原创 显示

6.1  显示、打印接口设计指南

6.1.1  LED显示接口

LED显示器价格低廉、发光较强、机械性能好，在普通单片机系统中应用广泛，常用于显示各种数字或符号。LED显示器包括发光二极管组成的数码显示器或LED点阵显示模块。其中8段LED数码管显示器应用最为广泛，它由8个发光二极管组成。LED显示器按连接方式分为两种：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器，如图6-1所示。

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图表  STYLEREF 1 \s 6‑ SEQ 图表 \* ARABIC \s 1 1  共阴极LED显示器

共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合显示各种字符。8个笔划段 dp、g、f、e、d、c、b、a对应于一个字节（8 位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是显示字符的字形代码就可以用8位二进制码表示。例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极dp、g、f、e、d、c、b、a 各段为01110011时，显示器显示“P”字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是073H。如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。这里必须注意的是：很多产品为方便接线，采用不同的字段与位的对应关系，这时字形码就必须根据接线来自行设计了。

在单片机应用系统中，显示器显示有两种方法：静态显示和动态扫描显示。

1．静态显示

所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 I/O 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路就可以了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码。使用这种方法 CPU 的开销小，控制程序简单，但占用较多的硬件资源。

2．动态扫描显示

动态扫描显示是单片机中应用最为广泛的一种显示方式。其接口电路是把所有显示器的8 个笔划段da～dp同名端连在一起，而每一个显示器的公共极com各自独立地受I/O线控制。

CPU 向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于com 端，而这一端是由I/O控制的，因此就可以自行决定何时显示哪一位了。所谓动态扫描就是指采用分时的方法，轮流控制各个显示器的com 端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。

6.1.2  LCD显示接口

液晶显示器简称LCD（Liquid Crystal Diodes）。这类显示器具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富、稳定可靠、成本低、功耗小、控制驱动方便、接口简单易用、模块化结构紧凑等特点，在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。实现LCD显示，需要控制驱动器件和液晶显示器。近年来，国内许多厂商，如紫晶、冀雅、晶华、信利、蓬远等已经能够满足各种定制液晶显示的需求；很多著名半导体厂商，如Hitachi、Seiko Epson、Toshiba、Holtek、Solomon、Samsung等相继推出了许多控制驱动器件。

1．液晶显示器的结构和工作原理

LCD是通过在上、下玻璃电极之间封入液晶材料，利用液晶材料在电场作用下发生位置变化而遮蔽/通透光线的性能，产生显示效果的。上、下电极的电平状态将决定LCD的显示内容，根据需要，将电极做成各种文字、数字、图形后，就可以获得各种状态显示。

2．根据物理结构分类

按电光效应，可分为电场效应、电流效应、电热写入效应和热效应。其中电场效应又分为TN型(Twist Nematic，扭曲向列型液晶)、GH（宾主型液晶）、STN型(Super TN，超扭曲向列型液晶)和TFT型(Thin Film Transistor，薄膜晶体管型液晶)。从TN到STN，从STN到TFT，是液晶的一个发展过程，性能依次增强。由于各有优点，它们被广泛应用到各种场合。TN和STN型常用作单色LCD。STN型可以设计成单色多级灰度LCD和伪彩色LCD，TFT型常用作真彩色LCD。TN和STN型LCD，不能做成大面积LCD，其颜色数在218种以下。218种颜色以下的称为伪色彩，218种及其以上颜色的称为真彩色。TFT型可以实现大面积LCD真彩显示，其像素点可以做成0.3mm左右。TFT-LCD技术日趋成熟，视角达170°，亮度达500cd/m2(500尼特)，显示器尺寸达101.6cm(40in)，变化速度达60帧/s。

表格  STYLEREF 1 \s 6‑ SEQ 表格 \* ARABIC \s 1 1  各种液晶显示器的性能特征

LCD显示器从透光模式来分，可分为反射式、透射式、半透射式。反射式LCD是指底偏光片是反光型的LCD，只有LCD正面的光才能照射到LCD上面。一般适用于使用环境有光源的场所。透射式LCD是指底偏光片是透射型LCD。一般适用于环境没有光源，靠外加底光源的工作场所。半透射式是指底偏光片是半透射型的LCD。正面光可透过LCD,底面光亦可透过LCD。一般适用于外部光线不强的工作环境。透射式、半透射式的需要外加背光源，背光源大大增加了系统的功耗，选用时应当慎重。

