基于MSP430单片机的FED点阵汉字显示软件设计

基于MSP430单片机的FED点阵汉字显示软件设计
苏鹏飞; 杨延宁; 王凯; 张雄
【期刊名称】《《电子设计工程》》
【年(卷),期】2019(027)017
【总页数】4页(P127-130)
【关键词】场发射显示器; MSP-EXP430G2; 点阵显示; TCA6416A
【作者】苏鹏飞; 杨延宁; 王凯; 张雄
【作者单位】延安大学网络信息中心陕西延安716000; 延安大学物理与电子信息学院陕西延安716000
【正文语种】中文
【中图分类】TN27; TN702
目前，市场上主流的液晶显示器（LCD）与等离子体显示器（PDP）的显示效果与传统的CRT显示效果相比，有图像质量差、分辨率低等不足等问题，而场致发射显示器（FED）具有构造简单、色彩度好和发光效率高等特点，可以达到CRT级别的显示效果，同时又兼具LCD和PDP灵巧轻便的特点，FED正在逐步成为研究领域的热门，具有广阔的市场前景[1]。

FED显示器由显示屏和驱动电路两部分组成，目前，FED的研究中，阴极发射体材料及结构的研究比较成熟，国内外对FED驱动电路的研究相对较少。

平板显示器中，必须辅之优秀的驱动技术和电路才能弥补显示屏的固有不足，才能在不改变显示屏结构的情况下大幅度地提高显示
器的显示质量。

研究表明，在FED整机中驱动电路占有很大比重的成本，优秀驱
动电路能够满足低电压工作条件、从而降低故障隐患并且降低整机成本。

平板显示器一般由显示屏和驱动电路组成，驱动电路的设计在很大程度上依赖于显示屏的显示单元结构、显示电极引出方式及驱动方法和驱动波形的选择等。

因此，在FED，驱动电路的研究具有重要的现实意义。

FED的驱动电路包括硬件和软件部分，硬
件电路技术相对简单，目前有多种成熟的方案，而软件设计需要借助新型的器件与编程语言，比较常见的有采用51系列单片机的设计方法，由于MSP430系列单
片机有着更优良的性能，我们针对FED的特点设计了一种基于MSP430单片机的FED点阵汉字显示软件。

1 FED点阵显示原理
FED的构造较为简单，显示原理[2]与传统的CRT显示原理近似，即电子在真空中受电场力的作用从阴极的表面逸出，受电场力的作用运动到屏上与荧光粉发生碰撞，致使荧光粉发光。

在计算机中所有的数据都是以二进制的方式储存并以高低电平的方式体现出来，在点阵显示电路中电平的高低决定点阵中像素的亮灭[3]。

不同的
汉字显示则是通过I/O口输出不同的TTL电压以控制像素点的亮灭显示实现的。

通常显示一个汉字需要256个像素点，即16×16的点阵，现实情况下，不可能为每一个像素点分配一个单片机的Pin，可以借助对点阵显示电路设置16行、16列的驱动电路来完成。

点亮电路中每一个像素点都需要电路的行驱动和列驱动配合完成，即行驱动为高且列驱动为低的同时作用于像素点才能使其点亮。

通过点阵汉字提取软件，可以获得汉字显示的地址段，然后配置不同I/O的输出和扫描时间就
可以进行一次完整的扫描。

利用人的视觉神经每秒只能处理25张以下图片的这一特性，将每秒扫描的次数设置为25次即可使人们观察不到逐行的动态扫描，展现出来的就是一个完整且稳定的汉字。

2 方案设计
以MSP-EXP430G2作为主控芯片，由于该型号的单片机I/O口数量有限，所以用TCA6416A芯片对单片机引脚进行扩展，将单片机3个引脚的串行数据转为16位的并行数据作，为点阵显示电路的行驱动。

然后，用译码器对I/O口编码，从而选定FED点阵的列数用于列驱动。

最后，成功的实现了16×16的FED点阵字符的动态显示。

该方案提高了驱动电路的整体性能，也为场致发射显示器的软件设计提供了新的解决方法。

设计原理框图如图1所示。

图1 设计原理框图
3 驱动芯片和TCA6416A芯片
FED汉字点阵显示的关键需借助软件的程序设计完成，目前大部分软件设计都是通过keil平台开发的51系列单片机控制模块编程实现[4-5]，该模块功能简单，电路复杂，逻辑繁琐且处理芯片具有速度慢、功耗大等一系列缺点。

为此，我们采用、具有高速计算能力、体积小，处理能力强、超低功耗等优点的控制模块MSP430[6]系列单片机。

考虑到FED的特点和成本效益，选择MSP-EXP430G2单片机作为驱动芯片。

该单片机有20个引脚，16位RISC架构，8通道10位ADC采集模块，引脚1连接到 1.8～3.6 V电源，引脚20接地。

由于MSPEXP430G2单片机I/O口较少，考虑到FED的显示特点，所以不能做到
16×16个行列驱动都分配一个Pin来控制LED灯的亮灭。

因此，行驱动电路[7-8]的设计借助德州仪器生产的TCA6416A芯片完成，它是一个基于I2C协议下[9]、具有16位寄存功能的I/O口扩展器。

只需3个Pin就可以将动态数组以串行的方式发送到扩展器中，然后扩展器以并行发送的方式进行输出，不仅节省了并行发送方式下单片机Pin的使用数量，同时也提高了引脚的工作效率。

