计算机控制-键盘与显

第 四 讲 键 盘 及 其 接 口 技 术本 章 要 点1 按 键 的 抖 动 干 扰 及 其 解 决 方 法 。2 独 立 式 键 盘 的 结 构 原 理 及 其 接 口 电 路 。3 矩 阵 式 键 盘 的 结 构 原 理 及 其 行 扫 描 法 。4 编 码 器 及 其 编 码 键 盘 接 口 电 路 。 引 言 在 计 算 机 控 制 系 统 中 ， 除 了 与 生 产 过 程 进 行 信 息 传递 的 过 程 输 入 输 出 设 备 以 外 ， 还 有 与 操 作 人 员 进 行 信息 交 换 的 常 规 输 入 设 备 和 输 出 设 备 。 键 盘 是 一 种 最 常用 的 输 入 设 备 ,它 是 一 组 按 键 的 集 合 ， 从 功 能 上 可 分 为数 字 键 和 功 能 键 两 种 ， 作 用 是 输 入 数 据 与 命 令 ， 查 询和 控 制 系 统 的 工 作 状 态 ， 实 现 简 单 的 人 机 对 话 。 键 盘 接 口 电 路 可 分 为 编 码 键 盘 和 非 编 码 键 盘 两 种类 型 。 编 码 键 盘 采 用 硬 件 编 码 电 路 来 实 现 键 的 编 码 ，每 按 下 一 个 键 ， 键 盘 便 能 自 动 产 生 按 键 代 码 。 编 码 键盘 主 要 有 BCD码 键 盘 、 ASCII码 键 盘 等 类 型 。 非 编 码 键盘 仅 提 供 按 键 的 通 或 断 状 态 , 按 键 代 码 的 产 生 与 识 别由 软 件 完 成 。 引 言 编 码 键 盘 的 特 点 是 使 用 方 便 ， 键 盘 码 产 生速 度 快 ， 占 用 CPU时 间 少 ， 但 对 按 键 的 检 测 与消 除 抖 动 干 扰 是 靠 硬 件 电 路 来 完 成 的 ， 因 而 硬件 电 路 复 杂 、 成 本 高 。 而 非 编 码 键 盘 硬 件 电 路简 单 ， 成 本 低 ， 但 占 用 CPU的 时 间 较 长 。 4.1 键 盘 输 入 电 路主 要 知 识 点 :n 5.1.1 键 盘 的 抖 动 干 扰n 5.1.2 抖 动 干 扰 的 消 除 4.1.1 键 盘 的 抖 动 干 扰 由 于 机 械 触 点 的 弹 性 振 动 ， 按 键 在 按 下 时 不 会马 上 稳 定 地 接 通 而 在 弹 起 时 也 不 能 一 下 子 完 全 地 断开 ， 因 而 在 按 键 闭 合 和 断 开 的 瞬 间 均 会 出 现 一 连 串的 抖 动 ， 这 称 为 按 键 的 抖 动 干 扰 ， 其 产 生 的 波 形 如图 5-1所 示 ， 当 按 键 按 下 时 会 产 生 前 沿 抖 动 ， 当 按键 弹 起 时 会 产 生 后 沿 抖 动 。 这 是 所 有 机 械 触 点 式 按键 在 状 态 输 出 时 的 共 性 问 题 ， 抖 动 的 时 间 长 短 取 决于 按 键 的 机 械 特 性 与 操 作 状 态 ， 一 般 为 10100ms，此 为 键 处 理 设 计 时 要 考 虑 的 一 个 重 要 参 数 。 前 沿 抖 动 后 沿 抖 动图 6-2 按 键 的 抖 动 干 扰闭 合 稳 定 释 放 稳 定键 按 下 键 释 放 4.1.2 抖 动 干 扰 的 消 除 按 键 的 抖 动 会 造 成 按 一 次 键 产 生 的开 关 状 态 被 CPU误 读 几 次 。 为 了 使 CPU能正 确 地 读 取 按 键 状 态 ， 必 须 在 按 键 闭 合或 断 开 时 ， 消 除 产 生 的 前 沿 或 后 沿 抖 动 ，去 抖 动 的 方 法 有 硬 件 方 法 和 软 件 方 法 两种 。 图 5-2 滤 波 延 时 消 抖 电 路2R V5+1R1V 2V 图 5 - 3 滤 波 延 时 消 抖 电 路 SiVoV( D i)( D i) 2 软 件 方 法 软 件 方 法 是 指 编 制 一 段 时 间 大 于 100ms的 延时 程 序 ， 在 第 一 次 检 测 到 有 键 按 下 时 ， 执 行 这段 延 时 子 程 序 使 键 的 前 沿 抖 动 消 失 后 再 检 测 该键 状 态 ， 如 果 该 键 仍 保 持 闭 合 状 态 电 平 ， 则 确认 为 该 键 已 稳 定 按 下 ， 否 则 无 键 按 下 ， 从 而 消除 了 抖 动 的 影 响 。 同 理 ， 在 检 测 到 按 键 释 放 后 ，也 同 样 要 延 迟 一 段 时 间 ， 以 消 除 后 沿 抖 动 ， 然后 转 入 对 该 按 键 的 处 理 。 4.2 非 编 码 独 立 式 键 盘主 要 知 识 点 :n 5. 2.1 查 询 法 接 口 电 路n 5. 2.2 中 断 法 接 口 电 路 4. 2.1 查 询 法 接 口 电 路 现 以 3个 按 键 为 例 ， 图 5-3即 为 独 立 式 键 盘 查 询法 接 口 电 路 。 按 键 S0、 S1、 S2分 别 通 过 上 拉 电 阻 与CPU的 数 据 线 D0、 D1、 D2相 连 ， 当 按 键 Si闭 合 时 ， 数 据线 直 接 接 地 ， 因 而 CPU读 入 Di=0； 当 按 键 Si断 开 时 ， 数据 线 通 过 上 拉 电 阻 接 到 正 电 源 ， 因 而 CPU读 入 Di=1。 该 接 口 电 路 实 现 的 功 能 为 ： 查 询 检 测 是 否 有 键 按下 ， 如 有 键 闭 合 ， 则 消 除 抖 动 ， 再 判 断 键 号 ， 然 后 转入 相 应 的 键 处 理 。 其 程 序 流 程 如 图 5-4所 示 。 采 用 查 询 法 时 ， 必 须 保 证 CPU每 隔 一 定 时 间 主 动地 去 扫 描 按 键 一 次 ， 该 扫 描 时 间 间 隔 应 小 于 两 次 按 键的 时 间 间 隔 ， 否 则 会 有 按 键 不 响 应 的 情 形 。 