用于LCD測試系統(tǒng)的程控驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

引言
    液晶顯示器是一種電壓型非主動(dòng)發(fā)光顯示器，典型液晶顯示器利用液晶材料的介電常數(shù)各向異性和折射率各向異性的物理特性，通過改變加在液晶盒上的電壓來改變液晶分子的排列方式，從而改變液晶盒的透光率這一原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制，通過反射(無背光型)或透射(有背光型)光來實(shí)現(xiàn)顯示。液晶盒透過不同的強(qiáng)度和不同顏色的光，然后再使用空間混色法，就可以實(shí)現(xiàn)全彩色顯示。
    試驗(yàn)室用于LCD的測試系統(tǒng)就是在液晶盒中注入不同的液晶材料，用電極引線做成筆段式或矩陣型的LCD，然后在電極上加上所要求的驅(qū)動(dòng)脈沖，使被選行與被選列交叉位置上的液晶像素或筆段在電場作用下呈現(xiàn)顯示狀態(tài)(遮光或透光)，以此測試LCD的性能，所需的各種驅(qū)動(dòng)脈沖由驅(qū)動(dòng)電源提供。液晶顯示從無源到有源，由于其所用材料、形式、結(jié)構(gòu)的不同，其驅(qū)動(dòng)方法也比較復(fù)雜。目前試驗(yàn)室的測試只能用簡單
的方波作為驅(qū)動(dòng)脈沖，然而LCD的驅(qū)動(dòng)必須采用交流驅(qū)動(dòng)，以減少直流分量。為了使測試方便、快捷、對(duì)驅(qū)動(dòng)電源有要求：要使驅(qū)動(dòng)電源能夠提供各種所需驅(qū)動(dòng)脈沖；要使驅(qū)動(dòng)電源使用方便快捷。本設(shè)計(jì)目的就是制作一款用于LCD測試系統(tǒng)的程控驅(qū)動(dòng)器。該程控驅(qū)動(dòng)器基于嵌入式系統(tǒng)ARM7實(shí)現(xiàn)程序控制，內(nèi)建DC／DC升壓電路和DC／AC轉(zhuǎn)換電路以提供直流電源和產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，電源內(nèi)建／外接可選。該系統(tǒng)輸出的脈沖電壓峰值、頻率、占空比均可調(diào)。其中，電壓峰值通過I2C總線調(diào)節(jié)，頻率和占空比由脈寬調(diào)制器PWM調(diào)節(jié)，所有參數(shù)的設(shè)定均由串口通信發(fā)送到ARM7程序中。

1 硬件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)核心采用Philips的LPC2132，一方面通過其2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件I2C接口傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)字電位器，以實(shí)現(xiàn)通過程控來半自動(dòng)化調(diào)節(jié)升壓DC／DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)反饋，而升壓DC／DC轉(zhuǎn)換器能在芯片操作時(shí)調(diào)整輸出電壓；另一方面通過脈寬調(diào)制器PWM輸出脈沖來驅(qū)動(dòng)光電耦合繼電器中的LED，使其實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，一路PWM輸出控制2個(gè)光電耦合繼電器的開與關(guān)來選擇所需電壓，一路PWM輸出控制4個(gè)橋式光電耦合繼電器的開與關(guān)來實(shí)現(xiàn)直流轉(zhuǎn)換交流。
    考慮到內(nèi)部產(chǎn)生的電壓范圍可能達(dá)不到所需電壓的范圍，巧妙地接入了外部電壓輸入端，并用一個(gè)雙道雙擲開關(guān)內(nèi)外互換；另外，由于PWM輸出脈沖達(dá)不到LED工作所需的電壓電流，因此增加了LED的驅(qū)動(dòng)電路模塊；該程控驅(qū)動(dòng)器有2個(gè)輸出。一是如圖1所示的交流電壓輸出；二是將2個(gè)升壓DC／DC轉(zhuǎn)換器的輸出端也作為輸出，以提供直流電壓輸出。

