小壁虎中文应用笔记_EFM32_LCD驱动器_CNX

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EFM32 LCD 驱动器

AN0057 – 应用笔记

简介

EFM32 微控制器包含一个片内超低功耗LCD驱动器,并且集成了内部偏置电压电路和

升压转换器以使用最少的外部元件。该LCD 驱动器在深度休眠状态仍支持自动动画和

闪烁,不需软件干预。本应用笔记描述被动段式LCD是如何工作的,以及它们如何与

EFM32接口。

本应用笔记包括:

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1 LCD段式显示简介

段式LCD 显示是一种常见的信息显示方式。EFM32中的极低功耗LCD驱动器使得很多应用能使用LCD 显示,即使在能耗要求苛刻的系统中。本文将讨论一些类型的LCD显示屏如何工作,以及如何驱动它们并使能耗最小化。

1.1 被动LCD显示

本文将仅讨论被动段式LCD 显示(液晶显示)。这类显示器件一般是通过在两块玻璃基板之间夹持液态晶体而构成的。通过使用液晶材料的电压相关和极化属性,可以控制通过LCD玻璃发出的光。显示屏通常由一些段组成,根据给段内液晶施加的电压不同,每个段可以阻挡或允许光线通过。

通过在玻璃的一侧添加反射涂层,环境光可以被反射回用户,也可以被紧邻反射层的偏振片-极化器阻挡。这种光阻挡之所以发生,是因为处于一种状态下的液晶会改变光的偏振,以允许光线通过两个偏振片。在另一状态,液晶不会影响偏振,因为两个偏振片呈相互垂直状态,所以光线被阻挡。

本文后面会使用这样的概念:当一个段阻挡光线时,该段为 "亮" ;当一个段能通过光线时,该段为 "灭" 。有些显示屏正好与此相反,允许光线通过时为 "亮" ,阻挡光线通过时为 "灭" 。图1.1 (p. 3) 示出了在向液晶施加或不加电压时光极化是如何受影响的。

图1.1. 施加电压和不加电压时的一个LCD段

当施加电压时,液晶不改变光的极化方向,这就导致光线被第二个偏振片阻挡,因为第二个偏振片与第一个偏振片成垂直角度。如果不施加电压,液晶会改变光的极化方向,从而使光线能通过两个偏振片。

1.2 驱动一个显示段

段式LCD显示屏没有任何内部驱动电路,所有显示引脚都直接连接到对应段的每一侧。可想象的最简单的LCD仅由一个段组成,该段有两个电气连接,即段的每侧有一个连接。通过在两侧施加一个电压,可以点亮或熄灭这个段。液晶 (两个玻璃基板之间) 的顶部与底部之间的电场或电压直接影响极化特性,见图1.1 (p. 3) 。

如果只是在段的两侧施加一个恒定的电压,LCD段虽然能工作,但不能长时间工作。问题在于,经过一段短的时间后,LCD 段会受到所通过的直流电流的影响,主要是由于液晶和电极的电解效应。解决方法是用一个平均直流电压为0的波形来驱动LCD段。只要电压切换得足够快(30-100 Hz),影响极化量的将主要是有效值。

用正确的零直流偏置驱动一个 "一段" LCD 的最简单的方式就是施加两个完全相同但经过移相的方波。

通过将一个信号相对于另一个信号移相180度,段两侧所施加电压的有效值从0变到两个波形电压

V LCD 0 V - V L C D

Resulting VRMS COM0- SEG1

Segment 0

Segment 1 COM0

O f f

V L C D V

S S

V L C D V S S

V L CD V SS V LCD 0 V - V LCD

SEG0

SEG1

Resulting VRMS COM0- SEG0

的两倍。见图1.2 (p. 4) 。

图1.2. 静态驱动两个LCD 段,一个段亮,一个段灭

Frame Start Frame End

使用两个从0V 偏移的方波的理由是,这样做在使用单一电源的微控制器上实现起来比较简单。微控制器系统很少具有负电压,所以不会选择连接LCD 段的一侧到地。

1.2.1 驱动很多段;静态驱动

一个LCD 显示屏通常具有不止一个段。一般来说,LCD 段的连接方式是将很多段的一侧连接在一起,这一侧被称为 "公共" 极。段的另一侧有其自己的引脚连接,称为 "段" 极。见图1.3 (p. 5)。

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Segment

electrode 0

Off Liquid O n

Crystal Common

backplane

Segment electrode 1

图1.3. 有两个段的公共极板,一个段亮,一个段灭

对于一个静态驱动的LCD显示屏,只有一个公共电极,每个段都有其自己的段电极。公共电极和段电极都用一个方波驱动。那些"亮" 的段由一个移相后的波形驱动,该波形使这些段两端的有效值电压为非零值。见图1.2 (p. 4) 。

