浅谈AT89S51的纳米钻石原料FED驱动电路探究

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摘要：FED由显示屏和驱动电路组成，驱动电路的设计水平直接影响FED的显示效果。设计FED的驱动电路时，要考虑显示屏的显示结构，显示电极模式、驱动电压以及灰度等级等[2]。本文以AT89S51单片机为逻辑控制核心，设计的FED驱动电路能够动态显示简单字符。 1驱动电路

　　FED由显示屏和驱动电路组成，驱动电路的设计水平直接影响FED的显示效果。设计FED的驱动电路时，要考虑显示屏的显示结构，显示电极模式、驱动电压以及灰度等级等[2]。本文以AT89S51单片机为逻辑控制核心，设计的FED驱动电路能够动态显示简单字符。
　　1驱动电路设计
　　1.1 设计原理与系统组成PDP、LCD等平板显示的驱动都是采用通用的行列矩阵寻址驱动方式，若要把某个像素点亮时，选中该像素所在的行列电极并施与适当的电压即可实现选通点亮。场发射显示器（Field Emission Display，FED）的驱动电路与上述几种平板显示的驱动一样，FED矩阵选址驱动系统的硬件电路主要由逻辑控制电路（一般为单片机或MCU与逻辑控制器）、存储器和电源、行驱动电路、列驱动电路以及后级匹配功率放大电路等几个模块组成，如图1[3]。
　　1.2 驱动电路硬件设计使用分立元器件实现时会存在稳定性不高，逻辑控制输出的功耗比较大，容易引起可靠性降低、效率不高、显示效果不好等结果。针对这些问题，为了能达到较好的显示效果，文中采用分立元件与集成电路相结合的方式来设计硬件驱动电路，来驱动16×16点阵的FED显示屏，可以实现字符的动态显示。其电路框图如图2所示。
　　在该驱动电路系统中，51单片机作为整个驱动电路的控制核心，通过产生各种控制信号，对行扫描驱动单元和列寻址输出单元等进行控制。其中行扫描驱动输出电路和列寻址输出电路构成电极驱动电路。
　　1.2.1 FED字符点阵的生成[4]要在16×16点阵的FED显示屏上显示汉字，必须提前将汉字的点阵代码提取出来，存储到单片机中。文中所用的字符点阵的生成工具为超级字符/图形字模提取软件V1.0。工作界面如图3所示。它可以根据扫描方式生成对应的点阵代码。根据FED显示屏选用16×16模式，可显示1个汉字。图3所示为16×16模式下输入汉字“创”时的界面，窗口内的十六进制数据为“创”字的点阵代码。将点阵代码按顺序存入单片机的ROM中，再由单片机的I/O口顺序扫描输出到FED显示屏上，即可显示“创”字。若要循环连续显示汉字，可分别输入这些汉字到输入栏，逐字生成这些字符的字模点阵代码数据，通过单片机I/O口，顺序扫描输出到显示屏上，即可循环显示这些字符。
　　1.2.2 逻辑控制电路设计逻辑控制电路主要由AT89S51单片机和锁存器74HC37组成，逻辑控制电路主要是产生每一行、每一列的控制信号与时序信号。AT89S51是Atmel公司生产的AT89系列高档单片机，具有低功耗、高性能的优点，也是目前应用比较广泛的8位单片机，芯片内含有4Kbytes的Flash只读程序存储器且具备ISP功能的和128Bytes的RAM，各项资源丰富[5]。行逻辑控制由AT89S51单片机和16位锁存器构成，为保证后级驱动电路的要求可选取74HC373，74HC373具有较好负载能力，可直接驱动高压驱动芯，因为它是8位的，所以需要2个来实现。高压驱动芯片采用美国IR公司的IR2113,它采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，由三部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，简化外围电路设计，采用它可为设计带来许多方便。列选址电路产生图像的控制信号，文中选用的FED显示屏为16×16点阵结构，直接用AT89S51片机的两个端口P0和P2并行输出包图像信息的逻辑信号，略去了单片机与锁存器之间的移位寄存器。列驱动逻辑控制电路由AT89S51单片机与74HC373组成，数据长度为32位，要4片74HC373。单片机从P0-P2口并行输出显示图像的逻辑脉冲信号接三态锁存器74HC373，由单片机的P3.3与P3.4控制锁存器的输出。逻辑控制电路如图4。
