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[项目] 工业物联网LCD数码屏的驱动原理及低功耗设计

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在工业物联网传感器可视化设计时,仅仅为显示传感器的数值变化,多选用低成本、低功耗、尺寸合适的LCD数码屏,本次博客为各位分享华大半导体HC32L136驱动LCD数码屏的实现方法以及低功耗设计。
202005197237..png
1、驱动原理
LCD数码屏本质上就是数码管,因为其主要是为了显示传感器数据,多为若干个7段数码管(7个亮段和1个小数点组成
)组成,7个亮段实际上就是7个条形的发光二极管,按顺时针方向,这7个亮段分别为a、b、c、d、e、f、g大多数七段数码管还带有一个小数点位dp。如下图所示:
202005195570..png
7段数码管中亮段的发光原理和普通的发光二极管是一样的,所以可以把这7个亮段看成7个发光二极管,根据内部7个发光二极管的共连端不同,可将七段数码管分为共阳(共阳极)和共阴(共阴极)两种。共阳极就是把所有LED的阳极(正极)连接到
共同接点COM,而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp (小数点) ;共阴极则是把所有LED的阴极(负极)连接到共同接点COM,而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp(小数点),通过控制各个LED的亮灭来显示数字。如下图所示:
202005198095..png
7段数码管有多种颜色、多种尺寸供设计时使用,它们的显示原理相同。如果要7段数码管显示数字1,只要点亮b、c两段即可;如要显示数字5,则需要点亮a、f、g、c、d段。其他数字和一些字母可以按照下图中的说明点亮对应的亮段来显示,7个亮段可以灵活地表现数字和一些字母信息。
202005199888..png
在实际应用中,从节约端口数量、降低成本等角度考虑,LCD数码屏中的多个数码管并联,采用动态扫描的方式,一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描),对于显示器的每一位而言,每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器在工作(点亮),但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应,看到的却是多个字符“同时”显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关,也与点亮时间和间隔时间的比例有关,调整电流和时间参,可实现亮度较高较稳定的显示。
2、驱动程序
最近在研究国产华大半导体的MCU,本次将基于HC32L136实现LCD数码屏的驱动程序设计,这里我选用的是自定制LCD数码屏,驱动原理和市面上的LCD屏一致,如下图所示:
202005198822..png
该LCD数码屏有4个公共端,29个端口,在不借助驱动芯片的前提下,要保证MCU有29个富余的IO口,LCD数码屏引脚对应特性如下图所示:
202005196810..png
华大半导体的HC32L136支持LCD 控制器可适用于单色无源液晶显示器(LCD)的数字控制器/驱动器,最多具有 8 个公用端子(COM)和 40 个区段端子(SEG),用以驱动 160 (4x40)或 288 (8x36)个 LCD 图像元素。可以选择电容分压或电阻分压,支持内部电阻分压,内部电阻分压可以调节对比度,支持 DMA 硬件数据传输,明显足够我使用了,特性如下所示:
  • 高度灵活的帧速率控制。
  • 支持静态、1/2、1/3、1/4、1/6 和 1/8 占空比。
  • 支持 1/2、1/3 偏置。
  • 多达 16 个寄存器的 LCD 数据 RAM。
  • 可通过软件配置 LCD 的对比度。
  • 3 种驱动波形生成方式:内部电阻分压、外部电阻分压,外部电容分压方式,可通过软件配置内部电阻分压方式的功耗,从而匹配 LCD 面板所需的电容电荷。
  • 支持低功耗模式:LCD 控制器可在 Active、Sleep、DeepSleep 模式下进行显示。
  • 可配置帧中断。
  • 支持 LCD 闪烁功能且可配置多种闪烁频率
  • 未使用的 LCD 区段和公共引脚可配置为数字或模拟功能。
LCD 控制器框架图如下所示:
202005192638..png
了解了 LCD数码屏的特性后就要开始设计程序了~
基于HC32L136 LCD 控制器需要完成基本的配置,使用相关的API即可快速配置好扫描模式、驱动波形、帧速率等信息。
第1步:使能RCL时钟、配置内部低速时钟频率为32.768kHz、开启LCD时钟和GPIO时钟,配置代码如下所示:
   