 液晶显示器件是被动显示器件，本身不发光，是靠调制外界光实现显示的。一般液晶显示的采光技术分为自然光采光技术和背光源采光技术。常见的背光源有发光二级管、场致发光、冷阴极荧光等。半导体发光管(LED)：LED是目前比较常用的背光源，有两种形式：底光LED和侧光LED。电致发光（EL）灯外形很薄，几乎不会增加LCD装配厚度。交流驱动，交流电通常为70~110V 400Hz，可以用外围芯片驱动。冷阴极荧光灯（CCFL）颜色一般为白色，亮度很高。需加外部驱动器。

表格  STYLEREF 1 \s 6‑ SEQ 表格 \* ARABIC \s 1 2  各种液晶光源的特点

LCD由于受液晶、偏光片等材料的限制，其使用温度范围大约在-40℃～+90℃左右。通常分为常温、宽温和超宽温。常温LCD一般是指工作温度在0℃～50℃的LCD,宽温LCD一般是指工作温度在-20℃～+70℃的LCD,超宽温LCD一般是指工作温度在-40℃～+90℃的lCD。通常低温性能好的LCD，其高温性能会差些。工作温度范围越宽，其价格相应的也越高。用户可根据实际使用条件来选择合适的LCD产品。

3．根据显示输出类型分类

根据显示输出类型，液晶显示器分为段型和点阵

（1）段型液晶显示器

段型液晶显示器和数码管的显示类型比较相似，主要用于数字显示，也可以用于显示某些西文字符等。从显示形状上分类，段型显示可分为6段显示、7段显示、8段显示、14段显示和16段显示等，在形状上总是围绕数字8的结构变化。其中以7段显示最为常用，被广泛应用于各种数字仪表、计数器中。

段型显示器的驱动方式与数码管显示器的驱动方式相同，也可分成静态显示和动态显示驱动两种。一个段型显示器的驱动方式主要区别在于该器件各显示像素外引线的引出和排列方式。 由于引线电极排列不同，故其驱动方式也就不同，所以在使用时一定要先弄清楚，不同的电极排列要配不同的驱动器，使用不同的控制方法。

（2）点阵液晶显示器

点阵液晶显示器是由矩阵式点阵构成，通过矩阵的行列来控制显示器的每一个点的亮灭，因此，点阵液晶显示器需要很多的引线才能驱动所有的矩阵阵列。

平常使用的点阵显示器，都是液晶显示模块（LCM），由控制驱动、接口、基本电路构成。基本电路又包括控制驱动器件的供电电路、驱动的偏压电路、背光电路、振荡电路等。在液晶显示模块上，线路板为双面印刷线路板，正面布有电极引线，并固定液晶显示器件；背面装配好了液晶显示驱动电路和分压电路，并提供了驱动电路的接口。有的液晶显示模块内部有控制电路，这种内置控制器的液晶显示模块所给出的接口可以直接与微处理器连接，用户可以把主要的精力投入到显示屏画面的软件设计上。点阵液晶显示的实现，主要靠液晶显示控制器来完成。

4．LCD的控制/驱动

在单片机应用系统中，液晶显示模块（LCM）是一个整体，单片机通过液晶模块的接口访问、管理内/外显示RAM、控制驱动器；液晶显示模块的驱动有比较特殊要求，包括电源驱动、背光驱动等。主要是根据模块内部控制器要求，驱动LCD进行显示。液晶显示模块的接口多种多样，有并行接口的、有串行接口的，设计系统是可以根据需要选择合适接口类型的显示模块。根据显示类型的不同，LCD可分为：段式LCD、字符型LCD、单色点阵LCD、灰度点阵LCD、伪彩点阵LCD、真彩点阵LCD、视频变换LCD。

（1）段式LCD设计指南

表格  STYLEREF 1 \s 6‑ SEQ 表格 \* ARABIC \s 1 3  常用段式LCD驱动器

段式LCD用于显示段形数字或固定形状的符号，广泛用作计数、计时、状态指示等。普遍使用的控制驱动器件是Holtek的HT16XX，Holtek该系列产品型号齐全，从4×32到32×128，而且具有多样的封装形式，具有极高的性价比。目前已经广泛应用在汽车电子、仪表显示、家电等各个领域的显示模块和显示子系统。HT1621在国内应用最为普遍，它内含与LCD显示点一一对应的显存、振荡电路，低压低功耗，4线串行MCU连接，8条控制/传输指令，可进行32段×4行=128点控制显示，显示对比度可外部调整，可编程选择偏压、占空比等驱动性能。