1．1 0～90 V可調(diào)直流電源設(shè)計(jì)
    采用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件I2C接口傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)字電位器X9241，通過程控來半自動(dòng)化調(diào)節(jié)升壓DC／DC轉(zhuǎn)換器LT3482的負(fù)反饋，而LT3482能在芯片操作時(shí)調(diào)整輸出電壓。整個(gè)設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

    電路中，將X9241的4個(gè)電位器串聯(lián)起來，以實(shí)現(xiàn)254級(jí)可調(diào)，同時(shí)與-122 kΩ的電阻串聯(lián)到5 V電壓上，根據(jù)分壓原理，該電位器的輸出電壓可達(dá)O～1．235 V。將X9241的SCL和SDA連接到LPC2132的I2C總線上進(jìn)行串口通信，通常在SCL和SDA線上需要設(shè)置上拉電阻，由于LPC2132的I2C總線上已具有上拉電阻，故此處的上拉電阻可以省略。將X9241的4位地址A0～A1引腳都連接到地，此時(shí)編程地址定義為0000。[!--empirenews.page--]
    數(shù)字電位器X9241的滑動(dòng)輸出端連接到LT3482的13腳(CTRL引腳)，以提供輔助基準(zhǔn)輸入電壓O～1.235V。當(dāng)輔助基準(zhǔn)輸入電壓在0～1.235V時(shí)，LT3482將調(diào)節(jié)輸出電壓Vout2(4腳)，使負(fù)反饋端(14腳)電壓Vref與輔助基準(zhǔn)輸入電壓匹配。由圖2可以看出，Vout2與Vref存在以下關(guān)系：
   
    為了實(shí)現(xiàn)Vout2輸出0～90 V可調(diào)電壓，設(shè)計(jì)中取RL1，RL2的值分別為1 MΩ，14 kΩ。
1．2 頻率、占空比可調(diào)的正負(fù)脈沖電路設(shè)計(jì)
    主要將光耦用于開關(guān)電路，以此來實(shí)現(xiàn)直流變交流，基本思路如圖3所示。它采用4個(gè)光耦構(gòu)成橋式電路，其中1，2，3，4四個(gè)開關(guān)擬為4個(gè)光耦：a端接入電壓；c端接地；b，d作為輸出端。工作時(shí)，1，3開關(guān)導(dǎo)通，同時(shí)2，4開關(guān)斷開，接著2，4開關(guān)導(dǎo)通，同時(shí)1，3開關(guān)斷開。這樣反復(fù)交替更換即可實(shí)現(xiàn)正負(fù)脈沖。

    光耦的“開”與“關(guān)”實(shí)際上是其內(nèi)部LED的點(diǎn)亮與否，所以用一脈沖驅(qū)動(dòng)LED，即可實(shí)現(xiàn)光耦的“開”與“關(guān)”。本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)LED脈沖由LPC2132的PWM產(chǎn)生。至于如何實(shí)現(xiàn)b，d輸出端的脈沖頻率、占空比可調(diào)，可以轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)PWM輸出的脈沖頻率，占空比。由于光耦內(nèi)部LED的工作電壓為1．0～1．5 V，工作電流為10 mA左右，而PWM輸出脈沖電壓3．3 V電流比較小，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)加入了晶體管、電阻、5 V電壓，以起到減壓增流的效果?？紤]到1，3與2，4狀態(tài)正好相反，在電路設(shè)計(jì)時(shí)巧妙加入一反相門。由于需要上下幅值不一樣的正負(fù)脈沖，在設(shè)計(jì)時(shí)多增加了2個(gè)光耦來選擇上下電壓幅值，同時(shí)也增加了2個(gè)外部輸入端口，以避免內(nèi)部電壓不滿足所求。在內(nèi)外電壓的選擇上采用了雙刀雙擲開關(guān)。

2 軟件編程
    首先對(duì)要實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)波形進(jìn)行分析。如圖4所示，對(duì)要實(shí)現(xiàn)的脈沖P1，P2進(jìn)行分析。通過PWM4來實(shí)現(xiàn)脈沖電平的轉(zhuǎn)換，將其設(shè)置為雙邊沿輸出；通過PWM2來實(shí)現(xiàn)脈沖的正負(fù)轉(zhuǎn)換，將其設(shè)置為雙邊沿輸出。當(dāng)確定了Vout1，Vout2，t1，t2，t3，t4，T時(shí)，輸出脈沖就確定了。