显 然 这 种方 式 占 用 CPU时 间 比 较 多 。 图 5-3 独 立 式 键 盘 结 构 原 理 图 5-4 独 立 式 键 盘 结 构 原 理D0 V5+D1D2 S0S1S2 图 5-4独 立 式 键 盘 查 询 法 程 序 流 程 图开 始有 键 闭 合 否 ?N Y延 时 1 0 0 m s消 除 键 抖 动有 键 闭 合 否 ?N YN YN YN YD 0= 0 ?D 1= 0 ?D 2= 0 ? S 0键 功 能 程 序S 2键S 1键 序程能功 序程能功图 5 -5 独 立 式 键 盘 查 询 法 程 序 流 程 图 4.2.2中 断 法 接 口 电 路n 仍 以 3个 按 键 为 例 ， 图 5-5是 一 个 炉 温 控 制 系 统 的 功能 键 分 配 图 ， S0、 S1、 S2分 别 代 表 自 动 /手 动 切 换 、 炉温 参 数 显 示 和 炉 温 参 数 打 印 功 能 。 这 是 在 上 述 查 询 法接 口 电 路 的 基 础 上 ， 再 把 按 键 S0、 S1、 S2的 数 据 输 出 线经 过 与 非 门 和 反 相 器 后 与 8255A的 选 通 输 入 信 号 PC4相连 ， 8255A的 PC3发 出 中 断 请 求 信 号 经 中 断 控 制 器 8259A与 CPU的 中 断 请 求 引 脚 相 连 ， 这 是 一 种 典 型 的 中 断 法键 盘 接 口 电 路 。 工 作 过 程 如 下 ： 当 CPU对 8255A初 始 化 （ 8255A的 A口工 作 于 方 式 1 输 入 ） 后 ， CPU即 执 行 主 程 序 。 当 按 下 S0键即 表 示 要 进 入 自 动 控 制 状 态 ， 此 时 与 之 相 连 的 I/O口 线 呈现 为 低 电 平 的 同 时 ， 与 非 门 输 出 为 高 电 平 ， 经 反 相 器 变为 低 电 平 ， 使 8255A端 口 A的 选 通 输 入 信 号 PC4 有 效 ， 则PA0 PA2引 脚 接 收 并 存 入 3个 按 键 的 “ 0” 或 “ 1” 状 态 ，当 恢 复 成 高 电 平 后 ， 经 TSIT时 间 ， 8255A的 PC3发 出 INTRa中 断 请 求 信 号 ， 经 中 断 控 制 器 8259A向 CPU申 请 中 断 ， CPU响 应 中 断 后 ， 即 转 到 中 断 服 务 程 序 中 。 中 断 服 务 程 序 依次 查 询 按 键 的 通 断 状 态 ， 当 查 询 到 是 自 动 /手 动 （ 即 S0=0）时 ， 则 转 到 自 动 /手 动 控 制 子 程 序 的 入 口 地 址 ， 从 而 使 系统 进 入 自 动 控 制 状 态 。 如 果 没 有 键 按 下 ， 则 相 应 的 I/O口线 均 为 高 电 平 ， 也 不 会 产 生 中 断 信 号 ， CPU继 续 运 行 主 程序 。 图 5-5独 立 式 键 盘 中 断 法 接 口 电 路 0S1S2S V5+图 5-6 独 立 式 键 盘 中 断 法 接 口 电 路PA0PA1PC3 PA2PC4PA3PA7RD PA5PA4PA6RDCPU8088 8255AINTRa8259A STBaIR3INTRINT D7D0D7D0 键 盘 中 断 服 务 子 程 序 ， 与 查 询 方 式 相 似 ， 在 保 护 现 场后 ， 首 先 调 用 100mS延 时 子 程 序 去 除 抖 动 ， 然 后 依 次 查 键号 ， 并 转 入 键 功 能 处 理 程 序 ， 最 后 恢 复 现 场 、 中 断 返 回 。显 然 ， 查 询 顺 序 代 表 了 按 键 的 排 队 优 先 级 。 采 用 中 断 法 时 ， CPU对 按 键 而 言 是 被 动 方 式 ， 在 无 键按 下 时 不 占 用 CPU时 间 ， 因 而 CPU有 更 多 的 时 间 执 行 其 他程 序 。 上 述 分 析 说 明 ： 独 立 式 键 盘 接 口 电 路 简 单 灵 活 ， 软 件结 构 简 单 ， 但 每 个 按 键 必 须 占 用 一 根 I/O口 线 ， 在 按 键 数量 较 多 时 ， 需 要 占 用 较 多 的 I/O口 线 。 比 如 64个 按 键 ， 需要 有 64根 线 ， 不 仅 连 线 复 杂 ， 查 询 按 键 的 时 间 也 较 长 。故 这 种 键 盘 电 路 只 适 合 于 按 键 数 量 比 较 少 的 小 型 控 制 系统 或 智 能 控 制 仪 表 中 。 4.3 非 编 码 矩 阵 式 键 盘主 要 知 识 点 :n 5.3.1 矩 阵 式 键 盘 的 结 构 组 成n 5.3.2 矩 阵 式 键 盘 的 程 序 设 计 4.3.1 矩 阵 式 键 盘 的 结 构 组 成v 矩 阵 式 键 盘 又 叫 行 列 式 键 盘 ， 是 用 I/O口 线 组 成 的 行 、 列矩 阵 结 构 ， 在 每 根 行 线 与 列 线 的 交 叉 处 ， 二 线 不 直 接 相 通 而是 通 过 一 个 按 键 跨 接 接 通 。 采 用 这 种 矩 阵 结 构 只 需 M根 行 输出 线 和 N根 列 输 入 线 ， 就 可 连 接 M N个 按 键 。 通 过 键 盘 扫描 程 序 的 行 输 出 与 列 输 入 就 可 确 认 按 键 的 状 态 ， 再 通 过 键 盘处 理 程 序 便 可 识 别 键 值 。v 键 盘 与 CPU的 接 口 可 采 用 并 行 端 口 8255A、 锁 存 器 或 缓冲 器 一 类 。 图 5-6给 出 了 一 种 8 8非 编 码 矩 阵 式 键 盘 的 接 口电 路 。 行 输 出 电 路 由 行 扫 描 锁 存 器 74LS273、 反 相 器 与 行线 X 0 X7连 接 组 成 ， 列 输 入 电 路 由 三 态 缓 冲 器 74LS244与列 线 Y0 Y7以 及 上 拉 电 阻 组 成 。 