（信号与信息处理专业论文）基于i2c总线的头盔显示器驱动系统的设计.pdf

基于i2 c 总线的头盔显示器驱动系统的设计 学科：信号与信息处理 研究生签字： 量；飘f 指导教师签字：孑媳文 于两要 头盔显示器( h e a dm o u n t e dd i s p l a y ，h m d ) 是一种典型的微型显示器，应用前景广 阔。薄膜晶体管液晶显示器( t f t - l c d ) 是一种反射式微型液晶显示器，非常适合在微显示 系统尤其是h m d 中的应用。 人们对h m d 的研究始于上个世纪6 0 年代初。从事h m d 研发和生产的厂商约有4 0 家，主要集中在欧美和日本。头盔显示器在开发中涉及整个元件的设计、制造到光学系统 的整合，有较高的技术门槛，并且由于头盔中特定空间等因素，h m d ( 头盔显示器) 的 价格不菲。考虑到国内市场目前对头盔显示系统需求量的增加。因此，我们首先要解决的 问题就是在不明显降低显示质量的基础上降低系统造价。本论文的工作就是以a t 8 9 s 5 2 为控制器，整个系统基于1 2 c 总线的设计模式，为头盔显示系统的普及做应用研究。 文中首先详细介绍了h m d 的概念，回顾了h m d 技术的发展和面临的问题；接着概 述了液晶显示原理方面的基本知识，介绍了无源矩阵的静态驱动和动态驱动；然后详细论 述了1 2 c 的结构和工作原理，并以此为基础选定了系统组成方案，完成了硬件平台的搭建， 设计了显示系统软件；最后，得出了结论，分析了试验数据。 硬件设计主要是根据课题中所选择的1 3 英寸t f l r 液晶屏，选定了系统组成方案， 搭建信号处理模块，液晶显示模块，时钟芯片模块，供电模块，锁相环模块以及单片机和 上位机之间的通信接口电路。本系统采用a t e m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 芯片作为系统的控制 器，主要完成对系统各个模块的控制以及通过u a r t 端口与上位机进行通信。系统其他 模块根据系统要求采用s o n y 公司的专用集成芯片。软件编程大致分为两个部分：第一， 为满足系统要求，使用c 5 1 语言在k e i lc 5 1v 7 0 9 集成开发环境中编写系统主程序；第 二，为方便调试，在p c 机中的w i n d o w s 工作环境下，用v b 6 0 编写上位机程序，实现 串口通信。 本系统通过v g a 接口与计算机显卡输出相连接，将计算机输出的图像显示在 1 0 2 4 x 7 6 8 分辨率的单色小液晶板上。 关键词：头戴显示器；1 2 c 总线；液晶；专用集成芯片 t h ed e s i g no fh m dd r i v e rs y s t e mb a s e do nt h e1 2 cb u s d i s c i p l i n e ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： d l i q8 沁 j s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：卧叼从fw e a b s t r a c t h e a dm o u n t e dd i s p l a y ( h m d ) i so n ek i n do ft y p i c a lm i c r od i s p l a ya n di t sa p p l i c a t i o n p r o s p e c ti sv e r yb r o a d t h i nf i l mt r a n s i s t o rl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( t f t l c d ) i sa r e f l e c t i o no f m i c r o - l c d ，a n di ti sv e r ys u i t a b l et ob eu s e di nm i c r od i s p l a ys y s t e m s ，e s p e c i a l l yi nh m d p e o p l eb e g a nt or e s e a r c hh m df r o m1 9 6 0 s t h e r ea r em o r et h a nf o r t yc o m p a n i e st h a t p r o d u c ta n ds a l eh m d ，a n dm o s to ft h e ma r ei na m e r i c a ，e u r o p ea n dj a p a n h m di nt h e d e v e l o p m e n tp e r i o d , i n v o l v e do ft h ec o m p o n e n t sd e s i g n ，m a n u f a c t u r et oo p t i c a ls y s t e m i n t e g r a t i o n ，s oi th a sah i g h e