馮 燕 易龍強(qiáng) 熊 政

(威勝集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引言

伴隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品使用的便捷性與人性化設(shè)計(jì)已逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的高端電子式電能表采用分辨率為160×80的點(diǎn)陣圖形液晶屏，其畫面的清晰度、保真度、直觀性均有待提高，特別是背光亮度的控制。液晶屏的亮度受制造材料的影響較大，導(dǎo)致各液晶屏的亮度不一致，且液晶顯示模塊的電源不可控或者控制不可靠，顯示對(duì)比度也不能隨溫度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)。

電子式電能表作為電網(wǎng)重要的儀器儀表設(shè)備，其重要數(shù)據(jù)可通過液晶屏幕直接查看，液晶顯示的清晰度、直觀性與易操作性從很大程度上體現(xiàn)了電表的性能與品質(zhì);同時(shí)，動(dòng)態(tài)畫面的保真度為電表顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性提出了新要求［1－2］。為克服傳統(tǒng)電能表液晶顯示的不足，滿足用戶對(duì)電子產(chǎn)品的新需求，新生代電能表液晶顯示管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 液晶模塊簡介

系統(tǒng)采用分辨率為320×240的點(diǎn)陣式雙圖層混合顯示液晶模塊，其核心芯片采用臺(tái)灣瑞佑科技(RAIO)的RA8806。RA8806是一種具備文字與繪圖模式的點(diǎn)矩陣液晶顯示控制器。

RA8806內(nèi)建雙圖層顯示內(nèi)存以及512 kB ROM的字型碼，可顯示全型的繁體中文字體(BIG5，13 973個(gè)字型)或簡體中文字體(GB，9 216個(gè)字型)，也可顯示大部分用于英語系和歐洲國家的半型字字母及符號(hào)，其中沒有使用的圖層內(nèi)存可作為字型創(chuàng)造內(nèi)存(300全字型)。強(qiáng)大的文字排版功能是RA8806控制器的突出特點(diǎn)，如文字對(duì)齊、行距設(shè)置、字型縮放以及文字旋轉(zhuǎn)等;同時(shí)，它還支持4灰階顯示，使得液晶模塊背光亮度更有層次感，文字編輯更方便自由［3］?？傊鄬?duì)于傳統(tǒng)應(yīng)用于電子式電能表的液晶屏，該高清晰高性能的液晶模塊具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，能為電能表提供優(yōu)質(zhì)的畫面，便于電能表的功能擴(kuò)展［3］。

2 系統(tǒng)綜述

通過對(duì)液晶模塊背光可控的管理系統(tǒng)的研究，研制出高性能的液晶模塊和靈活可靠的控制電路。液晶模塊具有低功耗、高分辨率以及數(shù)據(jù)傳輸速率快的特點(diǎn)，無背光時(shí)功耗低于0.1 W，分辨率為320×240，數(shù)據(jù)傳輸線為總線式，傳輸時(shí)鐘速率可達(dá)3 MHz［4］?？刂齐娐返谋彻饬炼瓤删幊陶{(diào)節(jié)，主要通過PWM波控制三極管開關(guān)，而三極管控制液晶模塊背光電源的開啟與關(guān)斷，CPU調(diào)節(jié)PWM波可精確地控制液晶屏的背光亮度。

由于計(jì)量模塊與系統(tǒng)主控芯片的數(shù)據(jù)交互采用10 MHz的同步串行通信口，其速率與傳統(tǒng)的RS-232通信相比有了質(zhì)的飛躍。

10 MHz同步串行通信數(shù)據(jù)傳輸模式解決了液晶顯示數(shù)據(jù)的刷新頻率不夠的問題，使得采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性更強(qiáng)、圖形顯示更保真。與此同時(shí)，液晶顯示對(duì)比度可通過負(fù)溫度系數(shù)電阻調(diào)節(jié)，對(duì)于工作在各種不同環(huán)境下的電子式電能表而言，此特性顯得尤為突出。綜上所述，新型液晶管理系統(tǒng)可全方位地提升電能表的液晶顯示品質(zhì)，符合電子產(chǎn)品的技術(shù)與市場發(fā)展方向。

3 系統(tǒng)功能模塊說明

管理系統(tǒng)包含多個(gè)功能模塊，分別為主控電路、液晶顯示模塊、液晶背光控制與電源管理電路以及顯示對(duì)比度自動(dòng)調(diào)節(jié)電路。其中主控電路(計(jì)量模塊+主控芯片+驅(qū)動(dòng)芯片)與液晶顯示模塊共同構(gòu)成液晶數(shù)據(jù)顯示通道，包括數(shù)據(jù)的傳輸通道和數(shù)據(jù)的液晶顯示兩大部分。數(shù)據(jù)的傳輸通道主要指計(jì)量模塊將處理后的采樣數(shù)據(jù)上傳給主控芯片的途徑，數(shù)據(jù)的液晶顯示則指主控芯片將數(shù)據(jù)直接或處理后在液晶模塊上進(jìn)行有效顯示。