X、 Y线 的 每 一 个 交 叉 处 跨接 一 个 键 ， 其 键 值 分 别 是 十 进 制 数 的 01， 02， ， 64。该 键 盘 的 接 口 地 址 为 PORT1。 n 图 5-6 矩 阵 式 键 盘 接 口 电 路 V5+4001 162432485633091725414957 08 6474LS244D1D2D3D4D5D6D70D D 1 D2 D3 D4 D5 D6 D70DCLKPORT174LS 138 74LS273IOWIOR 1G2G Y7Y0 Y Y YYYY1 2 43 65 XXXXXXXX12436507图 5-7 矩 阵 式 键 盘 接 口 电 路 v 当 键 盘 中 无 任 何 键 按 下 时 ， 所 有 的 行 线 和 列 线 被 断 开 且相 互 独 立 ， 输 入 线 Y0 Y7列 都 为 高 电 平 ； 当 有 任 意 一 键 按 下 时 ，则 该 键 所 在 的 行 线 与 列 线 接 通 ， 因 此 ， 该 列 线 的 电 平 取 决 于 该键 所 在 的 行 线 。 基 于 此 ， 产 生 了 “ 行 扫 描 法 ” 与 “ 线 反 转 法 ”两 种 识 别 方 法 。v 行 扫 描 法 又 称 逐 行 零 扫 描 查 询 法 ， 即 逐 行 输 出 行 扫 描 信 号“ 0” ， 使 各 行 依 次 为 低 电 平 ， 然 后 分 别 读 入 列 数 据 ， 检 查 此（ 低 电 平 ） 行 中 是 否 有 键 按 下 。 如 果 读 得 某 列 线 为 低 电 平 ， 则表 示 此 （ 低 电 平 ） 行 线 与 此 列 线 的 交 叉 处 有 键 按 下 ， 再 对 该 键进 行 译 码 计 算 出 键 值 ， 然 后 转 入 该 键 的 功 能 子 程 序 入 口 地 址 ；如 果 没 有 任 何 一 根 列 线 为 低 电 平 ， 则 说 明 此 (低 电 平 )行 没 有 键按 下 。 接 着 进 行 下 一 行 的 “ 0” 行 扫 描 与 列 读 入 ， 直 到 8行 全 部查 完 为 止 ， 若 无 键 按 下 则 返 回 。v 有 时 为 了 快 速 判 断 键 盘 中 是 否 有 键 按 下 ， 也 可 先 将 全 部 行线 同 时 置 为 低 电 平 ， 然 后 检 测 列 线 的 电 平 状 态 ， 若 所 有 列 线 均为 高 电 平 ， 则 说 明 键 盘 中 无 键 按 下 ， 立 即 返 回 ； 若 要 有 一 列 的电 平 为 低 ， 则 表 示 键 盘 中 有 键 被 控 下 ， 然 后 再 如 上 那 样 进 行 逐 行 扫 描 。 n 图 5-7 矩 阵 式 键 盘 扫 描 及 键 处 理 程 序 流 程 图矩 阵 式 键 盘 扫 描 及 键 处 理 程 序 流 程 图5 - 8图有 键 按 下 否 ?N Y有 键 按 下 吗 ?YN 键 值 寄 存 器 清 0输 出 所 有 行 为 低 电 平输 出 所 有 行 为 低 电 平延 时 1 0 0 m s输 出 某 行 为 低 电 平此 行 有 键 按 下 ？行 键 值 加 0 8求 出 下 一 行 为 低 电 平 各 行 扫 描 完 ？返 回 YN 列 键 值 加 1列 值 右 移 1 位进 位 位 为 0 吗 ？计 算 键 值Y键 值 送 缓 冲 单 元转 功 能 键 入 口 地 址N Y N n 对 于 键 盘 处 理 程 序 来 说 ， 求 得 键 值 并 不 是 目 的 。 如果 该 按 键 是 数 字 键 ， 就 应 把 该 键 值 直 接 送 到 显 示 缓 冲区 进 行 键 值 的 数 字 显 示 ； 如 果 该 按 键 是 功 能 键 ， 则 应找 到 该 键 子 程 序 的 入 口 地 址 ， 转 而 去 执 行 该 键 的 功 能命 令 。 4.4 编 码 键 盘主 要 知 识 点 :n 5.4.1 二 进 制 编 码 器n 5.4.2 编 码 键 盘 接 口 电 路 n 图 5-8 二 进 制 编 码 键 盘 接 口 电 路 A 1G S O 2 O 1 O 0 E iU 2E o C D 4 5 3 2 B G S O 2 O 1 O 0 E iU 1E o C D 4 5 3 2 BA 2A 3A 4S 1 5 S 8 S 7 S 0+ 5 VR 2 C 1EC 2B 1 B 2 B 3 F H S T BI GR 1 D 0D 1D 2D 3 + 5 V 图 5 -9 二 进 制 编 码 键 盘 接 口 电 路 S T B 7I 6I 5I 4I 3I 2I 1I 0I7I 6I 5I 4I 3I 2I 1I 0I 本 章 小 结n 键 盘 是 计 算 机 与 操 作 人 员 进 行 信 息 交 换 的一 种 常 用 输 入 设 备 。 n 键 盘 接 口 电 路 可 分 为 非 编 码 键 盘 和 编 码 键盘 两 种 类 型 。 非 编 码 键 盘 仅 提 供 按 键 的 通 或 断状 态 , 按 键 代 码 的 产 生 与 识 别 是 由 软 件 完 成 的 ，当 按 键 数 量 少 时 ， 一 般 采 用 独 立 式 键 盘 结 构 ；当 按 键 数 量 较 多 时 ， 常 采 用 矩 阵 式 键 盘 结 构 。而 编 码 键 盘 是 采 用 硬 件 编 码 电 路 来 实 现 键 的 编码 ， 每 按 下 一 个 键 ， 键 盘 电 路 便 能 自 动 产 生 按键 代 码 ， 编 码 键 盘 主 要 有 BCD码 键 盘 、 ASCII码键 盘 等 类 型 。 本 章 小 结n 非 编 码 键 盘 的 硬 件 电 路 简 单 ， 成 本 低 ， 但占 用 CPU的 时 间 较 长 。 