rt e c h n i c a lt h r e s h o l d ，a n db e c a u s eo ff a c t o r ss u c ha ss p a c eo f h e l m e t s ，h m d se x p e n s i v e a tp r e s e n t ，t h i n k i n go ft h e r eh a sa l li n c r e a s ed e m a n do fh e l m e t d i s p l a yi nt h ed o m e s t i cm a r k e t t h e r e f o r e ，w em u s tl o w e rt h ec o s tw i t h o u td e c r e a s i n gt h e d i s p l a yq u a l i t ya p p a r e n t l y t h i sp a p e rf o c u s e do n a t 8 9 s 5 2a st h ec o r ec o n t r o l l e r ，u s i n ga g r o u p o fa s i co fs o n y c o m p a n y st om a k eu po ft h es y s t e mm o d u l e s t h ee n t i r es y s t e mi sb a s e do n t h e1 2 cb u s ，h e l m e td i s p l a ys y s t e mf o rt h ep o p u l a r i t yo fd o i n ga p p l i e dr e s e a r c h f i r s t l y ，t h i s t h e s i si n t r o d u c e st h ec o n c e p to fh m d ，r e c a l l e dt h eh m dt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta n dt h ep r o b l e m sw h i c hf a c e d ；o u t l i n e dt h eb a s i ck n o w l e d g eo fl c d ，i n t r o d u c e s s t a t i ca n dd y n a m i cd r i v eo fp a s s i v em a t r i xa n dt h e nd i s c u s s e s1 2 cs t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l ei nd e t a i l ，c o m p l e t e dt h eh a r d w a r ep l a t f o r ms t r u c t u r e s ，d e s i g nt h ed i s p l a ys y s t e m s o f t w a r e ；f i n a l l y ，e d u c et h ec o n c l u s i o n ，t h ea n a l y s i so ft e s td a t a h a r d w a r ed e s i g ni sm a i n l yb a s e do nt h e1 3 一i n c ht f tl c ds c r e e nw h i c hp r o v i d e db yt h e i s s u e ，s t r u c t u r e ss i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e s ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym o d u l e s ，c l o c kc h i pm o d u l e s ， p o w e rs u p p l ym o d u l e s ，a sw e l la sp l lm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n sc i r c u i tb e t w e e nt h ep c i n t e r f a c e t h es y s t e me m p l o y sa t e m e la t 8 9 s 5 2c h i pa sas y s t e mc o n t r o l l e r ，m a i n l yt o c o m p l e t ec o n t r o lt h ev a r i o u s m o d u l e so ft h es y s t e m ，a sw e l la s t h r o u g hu a r tp o r t c o m m u n i c a t i o nw i t ht h ep c s y s t e mm o d u l e si na c c o r d a