3个Pin分别为单片机的P1.0、P1.1和P1.2，P1.0是一个负责移位的时钟，每当P1.0产生一个上升沿时，P1.1串行数据输出就会在扩展器中右移一位。

第16位数据发送到扩展器的同时，P1.2就会发送一个锁存信号将扩展器中16位数据并行释放。

而列驱动
[10]的作用是选择FED点阵扫描的行数，也就是决定一行16位的数组输出在哪一行上。

74HC154是一款高速CMOS器件，引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。

74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入，并提供16个互斥的
低有效输出，其两个输入使能门电路可用于译码器选通，以消除输出端上的通常译码“假信号”，也可用于译码器扩展。

该使能门电路包含两个“逻辑与”输入，必须置为低以便使能输出端。

所以由4线-16线译码器（74HC154）组成的列驱动
电路，只需4个Pin即可控制16行的列选择。

通过每一行的数据和列的选择，就可以得到16×16点阵中每一个点，起到精确的控制作用。

使用德州仪器生产的TCA6416A芯片，该芯片基于I2C协议下、具有16位寄存功能的I/O口扩展器，利用I/O口扩展器引入全新的逻辑算法，大大减少了外围电路器件，降低了控制
电路功耗，同时又提升了汉字点阵显示的扫描效果。

4 FED点阵汉字显示软件设计
4.1 程序的开发环境
程序的编写和调试均基于具有集成开发环境的Code Composer Studio（CCS）[11]下实施，德州仪器公司设计的CCS是一套可用于调试嵌入式程序的工具。

它
可以为程序的编写者提供清晰的编写环境、逻辑的仿真和程序烧录等各种功能。

CCS界面清晰、简洁，代码的编写编译、运行以及下载均可在该程序中完成，相
比编写51单片机的keil软件更加快捷方便。

尤其是独具特色的在线调试功能，单片机运行时内部寄存器的数值变化、代码的运行等情况可以更加直观的呈现在编写者面前。

丰富的库函数使程序编写更加的灵活和便捷，强大的工程管理界面使人们对工程的管理和移植变得更得心应手。

CSS工作界面如图2所示。

图2 CCS的工作界面
4.2 点阵汉字生成
汉字点阵的提取[12]软件有很多，此次设计采用的是采用的是字模提取V2.1。

在
模式选择下选择16×16点阵显示，在输入汉字框内输入想要的汉字，即可在窗口显示出想要的点阵汉字。

同时这个汉字的地址段也会以十六进制的方式一一列举出来，复制这些地址段到程序中，预存在静态数组当中方便调用。

通过代码的编写控制单片机的I/O口即可得到所需的汉字。

汉字点阵提取软件界面如图3所示。

图3 汉字点阵提取软件界面
4.3 程序设计流程
单片机启动，对电路进行初始化配置[13-14]，需要被显示的16×16汉字的地址段已经提前编写在静态数组中。

将第一行16位行数组通过P1.0、P1.1、P1.2逐个发送到TCA6416A I/O口扩展器。

每当16位数据发送完成的同时，用于控制列选择的74HC154译码器置0。

然后列选择和列数据并行输出，完成首行LED矩阵的显示。

随后数组加1，进行第二行数组的发送，第16位数组发送完成的同时154译码器置1，完成第二行FED点阵的显示。

以此类推，直到第16行数组发送完毕，154译码器置15，完成一次完整的扫描。

软件设计[15]流程如图4所示。

图4 软件设计流程图
5 FED点阵汉字的显示效果
FED点阵显示控制电路的软件程序采用C语言编写，在CCS上编译运行和调试后通过软件内部的下载程序下载MSP-EXP430G2单片机中。

将MSPEXP430G2单片机安置于搭建的最小系统和FED显示点阵外围电路中，从而实现通过行扫描和列驱动来控制16×16点阵汉字显示的硬件电路。

16×16点阵汉字显示效果如图5所示。

图5 16×16点阵汉字显示效果
以LED 16×16点阵显示电路为平台，对FED点阵显示电路软件设计的逻辑功能进行了验证。

实验结果表明：FED点阵显示电路每行的扫描延时为100 μm，单次完整扫描控制在20 ms以下，运用MSP-EXP430G2系列单片机控制的点阵显示
电路，扫描速度快，且占用I/O口少，用来控制16×16的FED点阵显示电路，扫描速度更快，显示效果更佳[17-18]。

在实际生活中具有广泛的应用价值。

6 结论
MSP430系列单片机运用编程、调试、烧录集一体的CCS平台，可以使程序的编写逻辑更加清楚，单片机运行可视化高，调试方便。

本次汉字显示软件设计中，系统电路简单，编程容易，如需显示其他字符，只需更改程序中的字符编码，对系统进行扩展，但显示原理和编程方法都是类似的，可为实际应用系统设计提供参考，具有一定的实用价值。

由于在点阵显示电路中创新性地使用了I/O口扩展芯片，
比较好地满足了电路对汉字点阵显示的要求。

这种方法也为I/O口不足的单片机
在设计中提供了一种全新的解决思路。

基于MSP430单片机的FED点阵汉字显示软件设计为FED的开发提供了一个全新平台。

【相关文献】
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