LCD的接口技术和抗干扰措施

从与CRT相比我们可以知道LCD优势有重量轻、耗能小、工作电压低、无辐射、显示信息量大等。随着测控技术的发展，LCD已被广泛应用于各种仪器仪表、电子显示装置等场合，成为测量结果和人机对话的重要工具。液晶显示器按其功能可分为三类：笔段式LCD(可显示数码)、字符点阵式LCD(可显示数码和英文字符)和图像点阵式LCD(可以显示字符、汉字、任意图形)。在测控仪器仪表中，字符点阵式LCD和图像点阵式LCD应用更为广泛[1，2]。本文介绍了常用液晶显示器与微控制器的接口技术及其抗干扰措施，结合最近开发的绝缘油耐压测试仪中出现的CMOS自锁现象，提出了一种在强电磁场等特殊环境下，可靠使用液晶显示器的技术方法。
LCD与微控制器的接口技术目前市面上的液晶显示模块是将接口电路、行列驱动以及液晶屏组合为一体的专用模块，模块中常有两片以上的CMOS大规模集成电路，对外与控制器的接口功能只是一些工作方式寄存器的读写和对应的点阵RAM的读写，具体工作的方式控制、扫描显示及驱动均由模块内的集成电路来完。控制器与LCD交换数据信息有串行通讯方式(通过RS232接口)和并行通讯方式，LCD显示屏大多采用并行接口方式。
2.1. LCD的并行接口方式显示模块的外部接口一般采用并行方式，并行接口外接口线的读写时序常见以下两种模式。(1)8080模式，这类模式通常有下列接口信号：Vcc(工作主电源)、Vss(公共端)、Vee(偏置负电源，常用于调整显示对比度)/RES，复位线。DB0~DB7，双向数据线。D/I，数据/指令选择线(1：数据读写，0：命令读写)。/CS，片选信号线(如果有多片组合，可有多条片选信号线)。/WR，MPU向LCD写入数据控制线。/RD，MPU从LCD读入数据控制线。(2)6800模式，在这种模式下，Vcc、Vss、Vee、/RES、DB0~DB7、D/I的功能同模式(1)，其他信号线为：R/W，读写控制(1：MPU读，0：MPU写)。E，允许信号(多片组合时，可有多条允许信号线)。在接口电路中，微控制器与LCD的接口常采用两种方式：
(1) 总线式接口方式，该方式适用于各种CPU(如80×86)芯片和具有并行总线(地址总线、数据总线、控制总线)接口的单片机(如MCS 51系列)，接口电路中，DB0~DB7直接接数据总线，其他信号线用地址线和控制线一起译码产生。在译码电路中，GAL芯片的使用可以简化逻辑设计。
(2) I/O接口方式，该方式适用于各种具有并行总线接口的单片机(如MCS 51系列，此时并行口直接进行操作)和不具备并行总线接口的单片机(如PIC系列、51LPC系列)，接口电路中，通过对各条接口线读写实现LCD所要求的时序。
2.2. Vee的产生在LCD模块中，对比度的调整往往是通过调整Vee的数值进行的。对比度的大小会随着温度的变化而变化，准确的调整方式是加以温度传感器通过补偿电路来进行的。大多数使用者是采用在Vcc和一个负电源V_之间接一个电位器，通过调整电位器使之输出一个合适的Vee来调整LCD的对比度。负电源V_可以通过一个直流电源电路产生。如果该测控仪表中设计了RS232接口，就需要有TTL电平与RS232电平的转换电路。目前常用的芯片是MAX202芯片。MAX202是MAXIM公司出品的接口芯片，可以进行TTL电平与RS232电平的转换。该芯片内带电源提升泵，工作时只需单5V电源而无须外接12V电源，使用方便而且性能可靠。MAX202芯片的引脚有负电源输出，利用这一个引脚可以代替一个直流电源电路。
2.3. 抗干扰措施LCD显示屏常置于仪表的面板上，通过一条扁平电缆连接于主控板上。测控仪表内部的电磁干扰对LCD的工作有一定的影响[3，4]，如果该仪表工作于工业生产过程，恶劣的环境对于液晶屏的工作更为不利，这就需要在设计中采用各种抗干扰措施，一般情况下采用下述措施即可：(1)主板上与LCD模块接口的逻辑电路尽可能采用驱动能力强的芯片。(2)LCD模块的接口中，在Vcc和Vss之间接一个0。1μF的滤波电容。(3)LCD模块的工作电流很小，为几个mA，但其背光部分所需要的电流远大于其工作电流，最好将工作电源和背光电源分别走线。(4)定期对液晶屏复位(通过/RES引脚)可以保证液晶显示屏长期工作的稳定性。如果不允许液晶屏定期复位，可以检测LCD内部工作寄存器和显示RAM，一旦发现LCD不正常，可以对LCD复位。3 CMOS自锁现象及其抑制随着CMOS器件在电子设计领域中应用范围的日益广泛，对其性能可靠、抗干扰方面的要求也越来越高，而在特定环境下，其自身特有的自锁[5]现象严重影响了系统的正常工作，因此，如何有效抑制CMOS自锁现象的产生已成为使用CMOS器件设计电路中一个不可忽视的问题。
