CC BY
42Особенности работы с ЖКИ дисплеем
NOKIA 5110
А.Ю. Ивойлов, В.А. Жмудь, А.В. Ескин, В.Г. Трубин ФГБОУВПО НГТУ, Новосибирск, Россия
Аннотация: Рассматривается основные вопросы возникающие при работе с ЖКИ дисплеем Nokia 5110 на примере модуля ввода-вывода информации на базе отладочной платы STM32VLDISCOVERY. 1
Ключевые слова: Микроконтроллер, STM32, STM32DISCOVERY, NOKIA 5110, Модуль ввода-вывода.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время повсеместное применение получила цифровая техника и оборудование. От бытовых приборов, таких как электронные часы, цифровой термометр, ПК или сотовый телефон до промышленных систем управления
производством и космических технологий. Во всех этих системах требуется обмен информацией с пользователем или оператором. Осуществляется этот обмен посредством устройств ввода и вывода информации.
В недалеком прошлом основным устройствами отображения информации на производстве являлись индикационные элементы, такие как светодиоды, а так же семисегментные индикаторы. Сегодня широкое распространение получили жидкокристаллические дисплеи. Небольшие размер и энергопотребление позволяют применять их в самых различных системах. С помощью ЖК-дисплея возможно организовать удобный интерфейс управления системой и обеспечить лучшее отображение различного вида графической информации, от текстовых и числовых данных до различных графиков и схем.
Зачастую в электронных устройствах применяются законченные модули ввода-вывода. Такие модули содержат блок индикации, реализованный на светодиодах или ЖКИ дисплея, блок ввода информации и управляющий микроконтроллер. В данной статье описывается создание и работа модуля ввода-вывода информации на базе отладочной платы STM32VLDISCOVERY и ЖКИ дисплея Nokia5110.
ДИСПЛЕИ ]]ОК1А5110
Основные характеристики
Для начала необходимо рассмотреть характеристики дисплея, на основе которого делается модуль ввода-вывода. Это монохромный ЖК-дисплей с разрешением экрана 84х48 точек. Управляется встроенным драйвером РСБ8544. В дисплей так же встроены генераторы напряжения питания и напряжения смещения ЖК-элементов, светодиодная подсветка. Интерфейс ввода информации - БР1. Дисплей может работать в четырех режимах: нормальный, инверсия изображения, пустой экран, «все точки включены». Так же пользователю доступно управление температурным режимом,
напряжением питания и смещения. Основные электрические параметры приведены ниже. Более подробную информацию можно получить из документации на дисплей [1].
напряжение питания: 2,7 - 3,3В; ток: до 320мкА; частота тактирования: до 4Мгц; время сброса: не менее 100нс; температурный диапазон: -25 - +70 оС.
Структура дисплея
Дисплей представляет собой матрицу ЖК-элементов и драйвер для их управления, размещенные в одном корпусе, который крепится к плате. На ней так же размещены четыре светодиода подсветки экрана. Внешний вид дисплея представлен на рисунке 1.
1 Работа выполнена по заданию Министерства образования и науки РФ, проект №7.599.2011, Темплан, НИР № 01201255056.
Рис. 1 - Внешний вид дисплея NOKIA 5110
Блок схема встроенного контроллера дисплея представлена на рисунке 2.
Рис.2 - Блок-схема дисплея
Как видно из блок-схемы, информация о состоянии точек дисплея хранится в оперативной памяти контроллера, каждой точке соответствует один бит памяти. Так же встроен счетчик адреса, который автоматически увеличивается при записи очередного байта информации в память. Подробнее об управлении дисплеем будет сказано в разделе Команды управления.
Особенности управления
Управление дисплеем осуществляется по интерфейсу SPI, дисплей является ведомым устройством. Однако, вместо обычных четырех линий управления в этом дисплее присутствуют лишь три. Это линия тактирования CLK, линия выбора кристалла SCE и линия входных данных MOSI. Линия выходных данных MISO отсутствует. Эта особенность приводит к необходимости применять специальные методы управления, подробнее об этом будет сказано ниже. Работает интерфейс в режимах SPI-0 или SPI-3. В дисплее присутствует также дополнительная линия управления Информация /Команда - D/C. Каждый байт, передаваемый в дисплей, может быть интерпретирован или как слово команды, или как информационный байт, в зависимости от уровня напряжения на линии D/C. Теперь рассмотрим особенности, связанные с
управлением дисплеем.
Как уже было сказано выше, первая особенность состоит в том, что в SPI-интерфейсе отсутствует линия MISO. Это означает, что передача информации однонаправленная, и считать данные из памяти и регистров дисплея невозможно. Поэтому, в программе необходимо предусмотреть возможность контролировать состояния дисплея. Однако, есть еще одна особенность, которая существенно усложняет управление. Эта особенность связано с организацией памяти дисплея. На рисунке 3 приведена структура памяти. Память состоит из шести банков, в каждом из которых находится 84 ячейки емкостью один байт. Это означает, что запись информации в память осуществляется побайтно, а не побитно, и, следовательно, нет возможности управлять каждой точкой в отдельности, а лишь группами по восемь точек. Это в сочетании с тем, что информация из памяти дисплея не может быть считана, приводит к тому, что перед отправкой необходимо запоминать, какие данные в какой ячейке хранятся. В противном случае при отправке новых данных в дисплей можно потерять информацию. Эту особенность иллюстрирует рисунок 4. Поэтому, при написании управляющей программы необходимо
предусмотреть возможность хранения данных.