编 码 键 盘 与 之 相 反 ， 硬件 电 路 复 杂 、 成 本 高 ， 但 使 用 方 便 ， 键 盘 码 产生 速 度 快 ， 占 用 CPU时 间 少 。 对 按 键 抖 动 干 扰的 消 除 ， 非 编 码 键 盘 一 般 是 靠 软 件 而 编 码 键 盘一 般 是 靠 硬 件 电 路 来 实 现 。n 在 一 般 的 小 型 单 片 机 测 控 系 统 中 主 要 使 用非 编 码 键 盘 。 思 考 题n 1 简 述 键 盘 的 两 种 类 型 及 其 特 点 。n 2 简 述 何 为 键 盘 的 抖 动 干 扰 及 其 消 除 的 两 种方 法 。n 3 分 析 说 明 矩 阵 式 键 盘 电 路 的 逐 行 零 扫 描 法的 工 作 过 程 。 第 5讲 显 示 器 及 其 接 口 技 术学 习 目 标1.掌 握 LED数 码 管 显 示 器 的 工 作 原 理 、 显 示 方 式及 其 接 口 电 路 。 2.理 解 LCD液 晶 显 示 器 的 结 构 原 理 、 驱 动 方 式 及其 接 口 电 路 。 3.了 解 图 形 显 示 画 面 的 几 种 形 式 与 功 能 作 用 。 引 言 在 计 算 机 控 制 中 ， 显 示 装 置 是 一 个 重 要 组成 部 分 ， 主 要 用 来 显 示 生 产 过 程 的 工 艺 状 况 与运 行 结 果 ， 以 便 于 现 场 工 作 人 员 的 正 确 操 作 。常 用 的 显 示 器 件 有 显 示 记 录 仪 、 发 光 二 极 管 显示 器 LED、 液 晶 显 示 器 LCD、 大 屏 幕 显 示 器 和图 形 显 示 器 终 端 CRT。 n显 示 记 录 仪 -是 以 模 拟 方 式 连 续 显 示 和 记 录 过 程 参 数 的 动 态 变 化 ， 但 其价 格 都 很 贵 ， 在 目 前 的 计 算 机 控 制 系 统 中 已 很 少 采 用 。n LED数 码 管 -由 于 具 有 结 构 简 单 、 体 积 小 、 功 耗 低 、 配 置 灵 活 、 显 示 清晰 、 可 靠 性 高 等 优 点 ， 目 前 已 被 微 型 计 算 机 控 制 系 统 及 智 能 化 仪 表 广 泛采 用 。nLCD-则 以 其 功 耗 极 低 的 特 点 ， 占 据 了 从 电 子 表 到 计 算 器 ， 从 袖 珍 仪 表到 便 携 式 微 型 计 算 机 等 应 用 场 合 。nCRT终 端 -CRT终 端 以 其 图 文 并 茂 的 直 观 生 动 画 面 ， 可 以 显 示 生 产 过 程中 的 各 种 画 面 及 报 表 ， 如 生 产 流 程 图 、 显 示 报 警 图 、 趋 势 曲 线 图 、 状 态和 回 路 查 询 图 等 ,在 很 多 微 型 计 算 机 控 制 系 统 中 ， 特 别 在 DDC， SCC以 及 DCS控 制 系 统 中 ， 大 都 采 用 CRT操 作 台 进 行 监 视 和 控 制 。 5.1 LED数 码 管 显 示 器n 引 言n 5.1.1 LED 显 示 器 的 工 作 原 理 n 5.1.2 LED显 示 器 的 显 示 方 式n 5.1.3 LED显 示 器 接 口 电 路 6.1.1 LED 显 示 器 工 作 原 理 LED（ 发 光 二 极 管 Light Emitting Diode的 英 文 缩 写 ）是 利 用 PN结 把 电 能 转 换 成 光 能 的 固 体 发 光 器 件 ， 根 据 制 造 材料 的 不 同 可 以 发 出 红 、 黄 、 绿 、 白 等 不 同 色 彩 的 可 见 光 来 。LED的 伏 安 特 性 类 似 于 普 通 二 极 管 ， 正 向 压 降 约 为 2伏 左 右 ，工 作 电 流 一 般 在 10 -20 mA之 间 较 为 合 适 。 LED显 示 器 有 多 种 结 构 形 式 ， 单 段 的 圆 形 或 方 形 LED常 用 来 显 示 设 备 的 运 行 状 态 ， 8段 LED可 以 显 示 各 种 数 字 和字 符 ， 所 以 也 称 为 LED数 码 管 ， 其 外 形 如 图 7-2所 示 。 8段LED在 控 制 系 统 中 应 用 最 为 广 泛 ， 其 接 口 电 路 也 具 有 普 遍 借鉴 性 。 因 此 ， 我 们 介 绍 8段 LED数 码 管 显 示 器 。 8段 LED显 示 器 的 结 构 与 工 作 原 理 如 图 7-3所 示 。1 2 3 4 5678910 a bcdef g dp COM(c) 共 阳 极(b) 共 阴 极(a) 段 排 列 COMabcdefgdp abcdefgdpg f COM a be d COM c dp 图 6-1 8段 LED显 示 器 的 结 构 原 理 8段 LED通 过 不 同 段 点 亮 时 的 组 合 ， 可 以 显 示 09、 AF等 十 六 进制 数 。 显 然 ， 将 单 片 机 的 数 据 输 出 口 与 LED各 段 引 脚 相 连 ， 控 制 输 出 的 数据 就 可 以 使 LED显 示 不 同 的 字 符 。 通 常 把 控 制 LED数 码 管 发 光 显 示 字 符 的 8位 字 节 数 据 称 为 段 选 码 或 者 字 符 译 码 ， 如 图 7-4所 示 。DDDDDDDD012345 67图 6-2 8段 LED显 示 器 段 选 码 原 理 图COMabcdefgdp 5.1.2 LED显 示 器 显 示 方 式 在 计 算 机 控 制 系 统 中 ， 常 利 用 n个 LED显 示 器 构 成 n位 显 示 。通 常 把 点 亮 LED某 一 段 的 控 制 称 为 段 选 ， 而 把 点 亮 LED某 一 位 的控 制 称 为 位 选 或 片 选 。 根 据 LED显 示 器 的 段 选 线 、 位 选 线 与 控制 端 口 的 连 接 方 式 不 同 ， LED显 示 器 有 静 态 显 示 与 动 态 显 示 两种 方 式 ， 下 面 以 4个 共 阴 极 LED的 组 合 为 例 进 行 说 明 。