hào)中選擇一路 COMx輸出到LM324(UA)的同相輸入端3腳。LM324(UA)接成模擬減法器，由1腳輸出信號(hào)COMx－Sx-x。UB作電壓比較器，參考電壓 VR大小由電位器W1調(diào)節(jié)于V0/3～V0之間，將段電壓COMx－Sx-x與VR比較。比較結(jié)果為該段的顯示狀態(tài)，高電平說(shuō)明該段顯示，低電平不顯示。顯示狀態(tài)送入8051的P1.6腳。R1、C1組成RC濾波器，濾除高頻干擾。

　　比如，要讀取0號(hào)數(shù)碼的a段顯示狀態(tài)，由圖1知，0號(hào)數(shù)碼a段的段電極是S0-1，公共電極是COM0。由程序控制在t1時(shí)間內(nèi)令PC1PC0 =00，使CD4051選擇COM0，令PC5~PC2=0001，使CD4067選擇S01，COM0和S01兩信號(hào)電壓經(jīng)UA減法器相減，然后再經(jīng) UB電壓比較后得到a段的顯示狀態(tài)，8051從P1.6腳讀取此顯示狀態(tài)。

2.2  INT0中斷信號(hào)產(chǎn)生電路

　　UC和UD組成INT0中斷信號(hào)產(chǎn)生電路。UC 接成電壓跟隨器，減小電路對(duì)COM0信號(hào)的影響。R2、C2組成RC濾波器，濾除高頻干擾。UD作電壓比較器，參考電壓VR加在同相輸入端，VR大小由電位器W2調(diào)節(jié)于2V0/3～V0。電壓比較器將COM0信號(hào)轉(zhuǎn)換為INT0負(fù)脈沖信號(hào)，工作波形如圖4所示。負(fù)脈沖的下降沿為L(zhǎng)CD驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期T的起始時(shí)刻。此負(fù)脈沖接至8051的INT0腳，在負(fù)脈沖的下降沿產(chǎn)生外部中斷0。

圖4  比較器UD工作波形

3  程序設(shè)計(jì)

　　啟用外部中斷0和定時(shí)器T0，以中斷方式讀取LCD各位數(shù)碼的字形碼。主程序以查詢方式讀取該字形碼，然后經(jīng)過(guò)讀數(shù)校驗(yàn)、字形碼到BCD碼的譯碼、讀數(shù)識(shí)別等，將字形碼轉(zhuǎn)換為讀數(shù)。

3.1  讀取字形碼

　　通過(guò)外部中斷0和定時(shí)器T0以中斷方式讀取LCD某一編號(hào)數(shù)碼的字形碼。如圖5所示，INT0負(fù)脈沖在周期T的起始時(shí)刻引起外部中斷0，由 INT0中斷服務(wù)程序啟動(dòng)T0定時(shí)器，依次在t1～t4半個(gè)周期內(nèi)的f、a、g、b、e、c、d各時(shí)刻產(chǎn)生T0中斷，讀取各段的顯示狀態(tài)，獲得字形碼。 T0定時(shí)器設(shè)為工作方式2，自動(dòng)再裝入定時(shí)時(shí)間為T/16，初始定時(shí)時(shí)間為T/32。INT0和T0中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。

圖5  T0中斷的各個(gè)時(shí)刻

圖6  INT0和T0中斷服務(wù)程序流程

　　其中，PC口數(shù)據(jù)格式：PC5~PC3為要讀取的那位LCD數(shù)碼編號(hào)，PC2為段電極編號(hào)，PC1PC0為COM電極編號(hào)。

3.2  字形碼轉(zhuǎn)換

　　主程序以查詢方式分別讀取由中斷服務(wù)程序采集的各位數(shù)碼的字形碼，查表將字形碼轉(zhuǎn)換為BCD碼，再將幾位數(shù)碼的BCD碼轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值。

3.3  讀數(shù)校驗(yàn)

　　讀取一位數(shù)碼的字形碼需要1個(gè)周期T(實(shí)際只用前半個(gè)周期)，經(jīng)測(cè)量，T=16.318 ms。讀取全部612位數(shù)碼至少需要用7個(gè)周期，約114 ms?？紤]到在單片機(jī)讀數(shù)的過(guò)程中，LCD的讀數(shù)有可能發(fā)生變化而導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤，程序中采用連續(xù)兩次讀數(shù)的方法來(lái)校驗(yàn)讀數(shù)的正確性。如果連續(xù)兩次讀數(shù)相同，則說(shuō)明讀數(shù)是正確的；如果連續(xù)兩次讀數(shù)不同，則說(shuō)明讀數(shù)可能是錯(cuò)誤的，應(yīng)重新讀數(shù)。

3.4  讀數(shù)識(shí)別

　　血壓計(jì)顯示的內(nèi)容除了收縮壓、舒張壓和心率以外還有充氣、放氣時(shí)的瞬時(shí)壓強(qiáng)以及一些狀態(tài)信息。LCD中間的半位 （6號(hào)）用于顯示待機(jī)（Reay to measure）、充氣（CUFF Inflating）、放氣（CUFF Deflating）以及更換電池（Replace Batteries）四個(gè)符號(hào)。另外，4號(hào)數(shù)碼顯示“E”時(shí)表示測(cè)量出錯(cuò)，顯示“P”時(shí)，右邊3位(0~2號(hào))數(shù)碼顯示的數(shù)字為心率。左右兩邊顯示內(nèi)容均是數(shù)字時(shí)，左邊3位（3~5號(hào)）是收縮壓，右邊3位是舒張壓，血壓與心率交替顯示。主程序通過(guò)這些信息來(lái)識(shí)別LCD所顯示的內(nèi)容。

4  結(jié)論

　　使用此接口電路采集數(shù)據(jù)，不必考慮與拾取信號(hào)的測(cè)量相關(guān)的細(xì)節(jié)問(wèn)題和技術(shù)規(guī)范。這樣，當(dāng)拾取信號(hào)的測(cè)量比較復(fù)雜時(shí)，可以有效地縮短開發(fā)周期。同時(shí)，它也不存在二次A/D轉(zhuǎn)換或V/F轉(zhuǎn)換方法所存在的單片機(jī)采集數(shù)據(jù)與儀表讀數(shù)不完全一致的問(wèn)題。

　　程序設(shè)計(jì)用1個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期讀取1位數(shù)碼，這樣的讀取速度對(duì)于讀數(shù)變化不是很快的血壓計(jì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。如果測(cè)量?jī)x表LCD讀數(shù)變化很快，可以修改編程，在1個(gè)周期內(nèi)同時(shí)讀取幾位數(shù)碼，甚至修改電路設(shè)計(jì)，將后半周期也用于進(jìn)行讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)在1個(gè)信號(hào)周期內(nèi)讀取所有數(shù)碼。

參考文獻(xiàn)

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安郁寬(副教授)，主要研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)物理學(xué)以及電子學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。