1.2.2 驱动很多段;多路复用驱动

采用静态驱动方式时,由于每个段有一条段信号线,具有很多段的大显示屏就会需要大量的微控制器引脚来驱动显示。通过将多个公共线和多个段线多路复用,可以使用较少的引脚来驱动更多的段。可以驱动的总段数是公共线数与段线数量的乘积。一般来说,最大对比度会下降,电流消耗随公共线的增多而增大。

决定一个LCD段亮或灭的是施加在该段两端的视在有效值电压幅值。如果一个段被施加一个低的有效值电压幅值,则该段看起来是灭的,即使该电压为非零值。施加给LCD段的视在有效值电压与其视觉特性之间的关系是非线性的。当在相同的驱动引脚多路复用多个段时,就用到这种非线性特性。当一个段被用户完全熄灭时,并不需要该段上的有效值电压为零。

与静态驱动的情况一样,每条公共线和段线由包含多于两个电压电平的波形驱动。电压电平的数量被称为"偏置" 水平。通过精心选择每条段线和公共线的波形,可以使某些段"看到" 一个低的有效值电压,而其他段"看到" 一个高的有效值电压,尽管这些段与其他段共享公共电极或段电极。见图1.4 (p. 6) 。

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V L C D1/

2V

V L C D1/

2V

V L C D1/

2V

V L C D

1/ 2V L C D

V

1/ 2V

V

V R M S

SEG0- COM0

V R M S

SEG0- COM1 V L C D

1/L C D

V S S

V L C D 1/L C D

V S S

V L C D 1/L C D

V S S

V L C D

1/ 2V L C D

S S

V LC D

LCD

0V - 1/ 2V LCD

- V LCD

L C D

1/ 2V LCD

0V - 1/ 2V LCD

- V LCD

Segment 0 Segment 1

Segment 3 COM0

O n O f f

COM1

O f f O n Segment 2

SEG0

SEG1

Resulting V R M S SEG0- COM0

Resulting V R M S SEG0- COM1

图1.4. 4个LCD段的多路复用驱动

Frame Start Frame End

在上图中,有两条段线和两条公共线。偏置为1/2,这意味着有3个不同电压电平。COM0 和SEG0上的波形组合使SEG0 与 COM0之间的段点亮,而SEG0 与 COM1之间的段被熄灭。注意这两个段上的有效值电压的差别。

对于多路复用显示,亮的段和灭的段之间的有效值电压之差小于静态驱动显示的情况。这意味着多路复用显示的视觉质量和表现(如对比度和视角) 必须被仔细校准。对比度可以在软件中通过调节LCD驱动器内的偏置电压电平来校准。当选择实际的LCD显示屏时,应该考虑在不同光线环境下的显示视角和表现。

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V LC0 (V LCD ) V LC1 (2/ 3V LCD ) V LC2 (1/ 3V LCD )

V LC3 (V SS )

V LC0 (V LCD ) V LC1 (2/ 3V LCD ) V LC2 (1/ 3V LCD )

V LC3 (V SS )

2 EFM32 LCD 驱动器

本章阐述EFM32内建的LCD 驱动外设的某些功能和可能性。要了解全部功能和限制,请参见您所用器件系列的参考手册。

2.1 多路复用

EFM32 的LCD 驱动器可以复用最多8条公共线,其中4条是专用的公共线,另外4条 (并非所有型号都有) 是段线。多路复用波形和偏置电压电平由LCD 驱动外设自动处理。软件只需将LCD 段设置为亮或灭,如果需要,软件还可调节对比度。

如果不需要执行多路复用,也可以使用静态驱动方式。静态驱动显示方式可以有比多路复用显示更高的对比度。只使用一条公共线的静态显示通常比多路复用显示的功耗低。在大多数情况下,电流消耗随公共线数量的增加而增大。

2.2 波形和偏置选择

当选择多路复用模式并根据LCD 显示屏有多少公共线来选择偏置电平时,波形由EFM32的LCD 外设自动选择。可以选择标准波形模式或低功耗波形模式,区别在于低功耗模式能在多个帧期间达到零直流偏置。换句话说,一帧内的LCD 段直流偏置不为零。这对大多数LCD 显示屏和应用来说是没有问题的,该模式几乎总是被推荐的模式。

低功耗模式与标准模式之间的差别如图2.1 (p. 7) 所示。注意:标准模式在一帧内有更多的波形变化。如果发生闪烁或对比度问题,可选择标准模式。在参考手册中可以查阅到最多为4路复用的不同波形。