还有HT16XX的兼容产品如SIC1621，SIC6221，SIC6222等，它们的价格相对会低一些。还有很多接口模块可供选择，串行接口的有EDM1190A、SMS0401、SMS0601、SMS0801 、EDMS806A等；并行接口的有EDMS809A 、EDMC091A等。

在应用中，除了选择现成的显示模块外，还可以开模定制段式液晶，配合驱动器应用，更加灵活。

（2）字符型LCD设计指南

设计字符型LCD时，采用现成的模块作为接口单元。字符型液晶显示模块是由字符型液晶显示屏LCD、控制驱动器及其扩展驱动电路或与其兼容的IC，少量电阻阻、电容元件结构件等装配在PCB板上而成。

字符型液晶显示模块目前在国际上已经规范化，无论显示屏规格如何变化，其电特性和接口形式都是统一的。因此只要设计出一种型号的接口电路，在指令设置上稍加改动即可使用各种规格的字符型液晶显示模块。

液晶显示屏是以若干个5 ×7/8或5 ×10/11点阵块组成的显示字符群，每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。常用的控制驱动器件有：Hitachi的HD44780U、Novatek的NT3881D、Samsung 的KS0066和KS0070、Sunplus的SPLC78A01等。它们在功能完全兼容，其中HD44780U使用最普遍。

HD44780U内嵌与LCD显示点一一对应的显存SRAM、ASCII码等的字符库CGROM和自制字符存储器CGRAM，可显示1~2行每行8个5×8点阵字符或相应规模的5×10点阵字符，其内振荡电路附加外部阻容RC可直接构成振荡器。HD44780U具有可直接连接68XX MCU 的4/8位PPI接口，9条控制/传输指令，显示对比度可外部调整。

表格  STYLEREF 1 \s 6‑ SEQ 表格 \* ARABIC \s 1 4  常用字符型LCD驱动器

（3）单色点阵型LCD设计指南

单色点阵型LCD用作图形或图形文本混合显示，广泛用于移动通信、工业监视、PDA产品中。小面积LCD常采用单片集成控制驱动器件，如Seiko Epson的SED1520，可实现61列×16行点阵显示；中等面积LCD常采用单片控制/列驱动器件与单片行驱动器件，如Hitachi的HD61202U(控/列驱)、HD61203(行驱) ，可实现64×64点阵显示；较大面积LCD常采用“控制器+显存+列驱动器+行驱动器”形式，如Toshiba的T6963C(控)、T5565(显存)、T6A39(列驱)、T6A40(行驱) ，可实现640×128点阵显示。这些驱动器常需12~18V负电源实现偏置与调整对比度。控制器件大多可以外接阻容RC构成振荡器或外接振荡器或外引时钟。显存中的每一位与LCD显示点一一对应。需要文字显示时，简单字符可直接使用集成在控制器内的ASCII字库，汉字或自制字符显示可在控制器外扩展大容量的字库CGROM或自制字库CGRAM。控制接口通常是8位PPI的68XX或80XX MCU接口(与MCU的连接也存在直接连接和间接连接两种形式)，7~13条控制/传输指令，可实现点线圆等绘图功能。控制器T6963C、HD61830、SED1335等可以实现单双屏LCD控制。这是适应移动通信显示的结果，实质上是平分显存并分别对应两个LCD屏。编制传输数据程序时，要注意结合显存的特点适当变换数据形式，如SED1520显存中的8位数据是反竖排的，HD61202显存中的数据是竖排的。

表格  STYLEREF 1 \s 6‑ SEQ 表格 \* ARABIC \s 1 5  单色点阵型LCD驱动器

（4）灰度点阵型LCD设计指南

小型测控系统和低成本手持设备中大量使用灰度点阵型LCD。这种LCD使用的控制器的显存中每n位对应一个LCD显示点，整个LCD实现的灰度等级就是2n。Hitachi的HD66421就是一款常用的经济型灰度点阵LCD控制驱动器。

HD66421是Hitach出品的显示控制芯片，具有片内30Kb的显示内存，最大支持160×100的4级PWM方式灰度显示；适用于低电压应用2.2～5.5V需要外部18V的LCD驱动电压，具MPU接口。要想把它做成通用的显示模块，要解决2个问题：通用接口的转换、18V的LCD驱动电压产生。