n c ew i t hs y s t e m sr e q u i r eu s i n gs o n y s a s i c t h es o f t w a r em a i n l yi n c l u d e s ：f i r s t ，t om e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s ，u s i n gc 51 l a n g u a g et oc o m p i l et h es y s t e mm a i np r o g r a mi nt h ek e i lc 5 1v 7 0 9i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t n e n v i r o n m e n t ；s e c o n d ，t of a c i l i t a t ed e b u g g i n g ，u n d e rt h ew i n d o w so p e r a t i o ns y s t e m ，u s i n g v b 6 0t oc o m p i l et h ep cp r o g r a ma n da c h i e v eu a r tc o m m u n i c a t i o n t h ev g ai n t e r f a c ew i t ht h es y s t e mt h r o u g hc o m p u t e rg r a p h i c so u t p u tl i n k ，t h eo u t p u t i m a g eo ft h ec o m p u t e rw i l lb ed i s p l a y e di nt h e1 0 2 4 7 6 8s m a l lm o n o c h r o m el c dp a n e l i t s h i g h d e f i n i t i o ni m a g e su s e dp r o g r e s s i v es c a nt e c h n o l o g y ，a n df l i c k e r f r e es c r e e nb r i g h t n e s s w i t h o u tc h a n g e ，w i t h o u td i s t o r t i o n k e yw o r d s ：h m d ；1 2 cb u s ；l c d ；a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc o r e 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间学位论文工作的知识产权属西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用 学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业 大学。学校有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复印手段保 留学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：辽 主氐 指导教师签名：7 刍更一 日期： 2 鸭k q 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以注标和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人己发表或撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或他 人已申请学位或其他用途使用过的成果。与本人一同工作的同志对研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 日期： 2 g s 琴 ； r 1 y 多矾他 戳 孑 1 绪论 1 1 课题背景 1 绪论 目前人们已步入信息时代，人们所接受的信息中有8 0 来自视觉，无论用何种方式 获取的信息最终都需要通过信息显示来实现人、机交换。在各种显示技术中，由于液晶显 示器具有低工作电压、微功耗等优点使其发展最快、应用最广。l c d 的出现不仅代替了 部分其他显示器件，还大大扩展了器件的应用范围n ，。 随着计算机使用的便携化( 甚至可穿戴化) 、移动化、远程化、人机互动化，人们对 于显示器件的微型化、便携化和高性能也提出越来越高的要求。特别是近年来虚拟现实 ( v r ) 技术的发展、现代数字化部队的装备需要以及可穿戴式计算机( w e a r a b l ec o m p u t e r ， w e a r c o m p ) 技术快速发展应用，使得微型显示器件在这些领域占据了重要的地位。所谓 微型显示，就是在很小的显示器件上显示密度很大，信息量极高的信息。这种微型显示器 通过光学系统可以放大成指定尺寸供人们观看。可以放大成大屏幕的实像，也可以做成眼 罩式的随身看显示系统，将显示内容放大成虚像。