3.1. 自锁现象自锁现象又称可控硅(SCR)现象。这是因为器件内部存在的pnpn结构形成了双结型寄生晶闸管，此寄生晶闸管的电路结构与SCR的结构完全相同。在测试和使用过程中，当有外来的电压或电流信号触发动作，CMOS器件的漏极Vdd和源极Vss之间就会出现很大的导通电流。该电流一旦开始流动，即使除去外来触发信号也不会中断，只有关断电源或将电压降到某个值以下才能解除该电流，此时器件处于自锁状态。理论和实验证明，CMOS电路的自锁效应是由于其内部存在寄生双极晶闸管所引起的。产生自锁的原因是多方面的，具体分为外部原因和内部原因两类。内部原因是因其内部双寄生晶体管的特殊构造引起的，其制造工艺在出厂后已确定，在此不做详述。外部原因主要由以下几方面构成：(1)输入或输出端的电平下降到比Vss还低，或者上升到比Vdd还高；(2)接到Vdd端的电源有异常的浪涌电压或噪声干扰侵入；(3)电源电压瞬间跳动引起反偏下p阱衬底结电容出现较大的充放电电流，该电流的大小与电源电压变化速度呈正比；(4)受到电离辐射，如α射线或γ射线辐照，使衬底、阱等处有异常的电流流过。
3.2. CMOS自锁现象的抑制措施为了避免自锁现象的发生，一方面从CMOS器件的制造工艺上改进其基本结构，另一方面在电路设计中，针对具体产生自锁的原因采取相应的措施，具体为以下几种方案：(1)输入输出电源端有浪涌电压或电流出现时，可在输入端、输出端串联电阻以限制触发电，或者加粗电源线。(2)当电源线阻抗较高时，系统内集成电路开关引起的动态压降也易引起自锁。此时可在Vdd和Vss间接入电容，提供动态电流，减小电源线上的动态压降。(3)由于大多数自锁现象是外来噪声和系统暂态过程引起的，只是瞬间产生，可在由浪涌电压或电流引起的强磁场形成前断开系统内CMOS器件的供电，躲过强磁场后继续上电工作。4 绝缘油耐压测试仪LCD显示中的CMOS自锁现象的抑制措施。
4.1. 绝缘油耐压测试仪设计中自锁现象的产生绝缘油耐压测试仪是一种广泛应用于电力行业的测量变压器绝缘油耐压强度的仪器。其工作原理是：在电力绝缘油的测试过程中，需要一个可调的高压电压，该电压加在绝缘油杯两端，电压由零逐步上升，当电压在任意时刻击穿时，当前的电压值即为油的绝缘值。具体实现电路原理框图如图1。  其中，系统的高压产生部分是通过交流电机带动自耦变压器(可调)，产生0~220V的交流电，经过1∶400的高压变压器产生0~88kV交流电压。在具体的设计调试中，我们发现每当绝缘油被击穿时，用于显示系统加压状态的液晶屏都会出现花屏，导致系统不能正常工作。经过反复实验发现，造成系统工作失常的是由于在绝缘油击穿时，通过油杯的击穿电流为10~20mA，因变压器变压比为1∶400，升压变压器初级线圈将有4~8A的大电流流过，这么大的电流突变在电路周围产生了强电磁场干扰，严重干扰了暴露在外的液晶显示模块中CMOS器件，引发了器件的自锁现象。
4.2. 抑制方法由于本系统中，CMOS器件是集成在液晶模块中，不能采取传统方法直接加限流电阻来抗干扰，只能采用第三种方法来抑制自锁现象的产生。具体实现是：一方面，将系统中大电流导线远离微机控制电路，并使两根大电流导线绞合成双绞线以降低对外的空间干扰；另一方面，考虑到由于大多数自锁现象是外来噪声和系统暂态过程引起的，只是瞬间产生，则可在由浪涌电压或电流引起的强磁场形成前断开系统内CMOS器件的供电，待强磁场撤除后继续上电工作。为此，本系统增设了击穿时的复位电路，见图2。其中J1继电器控制高压的闭合与断开，J2继电器控制液晶显示屏的供电；U1为D触发器，当SD=H，CD=L时，Q=L；当SD=L，CD=H时，Q=H。满位开关信号是由满位限位开关提供，在电机正转达到满位之前，输出为高。具体工作原理是：系统启动时，启动信号输入为低脉冲，触发器CD为低，满位开关输入高电平信号，此时Q=L低，J1继电器闭合，高压接通。当高压击穿时或电机正转到满位(二者满足任一条件)，高压信号输入变低，触发器SD=L，CD=H，Q=H，高压控制继电器断开，同时因C3电容两端电压不能突变，U4输出正脉冲，J2动作，断开液晶屏供电电源，而且RESET输出为高，复位信号有效，系统复位。过一段时间(约1s)后，+5V电源对电容C3充电，使电容两端变高，U4输出变低，液晶屏恢复正常供电，系统复位撤除，恢复正常工作。
4.3. 试验结果实验表明，该方法能有效控制绝缘油击穿时高压的通断，能够准确测量变压器绝缘油的耐压值，并且在绝缘油击穿时断开液晶显示模块的电源供电，有效避免了液晶屏内CMOS器件自锁现象的产生。