1、 静 态 显 示2、 动 态 显 示 1 静 态 显 示 方 式4个 LED组 合 的 静 态 显 示 电 路 如 图 6-3所 示 图 7-5LED静 态 显 示 方 式abcdefgdp abcdefgdp abcdefgdp abcdefgdp G NDCOM COM COM COMI/O(1) I/O(2) I/O(3) I/O(4) 图 6-3 LED静 态 显 示 方 式 2 动 态 显 示 方 式abcdefgdp abcdefgdp abcdefgdp abcdefgdpC O M C O M C O M C O MI/O (1) D 0D 1D 2D 3 I/O (2)图 7-6 LED动 态 显 示 方 式LED动 态 显 示 电 路 如 图 6-4所 示 图 6-4 LED动 态 显 示 方 式 5.1.3 LED显 示 器 接 口 电 路 控 制 系 统 中 的 LED显 示 电 路 ， 除 了 要 完 成 把 字 符 转 换成 对 应 的 段 选 码 的 译 码 功 能 以 外 ， 还 要 具 有 数 据 锁 存 与驱 动 的 功 能 。 其 中 ， 译 码 功 能 可 以 通 过 硬 件 译 码 器 完 成 ，也 可 通 过 软 件 编 程 实 现 ； 而 数 据 锁 存 与 驱 动 只 有 依 赖 硬件 电 路 来 实 现 。 结 合 上 面 讨 论 的 两 种 显 示 方 式 ：v 1 静 态 显 示 接 口 电 路v 2 动 态 显 示 接 口 电 路 1 静 态 显 示 电 路 静 态 显 示 方 式 的 关 键 是 多 个 LED需 与 多 个 I/O并 行 口相 连 ， 一 般 的 并 行 I/O口 如 8255A或 锁 存 器 只 具 备 锁 存 功能 ， 还 要 有 硬 件 驱 动 电 路 ， 再 配 以 软 件 译 码 程 序 。 目 前广 泛 使 用 一 种 集 锁 存 、 译 码 、 驱 动 功 能 为 一 体 的 集 成 电路 芯 片 ， 以 此 构 成 静 态 显 示 硬 件 译 码 接 口 电 路 。 如 美 国RCA公 司 的 CD4511B是 4位 BCD码 7段 十 进 制 锁 存 译 码 驱 动器 ， 美 国 MOTOROLA公 司 的 MC14495是 4位 BCD码 7 段 十六 进 制 锁 存 译 码 驱 动 器 。 下 面 以 CD4511B为 例 ， 说 明 其 接口 电 路 。 如 图 6-5所 示 。 dp g f e d c b a dp g f e d c b a dp g f e d c b a dp g f e d c b aPORT0BCAGGG BA1 Y0Y1 COM COM COM COMLED LEDLEDLED1 2 43AAAAA46523IOW 74LS138 +5VD0D4321DDDDDD567 PORT1 图 6-5 LED静 态 显 示 硬 件 译 码 接 口 电 路B ACDCD4511BU1 abcdefg B ACDCD4511BU2 abcdefg B ACDCD4511BU3 abcdefg B ACDCD4511BU4 abcdefgBLLTLE BLLTLE BLLTLE BLLTLE 2 动 态 显 示 电 路 动 态 显 示 接 口 电 路 的 关 键 是 由 两 个 I/O 并 行 端 口分 别 进 行 段 选 码 与 位 选 码 的 锁 存 ， 除 了 需 要 配 置 驱动 电 路 以 外 ， 译 码 扫 描 功 能 则 完 全 由 软 件 编 程 来 完成 。 图 6-6给 出 4个 LED组 成 的 动 态 显 示 软 件 译 码 接 口电 路 ， 4个 共 阴 极 LED显 示 器 的 段 选 线 对 应 并 接 ， 由一 片 8D触 发 器 74LS374（ U1） 进 行 段 选 控 制 ， 其 间 串有 8个 三 极 管 以 正 向 驱 动 LED的 阳 极 ， 此 可 称 为 段 选通 道 。 4个 LED的 端 由 另 一 片 74LS374（ U2） 进 行 位选 控 制 ， 其 间 接 有 达 林 顿 阵 列 驱 动 器 MC1413（ 内 含 7对 复 合 三 极 管 ） 以 对 LED的 阴 极 进 行 反 向 驱 动 ， 此 构成 了 位 选 通 道 。 图 6-6 LED动 态 显 示 软 件 译 码 接 口 电 路dp g f e d c b a dp g f e d c b a dp g f e d c b a dp g f e d c b aGNDOC 1413COMCLKU 2374 PORT7Y 7 BBBB CCCC1 12 234 43+5VD 1D 2D 30D 1Q 2Q 3Q 0QBCAGGG BA1 Y 0 YYYYYY124365CLKOC1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D0DD 1D 2D 3D 4D 5D 6D 70D 1Q 2Q 3Q 0Q 465QQQQ 7U 1374 COM COM COM COMLED LEDLEDLED 1 2 43+5VAAAAA 46523IOW 138 PORT0D 1D 2D 30D LED动 态 扫 描 流 程 图 如 图 6-7所 示 。 指 向 缓 冲 区 首 址取 显 示 位 指 针取 要 显 示 的 数将 数 变 为 段 选 码送 段 选 码 到 段 选 通 道送 位 选 码 到 位 选 通 道延 迟 一 定 时 间是 最 右 边 位 吗 ？