头戴显示器是当前典型的微型显示器。 而l c d 产品是世界上最省电的显示产品之一。在头戴显示器中，l c d 是最佳选择。 目前，国内外众多的大学如m i t ( 麻省理工大学) 、c o l u m b i au n i v e r s i t y ( 哥伦比亚 大学) 、u s t ( 多伦多大学) 、华盛顿大学、南开大学、重庆大学等大学的实验室都已经和 正在对头戴显示器( h m d ) 进行了开发研究。而从事h m d 研发和生产的厂商约有4 0 家， 主要代表有美国的m i c r o o p t i c a l 、k a i s e r 、l i t e y e 等，加拿大的t e k g e a r 和c a e ，德国 的t r i v i s i o ，韩国的k o p i n 以及日本的s o n y 等。头戴显示器产品是国际新兴的技术和 产业，其未来的应用是不可估量的。尤其是和同属于国际新兴技术产业的可穿戴计算机结 合在一起，用途广阔涉及科研、娱乐、通信、军事、医疗等各个行业和领域，市场潜 力巨大在现代技术领域的应用相当广泛，无论是要求在现实世界的视场上同时看到需 要的数据，还是要体验视觉图像变化时全身心投入的临场感，或者是利用红外、显微镜、 电子显微镜来扩展人眼的视觉能力，h m d 都能得到应用。其社会和经济效益不可估量。 本课题正是在这样的背景下产生，针对课题所选择的头盔显示器中1 3 英寸的t i 丌 液晶显示模块设计驱动系统。 1 2 头戴显示器的概述 1 2 1 头戴显示器的基本构成 头戴式显示器( h e a dm o u n t e dd i s p l a y , h m d ) 又称头盔式显示器( h e l m e t m o u n t e d d i s p l a y , h m d ) ，是一种至少包含一个微型图像源( i m a g es o u r c e ) 2 乏相应光学系统的头戴 显示装置( m e l z e r , m o f f i t t1 9 9 7 ) 。 1 西安工业大学硕士学位论文 h m d 通过微型图像源v g a 等视频电信号转换成光信号显示出来，经光学系统的处 理后得到一个放大的虚像供给人眼观看，如图11 所示。h m d 是一种佩戴于人头部的 近眼显示器( n e a r e y e d i s p l a y , n e d ) ，除了具有质量轻、体积小、功耗低等特点，还可以 实现大视角和高分辨率的高临场感显示，在结合眼动跟踪技术后还可以直接实现视觉通道 的双向人机交互。正是凭借这些传统显示装置所无法比拟的优点，h m d 在可穿戴计算、 虚拟现实与仿真、航空飞行、医疗助残、娱乐等领域有着深入而广泛的应用”1 。 霉、。 ，遵， r j 纠 图11h 帅显示示意图 典型的h m d 的外观如图1 2 ( a 为单目，b 为双目) 所示可见h m d 外观上主 要是由显示器、控制盒和支撑系统( 包括连接线缆) 等组成。其中显示器集成了驱动系统、 液晶显示晶片( 微型的) 和光学子系统等；控制盒集成了视频数据转换和控制子系统。在 此基础上还可以选配耳机、麦克风、摄像头等器什来扩展其功能。 固12 典型h 岫的外观圈 视频数据转换和控制系统与驱动系统合称像源子系统，完成的是一个电光转换的过 程，它将外部输入的视频信号( 如v g a 信号等) 转换处理，显示在液晶显示晶片上；同 时还可以进行亮度对比度等的调整。光学系统则对微型液晶晶片上的文本、图像与视频 等信息，进行必要的放大、准直、消除色差像差等处理后在使用者眼前形成看来和一般 c r t 显示器效果相当的虚像。支撑子系统则为显示系统提供支撑，并使整个h m d 舒适 地佩戴于人的头部。h m d 的基本构成及工作过程示意如图1 3 所示： 西安工业大学硕士学位论文 由可穿戴计算机等设备输入的视频信号经像源子系统的信号格式转换、显示控制及校 正后调制发光，产生相当于像源屏幕大小( 约0 7 英寸) 的图像。该图像经过光学子系统 的放大和消除像差色差后便可直接入射人眼，在入射前，还可通过分束合束光学元件叠加 合成外界光线实现视透显示功能口1 。 图1 3h m d 的基本构成及工作流程示意 h m d 中的光学子系统、支撑子系统本文将不作讨论。 1 2 2 头戴显示器的发展及研究情况 人们对h m d 的研究始于上个世纪6 0 年代初，在1 9 6 1 年，p h i l c o 公司研发的头 戴监视系统由头盔、微型c r t 及光学系统构成，并由一对镀锌卷板构成简单的头部运动 传感器，已具有了h m d 雏形。1 9 6 5 年，i v a ns u t h e r l a n d 提出设计思想并于1 9 6 6 制成 样机的u l t i m a t ed i s p l a y 是第一种能用于显示计算机输出的图像信号的h m d ，由两个固定 在头带( h e a db a n d ) 上的c r t 微型显示器和相关光学系统构成。而1 9 8 4 年，n a s a a m e s 研究中心首次采用单色微型l c d 来制作h m d ，并采用了广角远景( l a r g ee x p a n s e ，e x t r a p e r s p e c t i v e ，l e e p ) 光学系统，得到较大的视野和较好的深度知觉效果。