（5）伪彩点阵型LCD设计指南

彩色LCD显示基于红R、绿G、蓝B三基色叠加原理，每个LCD像素点由三个RGB子像素点构成，分别由三个RGB色段驱动。彩色LCD显示需要更大的显存，每个色段有2n种颜色，就需占用n位显存。彩色LCD显示是LCD升级换代的必然结果。伪彩显示常使用廉价的STN型LCD，多用于移动通信、PDA等产品中。Solomon Systech的SSD1780是一款典型的单片高度集成的伪彩点阵型LCD控制驱动器件。其内含312×81×4位的图形数据显存GDDRAM、477kHz的振荡电路、集成偏压电路和DC-DC电路；具有8位PPI接口(可直接连接80/68XX MCU)与3/4线SPI串行接口，36条控制/传输指令。外加几个电容器件，SSD1780就可控制驱动104RGB×81点彩色STN型LCD，展示23n=4096种颜色。SSD1780是627脚封装，线路板PCB设计难度更大，须认真对待。

（6）真彩点阵型LCD设计指南

现代高档PDA、家电、显示墙等越来越多地应用了真彩点阵LCD显示技术。LCD真彩显示的颜色种数在218以上，与伪彩显示相比，需要更大的显存和更高的控制驱动技术，且需达到高速动画。LCD真彩显示使用TFT型LCD，主动点阵显示，需要采用源极驱动器(source driver)和栅极驱动器(gate driver)去控制LCD场效应晶体管FET的源极与栅极。源极驱动器接收显示数据驱动LCD列显示，也称为数据驱动器(data driver)，栅极驱动器控制逐行扫描。Hitachi的HD66772系列真彩LCD控制驱动器件，是嵌入式人机界面设计中表现丰富多彩世界的理想选择，可以实现176RGB×240点218色高速动画TFT点阵显示。该系列器件包括HD66772、HD66774、HD66775和HD667P01。HD66772是内嵌95KB显存的控制器与176RGB段的源极驱动器，HD66774是内含驱动电源的240行栅极驱动器，HD77665仅是120行栅极驱动器，HD667P01是驱动电源器件，HD66772具有与80XX MCU直接连接的8/16位PPI接口、6/16/18位动画接口和同步串行接口。使用HD66772系列器件，控制驱动176RGB×240点TFT型LCD真彩显示，有两种方案：①1片HD66772 + 1片HD66774；②1片HD66772 + 2片HD66775 + 1片HD667P01。前者结构紧凑，后者比较经济。

（7）视频变换LCD设计指南

在工业控制与嵌入式控制系统中，有很多LCD视频驱动设计。这种设计，常常需要选取专用器件，变换视频信号，控制驱动LCD，进行动画显示，以实现产品的兼容性并扩大产品性能。Hitachi的HD66480F就是这样的一款典型器件。它可以方便地从计算机的视频接口中取出CRT信号通过视频变换直接驱动黑白或彩色LCD，使CRT型显示器上的显示内容同时出现在LCD屏上。HD66840F可以控制驱动最大720×512点LCD，做到单色、8级灰度或8级彩色显示。HD66840F具有4位受控接口，可以直接连接8位MCU实现视频显示环境设置。使用HD66840F，需要外扩8位的RGB显示缓存SRAM。

6.1.3  CRT显示器

阴极射线管（CRT），又称显象管，是将电信号转变为可见图像的电子束管。可分为单色显像管（包括黑色、白色、绿色、橘红色、琥珀色等）和彩色显像管两大类。显象管的光标定位方法有随机扫描和光栅扫描两种，光栅扫描又分逐行扫描和交错隔行扫描（先扫描奇数行，再扫描偶数行，交错进行）两种。因为逐行光栅扫描有许多优点，所以得到广泛应用。显示器的尺寸是指屏幕对角线的长度，有12英寸、14英寸、15英寸、20英寸等不同规格。组成屏上图像的点称为像素（pixel）。屏上最小可示像素的大小由点距确定。点距越小，显示越清晰。目前，PC机使用的监视器可支持的点距范围是：0.39～0.22mm。

