江濤　吳祥晟

摘要：介紹了一般LCD與MCU的接口技術(shù)及其抗干擾措施，結(jié)合最近開發(fā)的絕緣油耐壓測試儀中出現(xiàn)的CMOS自鎖現(xiàn)象，提出了一種在強(qiáng)電磁場等特殊環(huán)境下，可靠使用液晶顯示器的技術(shù)方法。

關(guān)鍵詞：液晶顯示器；接口；抗干擾；自鎖現(xiàn)象

1、LCD與微控制器的接口技術(shù)

目前市場上的液晶顯示模塊是結(jié)合了接口電路、等級驅(qū)動(dòng)和液晶屏幕的專用模塊。模塊中通常有兩個(gè)以上的CMOS大規(guī)模集成電路，外部和控制器的接口功能只是一些工作模式寄存器，對應(yīng)點(diǎn)陣RAM的讀寫，而具體的工作模式控制，掃描顯示和驅(qū)動(dòng)均由模塊中的集成電路完成。控制器和LCD以串行通信方式（通過RS232接口）和并行通信方式交換數(shù)據(jù)信息，液晶顯示器大多采用并行接口方式。

1.1LCD的并行接口方式

顯示模塊的外部接口一般采用并行方式，并行接口外接口線的讀寫時(shí)序常見以下兩種模式。

（1）8080模式，這類模式通常有下列接口信號：Vee（工作主電源）、Vss（公共端）、Vee（偏置負(fù)電源，常用于調(diào)整顯示對比度）/RES，復(fù)位線。DB0～DB7，雙向數(shù)據(jù)線。D/I，數(shù)據(jù)脂令選擇線（1：數(shù)據(jù)讀寫，0：命令讀寫）。/CS，片選信號線（如果有多片組合，可有多條片選信號線）。/WR，MPU向LCD寫入數(shù)據(jù)控制線。/RD，MPU從LCD讀入數(shù)據(jù)控制線。

（2）6800模式，在這種模式下，Vee、Vss、Vee、/RES、DB0～DB7、D/I的功能同模式（1），其他信號線為：R/W，讀寫控制（1：MPU讀，0：MPU寫）。E，允許信號（多片組合時(shí)，可有多條允許信號線）。

1.2Vee的產(chǎn)生

在LCD模塊中，對比度的調(diào)整往往是通過調(diào)整Vee的數(shù)值進(jìn)行的。對比度的大小會(huì)隨著溫度的變化而變化，準(zhǔn)確的調(diào)整方式是加以溫度傳感器通過補(bǔ)償電路來進(jìn)行的。大多數(shù)使用者是采用在Vcc和一個(gè)負(fù)電源V之間接一個(gè)電位器，通過調(diào)整電位器使之輸出一個(gè)合適的Vee來調(diào)整LCD的對比度。負(fù)電源V_可以通過一個(gè)直流電源電路產(chǎn)生。

如果在測量控制儀器中設(shè)計(jì)RS232接口，則需要TTL電平和RS232電平的轉(zhuǎn)換電路。常用的芯片是MAX202芯片，MAX202是MAXIM的接口芯片，可以轉(zhuǎn)換TTL電平和RS232電平。該芯片配備了動(dòng)力提升泵，它只需要一個(gè)5V電源，并且在運(yùn)行期間不需要外部12V電源，其操作簡單，而且可靠性強(qiáng)。MAX202芯片引腳具有負(fù)電源輸出，使用該引腳可以替代直流電源電路。

1.3抗干擾措施

LCD顯示屏常置于儀表的面板上，通過一條扁平電纜連接于主控板上。測控儀表內(nèi)部的電磁干擾對LCD的工作有一定的影響，如果該儀表工作于工業(yè)生產(chǎn)過程，惡劣的環(huán)境對于液晶屏的工作更為不利，這就需要在設(shè)計(jì)中采用各種抗干擾措施，一般情況下采用下述措施即可：

（1）主板上與LCD模塊接口的邏輯電路盡可能采用驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的芯片。（2）LCD模塊的接口中，在Vee和Vss之間接一個(gè)0.1μF的濾波電容。（3）LCD模塊的工作電流很小，為幾個(gè)mA，但其背光部分所需要的電流遠(yuǎn)大于其工作電流，最好將工作電源和背光電源分別走線。（4）定期對液晶屏復(fù)位（通過/RES引腳）可以保證液晶顯示屏長期工作的穩(wěn)定性。如果不允許液晶屏定期復(fù)位，可以檢測LCD內(nèi)部工作寄存器和顯示RAM，一旦發(fā)現(xiàn)LCD不正常，可以對LCD復(fù)位。

2、CMOS自鎖現(xiàn)象及其抑制

隨著CMOS器件在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用范圍的日益廣泛，對其性能可靠、抗干擾方面的要求也越來越高，而在特定環(huán)境下，其自身特有的自鎖現(xiàn)象嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的正常工作，因此，如何有效抑制CMOS自鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生已成為使用CMOS器件設(shè)計(jì)電路中一個(gè)不可忽視的問題。