液晶管理功能模塊框圖如圖1所示。

圖1 液晶管理功能模塊Fig.1 LCD management functional module

本管理系統(tǒng)的顯示數(shù)據(jù)主要源自經(jīng)計(jì)量模塊處理后的采樣數(shù)據(jù)，通過SSC同步串行口上傳給主控芯片，數(shù)據(jù)上傳的時(shí)鐘速率可達(dá)10 MHz，提升了電能表管理平臺(tái)與計(jì)量模塊的數(shù)據(jù)交互速度，增強(qiáng)了采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。主控芯片將獲得的數(shù)據(jù)直接或處理后通過時(shí)鐘速率為3 MHz的并行總線傳送給液晶模塊，液晶模塊將數(shù)據(jù)以數(shù)字、漢字、圖標(biāo)和波形等型式顯示在屏幕上。

液晶背光控制與電源管理電路是整個(gè)管理系統(tǒng)的精髓所在，主控電路通過該電路實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示模塊的背光亮度的控制與供電電源的管理。顯示對(duì)比度自動(dòng)調(diào)節(jié)電路則使液晶顯示模塊可隨環(huán)境特別是溫度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)比度，從而使液晶畫面更清晰可見。各模塊相輔相成、相得益彰，以構(gòu)建清晰度高、保真度高、性能穩(wěn)定、控制靈活的液晶管理系統(tǒng)，從而提升產(chǎn)品品質(zhì)，滿足不同客戶的需求。

4 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的液晶管理工作原理如圖2所示。

圖2 液晶管理工作原理圖Fig.2 Operational principle of LCD management

由圖2可以看出，液晶背光控制與電源管理電路由控制開關(guān)管 Q1、Q2、Q3、Q4構(gòu)成，主控芯片、計(jì)量模塊以及驅(qū)動(dòng)芯片形成主控電路，高精密電阻R1與負(fù)溫度系數(shù)電阻R2構(gòu)成顯示對(duì)比度自動(dòng)調(diào)節(jié)電路。顯而易見，液晶管理系統(tǒng)的核心控件為主控芯片AT91SAM9G20［7］。主控芯片的總線采用 1.8 V 供電［8］，故驅(qū)動(dòng)芯片除了增強(qiáng)總線驅(qū)動(dòng)能力外，還兼顧電平轉(zhuǎn)換的功能。

主控芯片通過I/O復(fù)用腳控制液晶屏的背光電源，當(dāng)I/O口配置為PWM波輸出時(shí)，可平滑控制背光亮度，將其調(diào)節(jié)至視覺最佳狀態(tài)。如電表進(jìn)入低功耗狀態(tài)時(shí)，主控芯片可關(guān)斷液晶模塊的供電電源和液晶背光供電電源，通過配置I/O口的高低電平控制三極管Q2與Q4基極電流的輸出，進(jìn)而控制Q1與Q3的柵極電壓，從而有效地控制系統(tǒng)供電電源的導(dǎo)通與關(guān)斷。此設(shè)計(jì)充分利用MOS管飽和區(qū)管壓降低且穩(wěn)定的特點(diǎn)，同時(shí)利用三極管實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換以及有效關(guān)斷MOS管(MOS管不易被關(guān)斷)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶供電部分的靈活有效控制［5］。

液晶顯示數(shù)據(jù)傳輸通道包含數(shù)據(jù)源端與顯示終端。數(shù)據(jù)源于以下兩部分:①A/D采樣獲取的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)量模塊通過算法處理后上傳給主控芯片;②主控芯片從外部電路中獲取的監(jiān)控信息和數(shù)據(jù)。液晶顯示模塊為顯示終端，其通過8 bit并行數(shù)據(jù)總線與主控芯片相連，實(shí)際設(shè)計(jì)中傳輸時(shí)鐘速率可達(dá)3 MHz。

以往電能表的主控芯片與液晶模塊采用串口進(jìn)行通信，且計(jì)量與管理間的數(shù)據(jù)傳送采用異步串口RS-232，最高傳輸波特率為115 200 bit/s，在數(shù)據(jù)量大且數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求高的情況下具有明顯的不足。系統(tǒng)主控芯片與計(jì)量模塊通過同步串口SSC相連，同步時(shí)鐘實(shí)際應(yīng)用已達(dá)10 MHz，解決了現(xiàn)有電能表的數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了液晶顯示圖形特別是諧波波形的平滑保真［5－8］。

5 結(jié)束語

隨著電子式電能表功能的日益強(qiáng)大，液晶顯示模塊顯示內(nèi)容的清晰度與豐富多樣性已成為設(shè)計(jì)者必需關(guān)注的問題。背光亮度可控的液晶管理系統(tǒng)是典型的工業(yè)液晶顯示控制電路，它從背光、對(duì)比度、顯示數(shù)據(jù)刷新率以及供電管理等多方面提升了電子式電能表對(duì)液晶模塊的控制調(diào)節(jié)能力，同時(shí)也從很大程度上提升了液晶顯示畫面品質(zhì)、屏幕操作的便捷性以及顯示內(nèi)容的直觀性與實(shí)時(shí)性。

本設(shè)計(jì)引入低功耗的設(shè)計(jì)理念，主控芯片的總線采用1.8 V供電，選用低功耗設(shè)計(jì)的液晶模塊，液晶模塊的供電電源與背光電源都可控，有效地提高了主芯片對(duì)能效的管理能力。該方案采用較為通用的設(shè)計(jì)思路，不僅可以應(yīng)用于電能計(jì)量系統(tǒng)，而且對(duì)于其他工業(yè)液晶顯示應(yīng)用場所也具有借鑒意義。

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