    程序設(shè)計(jì)思路如下：上電后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，當(dāng)MCU接收到開始命令時(shí)(0xCD)，開啟串口通信，將Vout1，Vout2，t1，t2，t3，t4，T七個(gè)數(shù)據(jù)設(shè)定好。接著，Vout1，Vout2進(jìn)行公式轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)通過2路I2C總線發(fā)送到數(shù)字電位器來調(diào)節(jié)升壓AD／AD轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，與此同時(shí)PWM2，PWM4進(jìn)行雙邊沿輸出來調(diào)節(jié)輸出脈沖的電平、頻率和占空比，最后返回到初始化后。
    程序編譯器使用ADS1．2，ADS是ARM公司的集成開發(fā)環(huán)境軟件，它的功能非常強(qiáng)大，ADS包括了4個(gè)模塊，分別是SIMULATOR，C編譯器，實(shí)時(shí)調(diào)試器，應(yīng)用函數(shù)庫。所使用語言為C語言，在周立功單片機(jī)提供的工程模板的基礎(chǔ)上，加入自己的主程序，部分程序參考了周立功單片機(jī)所給的例程，經(jīng)測試無誤后生成HEX文件，然后通過JTAG接口，使用AXD軟件，把程序燒寫入單片機(jī)。[!--empirenews.page--]

3 程控驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試及結(jié)果分析
    軟件經(jīng)調(diào)試無誤后，將最終版軟件編譯后生成的HEX(i32)文件通過JTAG仿真接口燒寫到單片機(jī)內(nèi)，通過計(jì)算機(jī)上串口終端軟件發(fā)送7個(gè)數(shù)據(jù)到單片機(jī)，并開始操作單片機(jī)。首先對(duì)輸出電壓進(jìn)行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所得電壓與期望電壓有一定差別。經(jīng)過分析，可能存在以下幾方面問題：
    (1)數(shù)字電位器的工作電壓為5 V，實(shí)際上沒有真正達(dá)到5 V，經(jīng)測試為4．8 V，故分壓后輸入的基準(zhǔn)電壓有誤差；
    (2)在程序設(shè)計(jì)中，因電壓公式轉(zhuǎn)換中數(shù)據(jù)在由實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)時(shí)采取四舍五入原則，使數(shù)據(jù)變得不夠準(zhǔn)確；
    (3)電路中存在電阻、電容、電感效應(yīng)等的干擾；
    (4)存在電路設(shè)計(jì)問題，由于個(gè)人水平有限，在電路設(shè)計(jì)及焊接以及裝配的過程中，難免會(huì)出現(xiàn)問題，這也是噪聲的一個(gè)重要來源。
    綜上考慮，電阻電容的干擾無法避免，采用數(shù)據(jù)修定方法，即在程序中加入一常量，使數(shù)據(jù)變得更精確。因此，筆者對(duì)測得電壓與期望電壓作了比較，并畫出了兩個(gè)之間的關(guān)系圖，如圖5所示。

    采用最小二乘法對(duì)實(shí)際電壓與預(yù)期電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，比例值約為0．957 67，故在程序中加入修定值公式：
   
    兩式分別除以0．957 67。再修定后重新測試數(shù)據(jù)，與預(yù)期的電壓就基本相符。

4 結(jié)語
    本設(shè)計(jì)主要是為LCD測試系統(tǒng)提供一款程控驅(qū)動(dòng)器。經(jīng)過測試，制作出的程控驅(qū)動(dòng)器輸出波形基本符合要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，解決了由于LCD驅(qū)動(dòng)方式的多樣化，復(fù)雜化，而普通函數(shù)發(fā)生器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求的問題。該系統(tǒng)輸出的工作電壓峰值、頻率、占空比均可調(diào)，是一個(gè)低功耗、低輸出阻抗的LCD程控驅(qū)動(dòng)器。