YN 退 出修 改 缓 冲 区指 针 和 位 码 图 6 - 7 L E D 动 态 显 示 软 件 译 码 程 序 流 程 图 5.2 LCD液 晶 显 示 器n 引 言n 5.2.1 LCD显 示 器 结 构 原 理 n 5.2.2 LCD显 示 器 驱 动 方 式 n 5.2.3 段 位 式 LCD接 口 电 路 n 5.2.4 点 阵 式 LCD接 口 电 路 引 言 液 晶 显 示 器 LCD(Liquid Crystal Display )是 一 种 利 用 液 晶 的 扭 曲 /向 列 效应 制 成 的 新 型 显 示 器 ， 它 具 有 功 耗 极 低 、体 积 小 、 抗 干 扰 能 力 强 、 价 格 廉 等 特 点 ，目 前 已 广 泛 应 用 在 各 种 显 示 领 域 ， 尤 其 在袖 珍 仪 表 和 低 功 耗 应 用 系 统 中 。 LCD可 分为 段 位 式 、 字 符 式 和 点 阵 式 三 种 。 如 右 图所 示 。 图 数 字 万 用 表 5.2.1 LCD显 示 器 结 构 原 理 LCD(液 晶 显 示 器 Liquid Crystal Display的 英 文缩 写 )是 借 助 外 界 光 线 照 射 液 晶 材 料 而 实 现 显 示 的 被 动显 示 器 件 。 液 晶 是 一 种 介 于 液 体 与 固 体 之 间 的 热 力 学的 中 间 稳 定 相 ， 在 一 定 的 温 度 范 围 内 既 有 液 体 的 流 动性 和 连 续 性 ， 又 有 晶 体 的 各 向 异 性 。 5.2.2 LCD显 示 器 驱 动 方 式 LCD的 驱 动 方 式 一 般 有 直 接 驱 动 （ 静 态 驱 动 ） 和 多 极 驱动 （ 时 分 割 驱 动 ） 两 种 方 式 。 采 用 直 接 驱 动 的 LCD电 路 中 ，显 示 器 件 只 有 一 个 背 极 （ 即 下 玻 璃 电 极 基 板 ） ， 但 每 个 字 符段 都 有 独 立 的 引 脚 ； 而 多 极 驱 动 的 LCD电 路 中 ， 显 示 器 具 有多 个 背 极 ， 各 字 符 段 按 点 阵 结 构 排 列 ， 这 是 显 示 字 段 较 多 时常 采 用 的 驱 动 方 式 。 图 6-10为 段 位 式 7段LCD的 电 极 配 置 及 译 码驱 动 电 路 ， 7个 字 段 的几 何 排 列 顺 序 与 LED的“ 日 ” 字 型 相 同 。 A、 B、C、 D为 二 进 制 BCD码 的输 入 端 ， 译 码 器 的 7段输 出 a、 b、 c、 d、 e、 f、g引 脚 分 别 接 7个 字 段 驱动 电 路 的 控 制 端 Y， 公共 端 接 一 定 周 期 的 方 波信 号 。 图 7-15 7段 液 晶 显 示 器 译 码 驱 动 电 路abcdefg COMABCD 译 码 驱 动 LCD7段译码器a bcdfe g XYXY 5.2.3 段 位 式 LCD接 口 电 路 1、 硬 件 电 路 同 8段 LED数 码 管 一 样 ， 段 位 式 LCD与 CPU的 显 示 接口 电 路 也 有 多 种 。 我 们 仍 讨 论 上 文 的 直 接 驱 动 方 式 ，现 以 6位 LCD静 态 显 示 电 路 为 例 。 如 图 6-11所 示 ， 使 用单 片 机 的 一 个 8位 并 行 I/O口 作 为 译 码 驱 动 以 及 6片 BCD7段 译 码 驱 动 器 4056、 2片 4位 液 晶 显 示 驱 动 器 4054、 1片4-16译 码 器 4514和 1片 单 稳 多 谐 振 荡 器 4047， 就 组 成 了一 个 完 整 的 LCD显 示 接 口 电 路 。 P1.0 4514 +5VOUTRCRC4047K0010.047 F COM 图 7-16 6位 LCD静 态 显 示 电 路 A B C Dabcdefg4056 A B C Dabcdefg4056 A B C Dabcdefg4056P1.1P1.2P1.3 A B C Dabcdefg4056 A B C Dabcdefg4056 A B C Dabcdefg4056 I1 I2 I3 I4O1O2O3O44054 I1 I2 I3 I4O1O2O3O44054P1.4P1.5P1.6P1.7 ABCIBT S0S0S1S7S6S5S4S3D STR 单 片 机 DFST 5.2.4 点 阵 式 LCD接 口 电 路n 引 言n 1、 液 晶 模 块 接 线 原 理n 2、 液 晶 模 块 指 令 说 明n 3 软 件 初 始 化 n 4、 应 用 举 例 引 言 点 阵 式 LCD不 但 可 以 显 示 字 符 ， 而 且 可 以 显 示 各 种 图 形 及汉 字 。 把 点 阵 式 LCD与 配 套 或 选 定 的 驱 动 器 、 控 制 器 集 成 在 一起 ， 就 组 成 点 阵 式 图 形 液 晶 显 示 模 块 ， 控 制 器 的 种 类 很 多 ，比 如 日 本 东 芝 的 T6963, 日 立 的 HD61880,精 工 的SED1330/SED1335等 。 现 以 12864点 阵 式 LCD液 晶 显 示 模 块 为 例加 以 说 明 。 液 晶 显 示 模 块 12864主 要 由 行 /列 驱 动 器 及 128 64全 点 阵液 晶 显 示 器 组 成 。 内 部 含 有 国 标 一 级 、 二 级 简 体 中 文 字 库 和128个 16 8点 的 ASCII字 符 集 。 可 以 同 时 显 示 8 4个 （ 16 16点 阵 ） 汉 字 和 图 形 显 示 。 它 与 CPU的 接 口 连 线 可 采 用 并 行 或 串行 两 种 方 式 。 1、 液 晶 模 块 接 线 原 理 图 6-12 液 晶 模 块 与 单 片 机 并 行 连 接 原 理 图 图 6-12为 液 晶 模 块 与 单 片 机 的 并 行 连 接 原 理 图 ， 表 6-4为 其 引 脚 功 能 描 述 。