Рис. 3 - Внешний вид дисплея NOKIA 5110
Рис. 4 - Пояснение к работе дисплея. Замена символа «Л» на символ «А » Например, можно использовать в качестве промежуточной памяти память управляющего контроллера, в которой будет храниться копия данных в дисплее. Перед отправкой необходимо корректировать данные, в зависимости от того, какая информация хранится в промежуточной памяти. Именно такой подход был реализован
при написании библиотеки дисплея. Подробнее о ней будет сказано в разделе Программная часть.
Команды управления
Управление дисплеем осуществляется путем отправки командного слова в дисплей. Размер слова - 1 байт. Все команды управления разделены на две категории - функции управления, основные функции и расширенные функции. Ниже приведен список функций дисплея и краткое описание каждой их них.
Функции управления Установить тип функций
Устанавливает, с каким типом функций работает будет работать дисплей - основными или расширенными. Установить режим питания Включает или отключает питание дисплея. Установить режим адресации Определяет тип адресации памяти -вертикальный или горизонтальный. В первом случае после записи байта данных будет увеличен счетчик У-адреса, то есть, запись будет идти по столбцам. Во втором - счетчик Х-адреса, запись будет идти по строкам.
Основные функции Установить режим отображения Определяет режим отображения информации дисплеем - пустой экран, все точки экрана включены, нормальное отображение информации, инверсное отображение информации. Установить Х-адрес
Устанавливает Х-адрес ячейки, куда будет записан следующий байт. Установить У-адрес
Устанавливает У-адрес ячейки, куда будет записан следующий байт.
Расширенные функции Установить температурный режим Определяет температурный режим дисплея Установить напряжение смещения Определяет напряжение смещения ЖК-элементов дисплея.
Установить напряжения питания
Определяет напряжение питания ЖК-элементов
дисплея.
Три функции управления определяются одним командным словом. Это слово необходимо отправить в дисплей в начале работы с ним. Формат слова следующий:
0 0 1 0 0 РБ V Н Где бит РБ определяет режим питания, бит V -режим адресации, бит Н - тип функций, с которыми будет идти дальнейшая работа -основные или расширенные. Как видно, необходимо запоминать текущее состояние дисплея, чтобы при установке нового значения какого-либо одного параметра не потерять информацию о значениях других.
Работа с основными и расширенными функциями проще, поскольку каждой из них соответствует отдельное командное слово.
Необходимо только помнить, что для работы с определенным типом функций необходимо перевести дисплей в режим работы с этим типом функций. Иначе отправка слова команды приведет к некорректному выполнению этой команды. Более подробную информацию о командах управления можно получить в документации на дисплей со страницы 11 [1].
АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ
Семейство отладочных плат 8ТМ32
Компания БТМкгоекс^оп^ наряду с микроконтроллерами выпускает также и отладочные платы для них. На данный момент существуют платы для четырех семейств микроконтроллеров: БТМ32Нхх, БТМ32Г2хх, БТМ32Г3хх и БТМ32Г4хх. Использование этих плат позволяет изучить возможности каждого семейства, выработать методику написания программ для той или иной периферии микроконтроллера. На платах помимо микроконтроллера установлены отладчик-программатор БТ-Ыпк, светодиоды, датчики, внешняя память и другие устройства. 8ТМ32УЬБКСОУЕКУ В устройстве используется отладочная плата для микроконтроллера БТМ32Г100ЯБТ6Б. Загрузка программы осуществляется с ПК через ИББ-интерфейс. Непосредственно в контроллер программа загружается через БТ-Ыпк. Помимо контроллера плата содержит следующие элементы [2]:
• микросхема загрузки и отладки БТ-Ыпк;
• ШБ-разъем;
• выводы для внешнего источника питания 5В и 3,3В;
• кнопка сброса;
• пользовательская кнопка;
• пользовательские светодиоды;
• кварцевый резонатор на 8МГц Внешний вид платы представлен на рисунке 6.
Рис 6 - Внешний вид отладочной платы 8ТМ32УЬБ18СОУЕЯУ
Общая схема модуля
Для подключения дисплея используются восемь выводов. Схема подключения и назначение выводов приведены ниже.
Согласно технической документации ток потребления дисплея не превышает 320 мкА, а максимально допустимый ток вывода микроконтроллера составляет 20 мА. Измерение величины тока светодиодной подсветки дают величину около 6мА. Следовательно, все выводы дисплея можно напрямую подключить к выводам микроконтроллера. Вывод сброса следует «подтянуть» к земле. Схема подключения дисплея к плате приведена на рисунке 7.