图2.1. 标准和低功耗波形,只画出了公共信号

Normal Waveform

Frame Start

Frame End

Low Power Waveform

Frame Start

Frame End

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为了给波形发生器提供足够的电压电平,从而为所选的公共线产生必需的波形,选择正确的偏置是很必要的。一般来说,5 ~ 8路复用需要1/4 偏置(5 个电压电平),3 ~ 4 路复用需要1/3 偏置(4个电压电平) ,2路复用需要1/2 偏置 (3个电压电平) ,而静态模式只需要 2个电压电平 (参考手册中指定的静态模式)。

下表说明了增加多路复用公共线数量需要更多的偏置电平。V on 和V off 之间的差别主要在于对比度不同。

注意:对于静态驱动显示,对比度为极大值。图2.2 (p. 9) 展示了液晶的非线性特性以及为什么V on 和V off 之间的差别在于对比度不同。

表2.1. LCD 驱动模式、偏置设置和对比度特性

注意:对于多路复用配置,对比度实际上是随着偏置电平数量的增加而下降的。一般来说,偏置电平数越大,能量消耗也越大。因此,对于一个给定的多路复用公共线数量,应选择尽可能低的偏置电平数量。

即使使用一个更低的偏置电平数量,对比度也可能是可以接受的。

2.3 对比度

LCD的对比度调节仅与多路复用显示方式相关,因为在多路复用模式, "熄灭的" 段仍然被施加一个非零有效值电压。对比度调节的思想是使 "熄灭的" 段的有效值电压低于一个确定的阈值,这样一来这些段给人的感觉就像熄灭一样,但那些"点亮的" 段仍然有足够高的电压,使它们看起来是亮的。不同的LCD 显示屏的对比度特性是不同的,并且对比度随温度和电压的变化发生改变,这就使对比度调节必不可少。

图2.2 (p. 9) 展示了液晶材料的非线性特性,此处为所施加电压与不改变极化状态情况下光传输量的关系。

图2.2. 所施加有效值电压的变化与通过LCD的相对光传输量的关系

100%

90%

Relat i ve

Transm i ssion

10%

V RMS [V]

S egm e nt of f S egm ent grey S egm e nt on

2.3.1 内部升压

有些LCD 显示屏需要更高电压的波形才能工作。EFM32的LCD 外设包含一个内建的升压变换器,以产生比EFM32的电源电压更高的电压。该升压发生器能从低至最小EFM32 Vdd电压的电源电压产生高达3.0 V ~ 3.6 V的电压。

需要使用升压变换器的一个常见征兆是LCD对比度下降,并且"亮的" 段开始暗淡,即使对比度已被调节到最大。LCD玻璃的温度降低时也可能发生这种情况。当这种情况发生时,可以用软件使能LCD 升压变换器,没必要让升压变换器一直处于使能状态,可以在需要时使能。切记,升压变换器会显著增加电流消耗(一般为几个微安)。

有关升压变换器所需要的外部元件以及如何使能并调节其输出电压方面的详细信息,请参见参考手册。

2.3.2 对比度补偿

如前所述,LCD 对比度受EFM32 电源电压和LCD玻璃温度的影响。如果应用所工作的电压和温度范围宽,则应根据预定的阈值来自动调节对比度和升压变换器(可选)。

对于不同的显示屏和视角,正确的对比度调节是不同的。在哪一个电压和温度需要使能升压变换器还与LCD显示屏本身有关。一些相关信息通常可在LCD玻璃的文档中找到。

2.4 动画和闪烁

EFM32的LCD 驱动器具有特殊功能,可在没有任何软件干预的情况下实现特定段的动画和闪烁功能。

这对显示连续动画以告知器件还在运行是很有用的。

动画功能在以LCD_COM0复用的段0 ~ 7是可用的。动画是用两个可编程的8位寄存器实现的,这两个寄存器在每个动画状态被左移或右移,共有16个状态。动画状态在每次发生帧计数器事件时改变。

有关动画功能及其接口的详细信息请参见参考手册。动画寄存器和移位操作如图 2.3 (p. 10) 所示。

图2.3. 能实现桶式移位和逻辑操作的动画功能

本应用笔记所包含的软件示例展示如何使能和配置闪烁和动画功能。

2.5 LCD中断

LCD外设包含一个中断源,即帧计数器中断。该中断可用于定时、执行显示更新、动画改变或实现类似的显示效果。由于LCD段寄存器更新时没有任何限制,因此不需要使用帧计数器中断来对段更新定时。