引脚 引 脚 名 称 电 平 功 能 描 述1 VSS 0V 电 源 地2 VCC +5V 电 源 正3 VEE 05V 液 晶 显 示 器 驱 动 电 压 ， 用 来 调 整 液 晶 显 示 的 对比 度4 RS H/L RS=“ H” ,表 示 D7-D0为 显 示 数 据 ， RS=“ L” ,表 示 D7-D0为 控 制 指 令5 R/W H/L R/W=“ H” ,E=“ H” ,数 据 被 读 到 D7-D0，R/W=“ L” ,E=“ H L” ,D7-D0数 据 被 写 到 IR或 DR6 E H/L 使 能 信 号714 D0D7 H/L 数 据 线 15 BL_EN H/L 背 光 源 使 能16 BL_VDD 4.2V 背 光 源 电 压 2 液 晶 模 块 指 令 说 明 3 软 件 初 始 化 5 应 用 举 例 液 晶 字 符 显 示 的 RAM地 址 与 32个 字 符 显 示 区 域 有 着 一 一 对 应 的 关 系 ， 其对 应 关 系 如 表 6-6所 示 ， 应 注 意 其 排 列 类 似 于 隔 行 扫 描 。 使 用 时 还 应 注 意 以 下 3点 ： （ 1） 要 在 某 一 个 位 置 显 示 中 文 字 符 时 ， 应 先 设 定 显 示 字 符 位 置 ， 即 先设 定 显 示 地 址 ， 再 写 入 中 文 字 符 编 码 。（ 2） 显 示 ASCII字 符 过 程 与 显 示 中 文 字 符 过 程 相 同 。 不 过 在 显 示 连 续字 符 时 ， 只 须 设 定 一 次 显 示 地 址 ， 由 模 块 自 动 对 地 址 加 1指 向 下 一 个 字 符 位置 ， 否 则 ， 显 示 的 字 符 中 将 会 有 一 个 空 ASCII字 符 位 置 。（ 3） 当 字 符 编 码 为 2字 节 时 ， 应 先 写 入 高 位 字 节 ， 再 写 入 低 位 字 节 。 80H 81H 82H 83H 84H 85H 86H 87H90H 91H 92H 93H 94H 95H 96H 97H88H 89H 8AH 8BH 8CH 8DH 8EH 8FH98H 99H 9AH 9BH 9CH 9DH 9EH 9FH 例 如 在 第 3行 第 1、 2列 显 示 “ 液 晶 ” 两 个 中 文 字 符 时 ， 写 入 RAM的 地 址 应 为88H ,89H 。 具 体 过 程 如 下 ：首 先 ， 应 根 据 ST7920-BIG 5中 文 字 形 码 (不 同 的 液 晶 模 块 采 用 的 字 库 编 码 可 能 不同 ， 如 有 的 使 用 ST7920-G B简 体 中 文 字 型 )， 查 找 “ 液 ” 字 的 编 码 为 “ B247” , “ 晶 ” 字 的 编 码 为 “ B4B9” .在 进 行 了 软 件 初 始 化 后 ， 其 软 件 编 程 步 骤 如 下 ：步 骤 1: 令 RS， R/W为 低 电 平 ； (表 示 后 面 送 入 的 内 容 是 指 令 )步 骤 2: 送 88H 到 D7-D0； (设 定 显 示 的 位 置 ， 第 三 行 第 一 列 )步 骤 3: 令 RS为 高 电 平 ， R/W为 低 电 平 ； （ 表 示 后 面 送 入 的 内 容 是 数 据 ）步 骤 4: 送 B2H 到 D7-D0;（ 先 送 高 位 字 节 ）步 骤 5: 送 47H 到 D7-D0; （ 后 送 低 位 字 节 ， 显 示 “ 液 ” 字 ）步 骤 6: 令 RS， R/W为 低 电 平 ； (表 示 后 面 送 入 的 内 容 是 指 令 )步 骤 7: 送 89H 到 D7-D0； (设 定 显 示 的 位 置 ， 第 三 行 第 二 列 ) 步 骤 8: 令 RS为 高 电 平 ， R/W为 低 电 平 ； （ 表 示 后 面 送 入 的 内 容 是 数 据 ）步 骤 9: 送 B4H 到 D7-D0; （ 先 送 高 位 字 节 ） 步 骤 10: 送 B9H 到 D7-D0; （ 后 送 低 位 字 节 ， 显 示 “ 晶 ” 字 ） 5.3 图 形 显 示 器n 引 言n 6.3.1 图 形 显 示 器 概 述 n 6.3.2 图 形 显 示 画 面 引 言 除 了 小 型 控 制 装 置 采 用 数 字 显 示 的 LED和 LCD外 ，大 中 规 模 的 计 算 机 控 制 系 统 中 ， 图 形 显 示 器 已 是必 不 可 少 的 一 种 人 机 界 面 方 式 ， 它 能 一 目 了 然 地展 示 出 图 形 、 数 据 和 事 件 等 各 种 信 息 ， 以 便 操 作者 直 观 形 象 地 监 视 和 操 作 工 业 生 产 过 程 。 这 种 方 式 的 硬 件 接 口 技 术 十 分 成 熟 ， 其 显 示 器及 其 控 制 电 路 已 成 为 计 算 机 控 制 的 一 种 基 本 配 置 ，而 软 件 设 计 一 般 是 借 助 于 工 控 组 态 软 件 或 高 级 语言 如 VB、 VC等 来 完 成 的 。 5.3.1 图 形 显 示 器 概 述常 用 的 图 形 显 示 器 有 两 种 ： CRT显 示 器 和 TFT平 面 显 示 器 。 1、 CRT显 示 器 阴 极 射 线 管 CRT（ Cathod Ray Tube） 显 示 器 由 一个 图 形 监 示 器 和 相 应 的 控 制 电 路 组 成 。 在 工 业 计 算 机中 ， 插 入 一 块 VGA/TVGA图 形 控 制 板 即 可 实 现 功 能 很 强的 图 象 显 示 功 能 。 目 前 ， CRT显 示 方 式 因 其 硬 件 技 术 成熟 、 软 件 支 持 丰 富 、 价 格 比 较 低 廉 而 成 为 计 算 机 控 制系 统 中 应 用 最 多 的 一 种 图 形 显 示 技 术 ， 可 以 满 足 大 部分 工 业 控 制 现 场 的 一 般 性 需 要 。 