Рис. 7 - Схема подключения дисплея к плате ПРОГРАММНАЯ ЧАСТЬ
Структура библиотеки
Для работы с дисплеем была написана библиотека на языке С++. В данной библиотеке определен класс дисплея. В качестве свойств класса использовались переменные, в которых хранятся данные о текущем состоянии дисплея, а так же массив, в котором хранится копия данных в ОЗУ дисплея. Необходимость такого подхода была обоснована в разделе Особенности управления дисплеем. Методы класса были разделены на две категории - вспомогательные и основные. Вспомогательные методы реализуют инициализацию дисплея, отправку данных по БР1 и другие служебные функции. Основные же методы реализуют отображение графической информации трех типов: текстовая, растровая и векторная графика. Ниже более подробно описана реализация этих трех типов графики.
Векторная графика
На рисунке 8 представлен пример отображения векторной графики. Реализован вывод четырех типов фигур: точки, линии, эллипса и прямоугольника. Вывод точки осуществляется достаточно просто. Сначала по заданному у-адресу определяется бит внутри байта, который соответствует точке на экране, затем вычисляется х- и у-адреса ячейки памяти, куда будет отправлен байт. Перед отправкой необходимо дополнить полученный байт битами, которые соответствуют точкам экрана из той же
ячейки, чтобы не потерять информацию о них.
Линия выводится путем вычисления координат точек, из которых эта линия состоит, и вывода на экран этих точек. Однако необходимо учесть одно обстоятельство. Чтобы в линии не было разрывов, необходимо предварительно вычислить угол ее наклона. В случае, если он меньше 45 градусов, необходимо задавать х-координаты и вычислять соответствующие им у-координаты точек. В противном случае все делается наоборот.
Прямоугольник формируется путем вывода четырех линий. Для эллипса использован следующий подход. Перед выводом точке ее координаты проверяются вхождение в область, которая описывается уравнением эллипса. Если координаты попадают в эту область, точка выводится, иначе - нет. В случае, если эллипс или прямоугольник имеет не пустой фон, алгоритм этот несколько усложняется.
Рис. 8 - Пример отображения векторной
графики Растровая графика
В режиме растровой графики реализован вывод изображения, размером 84х48 точек. Делается это путем побайтного заполнения памяти дисплея информацией, соответствующей точкам этого изображения. На рисунке 9 приведен пример отображения растровой графики.
Рис. 9 - Пример отображения растровой графики
Тестовая информация
Вывод текстовых символов реализован так же, как и вывод растрового изображения, с той лишь разницей, что размер его много меньше -всего 8 на 6 точек. Этот размер един для всех символов, что удобно. Единственная особенность возникает при отображении символов, где есть подстрочные элементы, такие как «Ц» или «Щ». Они по отношению к остальным как бы сдвинуты на одну точку вверх. Поэтому при выводе строки необходимо эти символы смещать на одну точку вниз. В библиотеке реализована функция вывода строки, этот сдвиг производит автоматически. На рисунке 10 приведен пример отображения текстовой информации.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Philips Semiconductors PCD8544 48 x 84 pixels matrix LCD controller/driver [Электронный ресурс]. - Режим доступа :
https://www.sparkfun.com/datasheets/LCD/Monochr ome/Nokia5110.pdf
[2] Официальный STMicroelectronics STM32VLDISCOVERY STM32 value line Discovery [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/user_ manual/ CD00267113 .pdf
Ивойлов Андрей Юрьевич -
магистрант кафедры Автоматики факультета АВТ НГТУ E-mail: iau13hv@mail.ru
Рис. 10 - Пример отображения тестовой информации
Алексей Викторович Ескин -
ведущий инженер ООО «КБ Автоматика»,
E-mail: kba-elma@bk.ru
ВЫВОДЫ
• ЖКИ является простым по подключению и управлению устройством. Он может применяться в различных системах как устройство отображения
недорогое информации. Разработана отображение информации
библиотека, реализующая на ЖКИ различной - текстовой, а так же растровых и векторных изображений. С помощью отладочной платы STM32VLDISCOVERY можно создать макет устройства на основе контроллера STM32 в небольшие сроки. Макет позволяет отработать алгоритм управления, реализацию
функциональных возможностей
будущего устройства перед созданием его окончательной версии.
Вадим Аркадьевич Жмудь -
заведующий кафедрой Автоматики НГТУ, профессор, доктор технических наук, автор более 200 научных статей, включая 10 патентов и 6 учебных пособий. Область научных интересов и компетенций - теория
автоматического управления,
электроника, лазерные системы, оптимизация, измерительная техника. E-mail: oao_nips@bk.ru
Виталий Геннадьевич Трубин - зав. лаб. кафедры Автоматики НГТУ, директор ООО «КБ Автоматика». Автор 18 научных статей. Область интересов - разработка специализированной электроники. E-mail: trubin@ngs.ru