　　电极驱动电路由行扫描驱动输出电路X和列寻址输出电路Y构成。行扫描驱动电路用于驱动选定行电极，其输出驱动信号是固定脉宽的开关信号，列驱动电路则是在选定Xi行情况下，依次选定该行内的每一个像素，各像素的驱动脉冲信号宽度受图像信号调制，由此就可确定每一像素点的亮度。行高压转换电路如图5，列高压转换电路需在IR2113的LIN端加信号Q1，类似列高压转换电路，此处略去该图。
　　1.3 软件开发工具文中软件开发工具选用的是Keil μVision3集成开发环境，它是德国KELL公司开发的集成单片机软件开发平台，包括编译器、调试软件、宏汇编器、模拟器、实时内核、集成开发环境以及微控制器等仿真开发装置，对标准的8051单片机及各个公司推出的新型单片机均提供了仿真模拟程序的支持。因其具备友好的工作界面，方便操作及使用，能够大大降低程序开发成本和缩短设计周期。图6为其工作界面。
　　程序设计采用汇编语言，汇编语言是最早应用于单片机开发的程序语言。相比其他程序设计语言，指令的执行速度快、代码短小精悍，且具有确定的指令执行周期。在Keil μVision3集成环境里编写控制程序的源代码，并进行编译和调试。利用Keil μVision3集成的汇编器将调试好的程序生成AT89S51可执行的.HEX文件。利用Keil μVision3的在线调试或者将程序代码下载到AT89S51仿真器中进行仿真调试，确保能实现功能的前提条件下将生成的.HEX文件用专用的单片机编程器和相应的软件烧写到单片机中。
　　1.4 软件设计从人眼视觉暂留的角度考虑，扫描频率至少为46Hz的临界频率，就不会有闪烁感。通过软件控制从上到下扫描屏幕一次的时间设定为20ms，将以上操作反复循环，就可稳定地显示各种图形或文字信息。通过控制数据锁存端的电平高低，就可以控制74HC373的工作状态。为低电平输出锁存，为高电平输入数据直接传输到输出，这样即可实现给6个74HC373分别输入不同的数据。行控制用占两个字节内存变量单元作为16位行对应的控制端，分别对应 P2.2、P2.3所控制的74HC373，对该变量进行循环右移。变量中，只有一位为1，其余全为0，这样每执行一次右移并输出数据相当于换行操作。列信号为要显示的汉字点阵编码数据，数据按顺序存放在32个内存单元中，作为数据缓冲区。连续的两个单元代表一列， 当输出一行时则把相应的一列数据通过转换输出到对应的列驱动电路上。列输出每一个显示单元对应一个驱动电路，由于该电路的状态是两位的，所以要把对应的数据进行一次转换。转换原则为：0对应01，1对应10。这样在输出时就把16位列显示数据转换成32位了，由对应的74HC373选通完成，分别是AT89S51的P2.4、P2.5、P2.6和P2.7，所连接的锁存器，软件流程如图7。
　　2结束语
　　作为FED硬件重要组成部分，驱动电路的设计在很大程度上取决于显示屏的显示结构、显示电极的引出方式和驱动方法的选择等，所以好的驱动电路设计直接影响平板显示器的显示效果。本文以AT89S51单片机为逻辑控制核心，以锁存器与高压转换电路为辅助驱动电路，采用汇编语言对单片机进行程序设计，实现汉字点阵的动态显示，为FED驱动电路的设计提出了一些实用的理论依据。

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