5.3.2 图 形 显 示 画 面n 引 言n 1 总 貌 画 面 n 2 分 组 画 面 n 3 点 画 面 n 4 流 程 图 画 面 n 5 趋 势 曲 线 画 面 n 6 报 警 显 示 画 面 n 7 操 作 指 导 画 面 引 言 采 用 图 形 显 示 器 和 键 盘 作 人 机 接 口 终 端 , 可 以 直 观 形 象 地 监 视 和 操 作 工 业 生 产 过 程 。 所设 计 出 的 显 示 画 面 ， 既 要 反 映 出 整 个 生 产 的 工艺 流 程 ， 又 要 便 于 单 元 操 作 控 制 ； 既 要 有 实 时动 态 数 据 ， 又 要 有 历 史 记 忆 功 能 。 从 而 使 得 一台 图 形 显 示 终 端 完 全 替 代 传 统 的 仪 表 盘 及 其 盘面 上 的 调 节 器 、 指 示 仪 、 记 录 仪 、 报 警 仪 、 模拟 屏 以 及 开 关 按 钮 、 指 示 灯 等 。 n 早 期 的 系 统 设 计 者 是 用 汇 编 语 言 来 编 写 画 面 程 序的 ， 后 来 多 采 用 功 能 强 大 的 高 级 语 言 ， 现 在 的 控 制厂 商 陆 续 推 出 了 人 机 对 话 式 的 系 统 组 态 软 件 ， 诸 如美 国 的 Intouch、 Fix和 德 国 的 Wincc， 国 内 的 组 态 王 、力 控 、 MCGS和 Controx等 。 利 用 这 些 专 用 组 态 软 件可 以 方 便 地 组 态 成 各 种 需 要 的 显 示 画 面 。n 常 用 的 显 示 画 面 有 总 貌 画 面 、 分 组 画 面 、 点 画面 、 流 程 图 画 面 、 趋 势 曲 线 画 面 、 报 警 显 示 画 面 、操 作 指 导 画 面 等 等 。 n 当 被 控 量 或 控 制 回 路 较 多 时 ， 操 作 员 要 逐 个 地 监 视 判 断 各过 程 参 数 是 否 正 常 ， 并 据 此 对 控 制 回 路 进 行 操 作 是 很 困 难 的 。为 此 ， 在 总 貌 显 示 画 面 上 用 颜 色 、 闪 光 或 音 响 来 最 大 限 度 地 显示 出 多 个 控 制 回 路 的 运 行 状 态 。n 图 6-14 给 出 一 个 中 央 空 调 控 制 系 统 的 总 貌 画 面 ， 用 棒 状图 表 示 控 制 回 路 的 偏 差 ， 用 小 方 块 指 示 控 制 回 路 的 报 警 状 态 ，每 个 棒 图 或 方 块 的 颜 色 表 示 1个 工 位 点 （ 参 数 ） ， 一 般 8个 工 位点 为 一 组 ， 每 幅 画 面 可 显 示 约 40个 组 、 320个 点 。 如 此 ， 就 有可 能 把 整 个 大 型 控 制 系 统 的 几 百 个 参 数 集 中 显 示 在 一 、 二 个 画面 上 。 1 总 貌 画 面 v 总 貌 显 示 画 面 中 的 每 一 组 即 8个 工 位 点 ， 对 应 一幅 分 组 画 面 ， 如 图 6-15所 示 。 以 棒 图 或 方 块 方 式 同 时显 示 8个 PID控 制 回 路 或 开 关 状 态 ； 用 数 字 、 光 柱 表 示被 控 量 PV、 给 定 值 SP、 偏 差 量 DV和 控 制 量 OUT； 用 文字 表 示 回 路 的 的 工 位 号 或 名 称 以 及 运 行 状 态 ， 如 自 动AUT、 手 动 MAN、 串 级 CAS等 。v 在 分 组 画 面 上 ， 操 作 员 可 对 控 制 回 路 进 行 必 要 的操 作 ， 如 改 变 SP、 OUT、 AUT、 MAN等 。 此 时 ， 操 作 员可 把 每 个 显 示 回 路 当 作 一 台 虚 拟 的 仪 表 调 节 器 来 操 作， 所 以 分 组 画 面 也 称 为 控 制 画 面 。 2 分 组 画 面 v 分 组 显 示 画 面 中 的 每 一 个 工 位 点 ， 对 应 一 幅 点 显 示画 面 ， 如 图 6-16所 示 。 以 棒 图 、 曲 线 、 文 字 三 种 方 式 显示 该 PID控 制 回 路 的 各 种 参 数 ， 如 被 控 量 PV、 给 定 值 SP、偏 差 量 DV和 控 制 量 OUT、 比 例 带 P、 积 分 时 间 I、 微 分 时间 D等 ； 并 用 PV、 SP和 OUT三 条 趋 势 曲 线 表 示 回 路 的 运 行状 态 。v 在 点 画 面 上 ， 操 作 员 可 对 该 PID控 制 回 路 的 各 种 参数 进 行 调 整 ， 所 以 点 画 面 也 称 单 回 路 显 示 画 面 或 调 整画 面 3 点 画 面 v 原 来 的 仪 表 控 制 系 统 的 仪 表 盘 上 方 都 有 一 块 用 实 物 模 型和 发 光 体 来 模 拟 生 产 流 程 的 大 型 模 拟 屏 ， 以 给 操 作 人 员 直 观形 象 的 视 觉 。 与 此 类 似 ， 计 算 机 控 制 系 统 则 用 流 程 图 画 面 来进 行 模 拟 显 示 。v 流 程 图 画 面 是 用 各 种 图 素 、 文 字 和 数 据 等 组 合 而 成 ， 在一 个 画 面 上 显 示 出 所 有 装 置 回 路 的 图 示 状 况 和 工 艺 流 程 ； 除静 止 画 面 外 ， 还 有 色 彩 、 闪 光 、 图 形 和 文 字 连 续 变 化 的 动 态画 面 标 记 出 各 个 参 数 的 实 时 状 态 ， 给 人 以 总 揽 全 局 且 身 临 其境 的 感 觉 。4 流 程 图 画 面 图 6-17为 一 个 中 央 空 调 水 冷 控 制 系 统 的 工 艺 流 程模 拟 图 。 画 面 上 十 分 形 象 地 展 示 出 水 塔 、 水 泵 、 冷 凝器 、 蒸 发 器 、 压 缩 机 、 风 机