套件中提供的、在本应用笔记的软件示例中所用的驱动程序不使用该中断。更详细的信息请见参考手册。

2.6 最小化能耗

LCD 驱动器本身是一个极低功耗的外设,它可以使用低频振荡器工作在深度休眠模式(EM2)。当将一个LCD显示屏连接到EFM32时,由于LCD显示屏呈现出容性负载,所以能耗会增加。为了使能耗最小,需要优化几个参数。

正确配置了多路复用模式和偏置设置后,选择低功耗波形,显示刷新率应被配置为不致引起闪烁的尽可能低的值。显示刷新率通过设置帧计数器的最大值和预分频值来配置。

除非绝对需要,否则不应使用LCD升压变换器。对比度应首先被调节到可适合电源电压下降和较低的温度。切记,升压变换器会显著增加电流消耗(一般为几个微安)。

3 软件示例

本应用笔记包含能演示LCD外设使用的一个软件示例。这是一个简单的"Hello World" 示例,该例示范如何基于EFM32入门套件和开发套件的驱动程序来使用LCD显示屏。该例还实现了像动画和升压这样的更高级的功能。

3.1 Hello World

本例使用BSP (板级支持包) 驱动程序来使能并写一个消息到LCD显示屏。不同EFM32入门套件的LCD外设被正确地配置为低电流消耗且不使用闪烁功能。此外,该例还使能EFM32 LCD 驱动程序的动画功能,在深度休眠模式显示一个转动的圆。注意,在有些套件上,这个转动的圆只是个半圆,因为并非所有用来显示这个圆的段都被连接到动画功能被使能的段和公共线上。

3.2 移植LCD 驱动程序到其他显示屏

本节描述移植BSP LCD 驱动程序到具有不同段和公共线映射的其他LCD显示屏所需要的必不可少的步骤。这里指讨论如何移植4路复用或8路复用的显示屏,因为Energy Micro套件上只有这两种类型的显示屏。但理解了驱动程序移植的基本原理后,应该很容易将驱动程序移植到其他多路复用配置。

段式LCD 大都包含最多三种类型的 "信息显示模块" :

? 1: 可被独立点亮/熄灭的符号段,可以是从电池电压低到摄氏/华氏温度指示的任何符号。EFM32套件的LCD 屏包含多个符号,这些符号中的大多数都位于左上角,包括动画环、电池符号、能耗模式环和小壁虎。

? 2: 7 段数,每个数字位由7个段组成,这些段可以被点亮或熄灭以组成从0到9的数字。EFM32 套件的 LCD 屏包含4个这样的7段结构,位于右上角。

图3.1. 具有典型段名称的7段数字

? 3: 14个段的字母数字字符,有时被称为"星爆式" 或 "米字" 显示。

每个字母或数字由14个段构成,这些段可以被点亮或熄灭以构成从0到9的数字或从a到z的任何字母,甚至支持大写字母。EFM32 套件的LCD 屏包含7个这样的段结构,位于显示器的下部。

注意:驱动程序仅支持14段星爆式字母的映射,有些LCD包含15或16个段字母,为了支持这些LCD,除了要改变段到引脚的映射之外,字母到段的映射也必须改变。

图3.2. 具有典型段名称的14段字母数字字符

图3.3. EFM32 套件LCD 屏的段

图3.3 (p. 12) 给出了Energy Micro 套件 LCD 的构成图。注意:有三种类型的段组合在一起,即符号、7段数字和14段字母数字。组合在一个屏内的这三种类型在示例项目的板级支持包LCD驱动程序中是分别处理的。

3.2.1 理解 LCD 段映射

有关哪个段线和公共线被连接到哪个LCD段的所有映射信息都包含在segmentlcdconfig.h 文件中,该文件对不同的入门套件和开发套件是不同的。该文件位于每个套件软件示例文件夹中的"config" 文件夹内。

为了理解segmentlcdconfig.h 是如何构成的,在segmentlcdconfig.h文件打开情况下对比查看位于套件原理图文档中的LCD显示映射图是很有帮助的。为了更好地理解本节内容,读者应打开该文件,并且在阅读本文其余部分时保持其打开状态。

作为一个例子,考虑STK3700的segmentlcdconfig.h文件的 "EFM_DISPLAY_DEF" 定义中的第一个字母数字字符。".com[0]" 和 ".bit[0]" 对应第一个段的公共线和段线(图3.2 (p. 12) 中14段字符的A段)。

".com[1]" 和".bit[1]" 对应第二个段 (图3.2 (p. 12) 中14段字符的B段).