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Sysctrl_ClkSourceEnable(SysctrlClkRCL,TRUE);            ///< 使能RCL时钟
    Sysctrl_SetRCLTrim(SysctrlRclFreq32768);                ///< 配置内部低速时钟频率为32.768kHz

    Sysctrl_SetPeripheralGate(SysctrlPeripheralLcd,TRUE);   ///< 开启LCD时钟
    Sysctrl_SetPeripheralGate(SysctrlPeripheralGpio,TRUE);  ///< 开启GPIO时钟

第2步:LCD端口配置,因为是基于LCD 控制器,所以使用特定GPIO无法自定义,可参阅HC32L136管脚功能查询及配置表进行了解。
202005198710..png
配置代码如下所示:
[C] 纯文本查看 复制代码
******************************************************************************
 ** \brief  初始化外部GPIO引脚
 **
 ** \return 无
 ******************************************************************************/
void App_PortCfg(void)
{
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin9);  //COM1
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin10); //COM2
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin11); //COM3
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin12); //COM4   

    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin8);  //SEG0
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortC, GpioPin9);  //SEG1
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortC, GpioPin8);  //SEG2
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortC, GpioPin7);  //SEG3
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortC, GpioPin6);  //SEG4
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin15); //SEG5
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin14); //SEG6
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin13); //SEG7

    
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin12);  //SEG8
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin11);  //SEG9
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin10);  //SEG10
    ///< SEG11不用,凑成16位,方便计算

    
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin1);   //SEG12
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin0);   //SEG13
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortC, GpioPin5);   //SEG14
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortC, GpioPin4);   //SEG15
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin7);   //SEG16
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin6);   //SEG17
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin5);   //SEG18
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin4);   //SEG19

    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin3);  //SEG20
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin2);  //SEG21
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin1);  //SEG22
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortA, GpioPin0);  //SEG23

    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortC, GpioPin3);  //SEG24
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortC, GpioPin2);  //SEG25

    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin3);  //VLCDH
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin4);  //VLCD3
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin5);  //VLCD2
    Gpio_SetAnalogMode(GpioPortB, GpioPin6);  //VLCD1
}

第3步:配置LCD,这里我使用的是配置是:外部电容工作模式、1/4duty、1/3 BIAS、电压泵时钟频率选择2kHz、LCD扫描频率选择128Hz、LCD时钟选择RCL、选择模式0,具体配置可查阅用户手册,讲解的比较细致,代码如下所示:
[C] 纯文本查看 复制代码
/**
 ******************************************************************************
 ** \brief  配置LCD
 **
 ** \return 无
 ******************************************************************************/
void App_LcdCfg(void)
{
    stc_lcd_cfg_t LcdInitStruct;
    stc_lcd_segcom_t LcdSegCom;

    LcdSegCom.u32Seg0_31 = 0xFC000800;                              ///< 配置LCD_POEN0寄存器 开启SEG0~SEG25,SEG12不开  ‭11111100 00000000 00001000 00000000‬
    LcdSegCom.stc_seg32_51_com0_8_t.seg32_51_com0_8 = 0xffffffff;   ///< 初始化LCD_POEN1寄存器 全部关闭输出端口
    LcdSegCom.stc_seg32_51_com0_8_t.segcom_bit.Com0_3 = 0;          ///< 使能COM0~COM3
    LcdSegCom.stc_seg32_51_com0_8_t.segcom_bit.Mux = 0;             ///< Mux=0,Seg32_35=0,BSEL=1表示:选择外部电容工作模式,内部电阻断路
    LcdSegCom.stc_seg32_51_com0_8_t.segcom_bit.Seg32_35 = 0;
    Lcd_SetSegCom(&LcdSegCom);                                      ///< LCD COMSEG端口配置

    LcdInitStruct.LcdBiasSrc = LcdExtCap;                          ///< 电容分压模式,需要外部电路配合
    LcdInitStruct.LcdDuty = LcdDuty4;                              ///< 1/4duty   占空比(DUTY):定义为 1/(LCD 显示器上的公用端子数)的数字
    LcdInitStruct.LcdBias = LcdBias3;                              ///< 1/3 BIAS  偏置(BIAS):驱动 LCD 时使用的电压等级,定义为 1/(驱动 LCD 显示的电压等级数–1)
    LcdInitStruct.LcdCpClk = LcdClk2k;                             ///< 电压泵时钟频率选择2kHz
    LcdInitStruct.LcdScanClk = LcdClk128hz;                        ///< LCD扫描频率选择128Hz
    LcdInitStruct.LcdMode = LcdMode0;                              ///< 选择模式0
    LcdInitStruct.LcdClkSrc = LcdRCL;                              ///< LCD时钟选择RCL
    LcdInitStruct.LcdEn   = LcdEnable;                             ///< 使能LCD模块
    Lcd_Init(&LcdInitStruct);
}