1 9 8 9 年，v p l 公 司研制出第一款商业彩色h m d e v e p h o n e ，采用l c d 像源和l e e p 光学系统。1 9 9 1 年，美国华盛顿大学h i t 实验室研制的虚拟视网膜显示器( v i r t u a lr e t i n a l d i s p l a y , v r d ) 首次采用了将低功率激光透射到人眼视网膜上成像的方法。1 9 9 4 2 0 0 2 年间， m i c r o v i s i o n 公司和华盛顿大学h i t 实验室共同将v r d 显示技术实用化，发展成为视 网膜扫描显示( r e t i n a ls c a n n i n gd i s p l a y , r s d ) ，开始时只能实现单色显示，现已发展至真 彩色显示。 目前，国内外众多的大学如m i t ( 麻省理工大学) 、c o l u m b i au n i v e r s i t y ( 哥伦比亚 大学) 、u s t ( 多伦多大学) 、华盛顿大学、南开大学、重庆大学等大学的实验室都已经和 正在对h m d 进行了开发研究。而从事h m d 研发和生产的厂商约有4 0 家，主要代表 有美国的m i c r o o p t i c a l 、k a i s e r 、l i t e y e 等，加拿大的t e k g e a r 和c a e ，德国的t r i v i s i o ， 3 两安t 业大学硕士学位论文 韩国的k o p i n 以及日本的s o n y 等。 单从像源技术( 器件) 的研究情况来看，自上世纪6 0 年代h m d 诞生及在其之后 的几十年里，微型c r t 显示器一度是h m d 中像源器件的主流，后来随着平板显示技 术的发展，c r t 微显的优势逐渐丧失。目前h m d 像源器件的主流是微型平板显示器。 各类像源器件可按发光( 调制光) 原理的不同而分为非自发光型和自发光型，非自发光型像 源器件包括反射式硅基液晶( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ，l c o s ) 、有源矩阵微型液晶器件 ( a c t i v em a t r i xl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，a m l c d ) 、多晶硅薄膜晶体管( p s it i 丌) a m l c d 、 数字微镜器件( d i g i t a lm i r c o m i r r o r d e v i c e ，d m d ) ，并以反射式l c o s 器件为主。自发 光型像源器件包括有机发光二极管( o r g a n i cl l i g h te m i t t i n gd i o d e ，o l e d ) 、硅基有机发光 二极管( o r g a n i cl l i g h t e m i t t i n gd i o d eo ns i l i c o n ，o l e d o s ) 、有源电致发光( a c t i v em a t r i x e l e c t r o l u m i n e s c e n t ，a m e d 、真空荧光管微显( v a c u u mf l u o r e s c e n td i s p l a y ，v f d ) 等，并 以o l e d 为主。目前大多数的h m d 厂商大部分采用的都是基于叮技术的像源，而 少数厂商如e m a g i n 一直致力于o l e d 显示技术的研究，并推出了适合于近眼显示的 o l e d 显示模块；而l i t e y e 公司则推出了多款基于o l e d 技术的h m d 。 本文将着重对居主流的基于t f r 显示技术的h m d 的像源子系统即驱动和控制电路 进行研究。 所谓驱动电路，是指针对1 r i 丌显示芯片，通过外场( 这里指电场) 作用来改变液晶 分子排列状态实现显示的电路。主要包括像素单元驱动电路、数据和扫描驱动电路、公共 电极驱动电路等。而t 兀显示驱动系统是一个被动系统，也就是说，仅有驱动系统是不 能实现1 i 可显示器显示的。它还需要有控制电路提供驱动系统所必需的扫描时序信号和 显示数据。即控制电路实现显示数据的转换处理、控制等功能以及为驱动电路提供时序信 号和控制信号。 1 3t f t - l o d 的发展、研究现状及分析 薄膜晶体管液晶显示器( v r - l c d ) 是数字信息终端最理想的显示器件之一，t 盯l c d 产业是目前世界上产品应用最广、投资最大、发展最快的显示产业。液晶显示的产量和销 售额都已经超过c r t ，成为世界第一显示产业。自1 9 8 9 年建成第1 代t f t - l c d 生产线 起，在短短的十几年中，t f r - l c d 的生产设备己更新了8 代。同时在n 丌生产技术和液 晶材料方面也有了很大进步。