2.1自鎖現(xiàn)象

自鎖現(xiàn)象也稱為SCR現(xiàn)象。這是因?yàn)槠骷?nèi)部的pnpn結(jié)構(gòu)形成了雙結(jié)寄生晶閘管，其電路結(jié)構(gòu)與SCR完全相同。在測試和使用過程中，當(dāng)外部電壓或電流信號觸發(fā)CMOS器件的漏極Vdd和源極Vss之間的較大導(dǎo)通電流時(shí)，一旦電流開始流動(dòng)，即使電流消失，外部觸發(fā)信號也不會(huì)中斷，只有當(dāng)電源關(guān)閉或電壓降至某個(gè)值以下時(shí)才會(huì)釋放電流。此時(shí)，設(shè)備處于自鎖狀態(tài)，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CMOS電路的自鎖效應(yīng)是由于內(nèi)部存在寄生雙極型晶閘管。自鎖有很多原因，具體分為外部和內(nèi)部原因：內(nèi)部原因是因其內(nèi)部雙寄生晶體管的特殊構(gòu)造引起的，其制造工藝在出廠后已確定，在此不做詳述。外部原因主要由以下幾方面構(gòu)成：

（1）輸入或輸出端的電平下降到比Vss還低，或者上升到比Vdd還高；（2）接到Vdd端的電源有異常的浪涌電壓或噪聲干擾侵入；（3）電源電壓瞬間跳動(dòng)引起反偏下p阱-襯底結(jié)電容出現(xiàn)較大的充放電電流，該電流的大小與電源電壓變化速度呈正比；（4）受到電離輻射，如α射線或γ射線輻照，使襯底、阱等處有異常的電流流過。

2.2CMOS自鎖現(xiàn)象的抑制措施

為了避免自鎖現(xiàn)象的發(fā)生，一方面從CMOS器件的制造工藝上改進(jìn)其基本結(jié)構(gòu)，另一方面在電路設(shè)計(jì)中，針對具體產(chǎn)生自鎖的原因采取相應(yīng)的措施，具體為以下幾種方案：

（1）輸入輸出電源端有浪涌電壓或電流出現(xiàn)時(shí)，可在輸入端、輸出端串聯(lián)電阻以限制觸發(fā)電流，或者加粗電源線。（2）當(dāng)電源線阻抗較高時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)集成電路開關(guān)引起的動(dòng)態(tài)壓降也易引起自鎖。此時(shí)可在Vdd和Vss間接人電容，提供動(dòng)態(tài)電流，減小電源線上的動(dòng)態(tài)壓降。（3）由于大多數(shù)自鎖現(xiàn)象是外來噪聲和系統(tǒng)暫態(tài)過程引起的，只是瞬間產(chǎn)生，可在由浪涌電壓或電流引起的強(qiáng)磁場形成前斷開系統(tǒng)內(nèi)CMOS器件的供電，躲過強(qiáng)磁場后繼續(xù)上電工作。

3、絕緣油耐壓測試儀LCD顯示中的CMOS自鎖現(xiàn)象的抑制措施

3.1絕緣油耐壓測試儀設(shè)計(jì)中自鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生

絕緣油壓測試儀是電力行業(yè)廣泛用于測量變壓器絕緣油抗壓強(qiáng)度的儀器。其工作原理是：在電絕緣油的測試過程中，需要可調(diào)的高壓電壓。電壓施加到絕緣油杯的端部，并且電壓從零逐漸升高。當(dāng)電壓在任何時(shí)候發(fā)生故障時(shí)，電流電壓值就是油的絕緣值。其中，系統(tǒng)的高壓發(fā)生部分是通過交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)自耦變壓器（可調(diào)），產(chǎn)生0-220V交流電，并通過1：400高壓變壓器產(chǎn)生0-88kV交流電壓。在具體的設(shè)計(jì)和調(diào)試中，我們發(fā)現(xiàn)每當(dāng)絕緣油發(fā)生故障時(shí)，用于顯示系統(tǒng)加壓狀態(tài)的LCD屏幕都會(huì)導(dǎo)致屏幕出現(xiàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的故障是由絕緣油破裂時(shí)油杯擊穿電流為10至20mA引起的。由于變壓器變比為1：400，升壓變壓器的初級線圈會(huì)有4～8A的大電流流過，這樣一個(gè)大電流突然在電路周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場干擾，嚴(yán)重干擾了暴露的液晶顯示模塊中的CMOS器件，并觸發(fā)器件的自鎖現(xiàn)象。

3.2抑制方法

由于本系統(tǒng)中CMOS器件集成在液晶模塊中，因此不能采用傳統(tǒng)方法直接增加限流電阻抗干擾，只能采用第三種方法抑制自鎖現(xiàn)象。具體實(shí)現(xiàn)是：一方面系統(tǒng)中的大電流導(dǎo)線遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)控制電路，兩根大電流導(dǎo)線絞合成雙絞線，以減少外部空間干擾；另一方面，考慮到大部分自鎖現(xiàn)象是外部噪聲，并且系統(tǒng)瞬態(tài)只能瞬間發(fā)生，并且系統(tǒng)中的CMOS器件的功率可以在形成由浪涌引起的強(qiáng)磁場之前斷開電壓或電流，強(qiáng)磁場消除后電源繼續(xù)打開。

3.3試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)表明，該方法能有效控制絕緣油擊穿時(shí)高壓的通斷，能夠準(zhǔn)確測量變壓器絕緣油的耐壓值，并且在絕緣油擊穿時(shí)斷開液晶顯示模塊的電源供電，有效避免了液晶屏內(nèi)CMOS器件自鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生。