第4步:建立LCD驱动GPIO和LCD数码屏中数码管之间的驱动关系,以LCD数码屏中左上角4个数码管为例建立(之后的数码管显示规律有差异)。
202005193009..png
十六进制如下表所示:
202005192167..png
根据以上关系建立关系数组,该部分实现代码如下所示:
[C] 纯文本查看 复制代码
void Lcd_Drive(int8_t id,int16_t num1,int16_t num2,int8_t point)
{
    ///< LCD数字0~9和DP/COL1
  uint16_t Numerical_Tables1[11]={0x0E0B,0x0600,0x0C07,0x0E05,0x060C,0x0A0D,0x0A0F,0x0E00,0x0E0F,0x0E0C,0x0100};        

  uint32_t Num_Collect=0;

  ///< 屏幕第1、2(id==0)、3、4(id==1)小数字
  if(id==0 || id==1)
  {
    if(num1>=0 && num1<=9)
    {
      Num_Collect=Numerical_Tables1[num1];       ///< 第一个数字
    }
    else if(num1==-1)
    {
      Num_Collect=0x0000;                       ///< 熄灭
    }
    
    if(num2>=0 && num2<=9)
    {
      Num_Collect|=Numerical_Tables1[num2]<<16;  ///< 第二个数字
    }
    else if(num1==-1)
    {
      Num_Collect|=0x0000<<16;                  ///< 熄灭
    }
      
    if(point==1)
    {
      Num_Collect|=Numerical_Tables1[10];        ///< 第一个DP
    }
    else if(point==2)
    {
      Num_Collect|=Numerical_Tables1[10]<<16;    ///< 第二个DP/COL1
    }
    else if(point==3)
    {
      Num_Collect|=Numerical_Tables1[10];        ///< 第一个DP
      Num_Collect|=Numerical_Tables1[10]<<16;    ///< 第二个DP/COL1
    }

    Lcd_WriteRam(id,Num_Collect);
    
    Num_Collect=0;
  }
}

至此就可以实现LCD数码屏幕的驱动。
3、低功耗设计
HC32L136进入深度休眠状态,不会改变端口状态,在进入休眠前根据需要更改 IO 的状态为休眠下的状态,所以在深度休眠状态下LCD数码屏可以继续显示工作。
运行上述程序,LCD数码屏所有数码管工作点亮耗能约890毫安左右,如下图所示:
202005194057..png
使用低功耗设计后,耗能约为2.6微安,极大降低了功耗,如下图所示:
202005194173..png
低功耗设计实现代码如下所示:
[C] 纯文本查看 复制代码
void App_LowPowerMode(void)
{
    ///< 打开GPIO外设时钟门控
    Sysctrl_SetPeripheralGate(SysctrlPeripheralGpio, TRUE);

    //swd as gpio
    Sysctrl_SetFunc(SysctrlSWDUseIOEn, TRUE);

    ///< 配置为数字端口
    M0P_GPIO->PAADS = ~0xE000;
    M0P_GPIO->PBADS = ~0x0384;
    M0P_GPIO->PCADS = ~0xFC03;
    M0P_GPIO->PDADS = ~0xFFEF;

    ///< 配置为端口输入
    M0P_GPIO->PADIR = 0XFFFF;
    M0P_GPIO->PBDIR = 0XFFFF;
    M0P_GPIO->PCDIR = 0XFFFF;
    M0P_GPIO->PDDIR = 0XFFFF;

    ///< 输入下拉(除LCD端口以外)
    M0P_GPIO->PAPD = 0xE000;
    M0P_GPIO->PBPD = 0x0384;
    M0P_GPIO->PCPD = 0xFC03;
    M0P_GPIO->PDPD = 0xFFEF;

    Lpm_GotoDeepSleep(TRUE);
}



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