1．CRT显示器与显示适配器

数字系统通过显示适配器与CRT显示连接，数字系统提供显示信息，显示适配器处理后送CRT显示器显示。所以显示器的性能与显示适配器紧密相关。

随着电子技术的发展，显示适配器发展经历了几个阶段。MDA → CGA → EGA → VGA → SuperVGA。

MDA是PC机最早使用的显示标准。MDA是单色字符显示适配器，采用9×14点阵的字符窗口， 满屏显示80列×25行字符，对应分辨率为720×350个像素。

CGA是彩色图形/字符显示适配器，可以兼容字符和图形两种显示方式。在图形方式下，可以显示320×200像素四种颜色的彩色图形。

EGA显示标准兼容CGA和MDA各种显示方式，在图形方式下分辨率为640×350，16种颜色。

VGA显示标准下，字符窗口为9×16点阵，图形方式下分辨率为640×480，16种颜色，或320×200，256种颜色。扫描频率(水平同步)是31.5kHz，刷新频率(垂直同步)是60Hz。VGA显示适配器还增添了一个新接口VFC，允许来自其他设备的图形，图像信号与适配器生成的图形信号合成。

Super VGA，它是VESA(美国视频电子标准协会)定义的一个VGA扩展集，它除兼容MDA，CGA，EGA，VGA的显示方式外，还支持1280×1024像素光栅，每像素点24位颜色深度，刷新频率可达75MHz。

现在的显示适配器，以SVGA和AVGA为主流产品。

通常，显示适配器包括像素处理器、显示处理器、半导体读写存储器(简称显存)、只读存储器和接口电路。这些器件被组装成一块电路板，一般称为显示卡。

2．CRT显示器在单片机系统中的应用

通常情况下，单片机借助于廉价而性能可靠的计算机显示适配器对CRT进行控制。由于单片机系统对于显示的要求不是特别高，利用CGA适配器就足够用。这样不仅可以降低成本，而且可以合理配置资源（PC系统中CGA已基本淘汰）。在设计中，常用于实现CRT显示的接口模块有SCIB接口板、适配器如OCA-93。

（1）SCIB接口板

SCIB(单片机CRT显示接口板)是专为单片机配接CRT显示的通用适配器。SCIB接口板具有结构简单、使用方便、价格低廉等优点，其主要持点为：    

接口板采用8255并行接口芯片与单片机系统总线相连，占用硬件资源少；  

接口板具有独立的CRT显示控制器，显示过程不占用CPU工作时间，显示内容快速，切换无闪烁；   

接口板内置埂字库(可达4000字)。   

SCIB接口板采用字符存储映象方式，即屏幕上显示的每一个字符都有一个确定的显示RAM单元与之相对应。显示RAM单元中存放的内容与字库中某一字符点阵相对应。   

SCIB接口板屏幕显示为每屏14行，每行26个字符，考虑到行场消隐期间也要占用部分显示RAM，因此总共需要512个存储单元，为此显示RAM的地址线为9位(MA0~MA8)，其中低8位(MA0~MA7)称为显示地址，高位MA8＝0时对应于屏幕上部8行，MA8＝1时对应于屏幕下部6行，因此MA8又称为上、下部标识，记作U&D。   

显示RAM采用双8位组合方式，即读出操作为16位，写入操作为8位，分时进行。显示RAM的内容又称为显示字符代码，其中低8位(D0~D7)称为区内码，高8位(D8~D15)称为分区码，采用一对分区码和区内码即可唯一地确定字库中一个字符的点阵码。   

SCIB与单片机的接口为8255并行接口，其中8255A口为数据信号输出口，B口为显示地址信号输出口lC口为控制信导输出口。对屏幕内容进行编辑就是通过对8255A口送入数据信号，由C口输出控制字完成显示RAM的状态切换和显示代码写入脉冲的形成，而地址信号由B口送入。

（2）CRT显示适配器（如OCA-93）

OCA-93型适配器利用内部集成处理器完成CRT显示器的控制和管理。适配器内部固化了汉字字库，主机通过向适配器发送指令，完成在CRT上显示字符、汉字以及图形。它可以显示以下字符类型：

16*16点阵的一二级汉字及0~9区的所有字符（每屏显示25行）。

32*32点阵的一二级汉字及0~9区的所有字符（每屏显示12行）。

7*12点阵的ASCII码字符，每屏显示33行。

7*7点阵的ASCII码字符，每屏显示50行。

5*7点阵的ASCII码字符，每屏显示50行。

各种字符的点阵均已固化在适配器中，汉字使用区位码，ASCII码可直接使用。各种字符可以在屏幕任何区域显示，并且可实现反屏显示。除了显示字符，还可以显示512*400分辨率的图形。适配器支持画实线、虚线、点、圆、填充等等图形指令。