注意:在使用STK3700的情况下,公共线的顺序是反的,字母数字字符的编号与代码相比也是如此。

这导致segmentlcdconfig.h 文件中的第一个字母数字字符实际上是LCD图中的第七个字母数字字符。

同样地,".com[0] = 1" 实际上映射到LCD屏图中的公共线6 (图3.4 (p. 14) )。

因为原理图中LCD屏的引脚编号从1开始,所以在segmentlcdconfig.h 文件中" bit[0] = 13" 的映射对应原理图中LCD屏的引脚14。所有这些信息应该很明确地表明:".com[0] = 1" 和 ".bit[0] = 13" 导致段7A 被映射到segmentlcdconfig.h 文件中第一个字母数字字符的第一个段。

3.2.2 移植LCD段映射

本节以实用的方式一步一步地描述移植过程。从选择一个与您的显示屏具有相同数量的多路复用公共线的套件开始。可以选择具有4路复用显示的g8xx入门套件,或选择具有8路复用显示的STK3300/ STK3700。

打开所选套件的segmentlcdconfig.h 文件。从最容易的部分开始,即单独的符号段,如果有的话。

在头文件的开始处,有这些符号自己单独的段和公共线定义。改变一对段和公共线,通过只点亮这些段来检查改变得是否正确。观看LCD屏并检查您的映射是否正确。这样就应该能指示您是否按期望的顺序连接了公共线/段线(可能因为LCD文档或PCB原理图/布局布线存在错误,连接顺序是反的或是完全错误的)。

接下来是7段数字,如果有的话。7段数字比14段字母数字容易一些,因为每位包含的段少。请记住,".com[0]" 和 ".bit[0]" 对应数位中第一个段 (段 A) 的公共线和段线,".com[1]" 和 ".bit[1]" 为段 B,以此类推。

这些段通常按字母顺序A-G命名,按顺时针方向围绕7段数位,从顶部开始,见图3.1 (p. 11) 。

如果您的显示屏包含星爆式字母(14段字母) ,可以按与7段数字相同的方式移植。编号方式通常也是顺时针的,从顶部开始。注意,LCD屏厂商所选择的实际字母使用哪些段可能很不相同。在任何情况下,通过随efm32套件的LCD 屏提供的segmentlcdconfig.h文件可以找出正确的段编号。关于8路复用的efm32LCD屏的所有段的映射和名称,见图 3.4 (p.14)。

图3.4. EFM32 LCD 段到引脚的分配

4 修订历史

4.1 修订版1.03

2013-09-03

采用新的封面布局。

4.2 修订版1.02

2013-05-08

增加了针对ARM-GCC 和Atollic TrueStudio的软件项目。

4.3 修订版1.01

2013-02-07

改正了DK3550项目的链接器错误。

4.4 修订版1.00

2013-02-06

初始版本。

A免责声明和商标

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目录

1. LCD段式显示简介 (2)

1.1. 被动LCD显示 (2)

1.2. 驱动一个显示段 (3)

2. EFM32 LCD 驱动器 (7)

2.1. 多路复用 (7)

2.2. 波形和偏置选择 (7)

2.3. 对比度 (8)

2.4. 动画和闪烁 (9)

2.5. LCD 中断 (10)

2.6. 最小化能耗 (10)

3. 软件示例 (11)

3.1. Hello World (11)

3.2. 移植LCD驱动程序到其他显示屏 (11)

4. 修订历史 (15)

4.1. 修订版1.03 (15)

4.2. 修订版1.02 (15)

4.3. 修订版1.01 (15)

4.4. 修订版1.00 (15)

A. 免责声明和商标 (16)

A.1. 免责声明 (16)

A.2. 商标信息 (16)

B. 联系信息 (17)

B.1. (17)

图目录

1.1. 施加电压和不加电压时的一个LCD段. (3)

1.2. 静态驱动两个LCD段,一个段亮,一个段灭. (4)

1.3. 有两个段的公共极板,一个段亮,一个段灭. (5)

1.4. 4个LCD段的多路复用驱动. (6)

2.1. 标准和低功耗波形,只画出了公共信号. (7)

2.2. 所施加有效值电压的变化与通过LCD的相对光传输量的关系. (9)

2.3. 能实现桶式移位和逻辑操作的动画功能 (10)

3.1. 具有典型段名称的7段数字. (11)

3.2. 具有典型段名称的14段字母数字字符. (12)

3.3. EFM32 套件LCD屏的段. (12)

3.4. EFM32 LCD 段到引脚的分配. (14)

...世界上最节能的微控制器表目录

2.1. LCD 驱动模式、偏置设置和对比度特性. (8)

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