第3 代以前的t f i - l c d 生产线主要制作1 0 英寸以下的产 品，用于彩色手机显示屏、数码相机监视器和便携式d v d 显示器。第4 代生产线能加工 1 5 英寸面板6 片，1 8 英寸面板4 片或者3 0 英寸面板2 片，能够加工的主流产品品种较少。 2 0 0 2 年韩国l g 和三星首先建成了第5 代生产线，随后台湾友达光电、奇美、广辉等也 于2 0 0 3 年起先后建成了各自的第5 代线。随着第5 代线生产能力的迅速扩大，使得1 5 英寸和1 7 英寸l c d 电脑屏的价格不断下降。于是，日本、韩国和中国台湾的t f r - l c d 厂商纷纷转向生产2 0 英寸和2 6 英寸的l c d 电视屏。以平板液晶电视为主流产品的第6 4 两安工业大学硕士学位论文 代线应运而生。2 0 0 4 年2 月，夏普的第6 代线首先投产，同年7 月l g 的6 代线投产， 2 0 0 5 年友达光电第6 代线投产。为了与4 0 5 0 英寸的p d p 竞争，三星于2 0 0 5 年4 月建成 了世界第一条7 代线，友达光电的7 5 代生产线计划今年底投产，夏普的第8 代线也计划 今年第4 季度投产，为各代生产线玻璃极板概况见表1 1 所示h 1 。 表1 1 各代生产线玻璃基板概况 在t f t - l c d 的制造工艺方面，从早期的7 道掩膜光刻，发展到今天的5 道掩膜光刻 甚至更先进的4 道掩膜光刻，不仅大大地简化了工艺，减少了设备投资，而且也提高了 t f t - l c d 的成品率。此外，新开发的液晶滴灌生产技术，不仅提高了大尺寸液晶屏的生 产效率，也降低了生产成本，而快速响应时间和宽视角技术的发展，扩展了液晶显示器的 应用范围，促使液晶屏成了便携式产品、电脑和数字电视的必要显示器件啼1 。 在t i 丌材料方面，从第1 代到第8 代生产线都是用非晶硅( a s i ) 来加工t i 丌产品的。 目前正由非晶硅向多晶硅伊s i ) 和单晶硅方向发展，使得驱动电路、控制电路和部分功能 电路集成到显示屏的周围成为可能，在大大提高产品可靠性的同时降低了生产成本。 中国内地的t f t - l c d 产业起步于1 9 9 8 年，长春的吉林彩晶电子股份有限公司由日本 d i t 引进了第一代t f t - l c d 生产线，上海广电n e c 显示器有限公司建设第5 代t f t - l c d 生产线产品品种为1 5 英寸、1 7 英寸、1 9 英寸、2 6 英寸t v ，年产6 2 5 万片，目前产品合 格率达到7 5 8 0 左右。2 0 0 3 年2 月，京东方电子科技集团用3 8 亿美元收购韩国现代3 条1 r i 丌生产线，2 0 0 3 年6 月，京东方又宣布投资1 2 亿美元建设第5 代t f t - l c d 生产线， 5 西安工业大学硕士学位论文 并于2 0 0 4 年底生产出第一块- l c d 屏。 t f t - l c d 产品制造涉及微电子、光学、机电、化工、材料等各项领域，上下游技术 面广。上游材料包括玻璃基板、i t o 导电膜玻璃、偏光板、彩色滤光片、光源模块、液晶 材料、阵列制造工序所需掩模板、液晶驱动i c 、印制电路板等。中游生产则集成各上游 材料，制造出各种规格的t f t - l c d 面板。下游应用产品种类众多，包括显示器、液晶电 视、液晶d v d 、移动通讯终端、消费类电子及工业信息显示产品等。可见t f t - l c d 产业 具有强大的带动作用，其发展将带动上下游产业的飞速发展嘀1 。 经过多年努力，中国大陆己经能够生产l c d 制造设备和测试仪器。测试仪器的设计 制造以高校和科研院所为主，如清华大学、长春物理所都定型生产了液晶盒测量仪、预倾 角测量仪、液晶光电参数测试仪等。生产制造设备已从玻璃切割机、偏光片切割机、灌晶 机等单台设备发展到可以生产成套的t n 前段设备和摩擦线、对版线等要求较高的设备。 专业生产液晶设备的厂家有京城清达电了设备有限公司、太原风华信息装备有限公司、深 圳虎神、深圳润玉、深圳航通、深圳保全等公司。但中国大陆液晶生产设备就其规模和水 平看来，与l c d 器件和材料相比，仍显得滞后一些，与日本、韩国相比，仍有相当的差 距 。 1 4 本文主要研究内容 本课题以头盔显示器研究为背景，在对1 2 c 总线的结构、协议和系统体系进行充分研 究的基础上，设计一个实际的基于1 2 c 总线的液晶显示系统。具体工作包括软件和硬件两 部分。 硬件方面，根据课题所提供的1 3 英寸的t f r 液晶屏，拟定了系统的组成方案：该 系统以a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 单片机为控制器，同时采用s o n y 公司的带有1 2 c 总线接 口的专用集成芯片c x a 2 1 1 1 r 、c x a 2 1 1 2 r 、c x d 3 5 0 0 q 、c x a 3 1 0 6 r 分别构成系统的信 号处理模块、采样保持模块、时钟发生模块、锁相环模块。同时使用串口，来实现与p c 机的通信，方便调试。 软件方面分为两个部分：调试用的上位机程序和系统主程序。 本系统的系统主程序采用c 语言编写，使用k e i lc 5 1 编译器为开发工具。系统主程 序主要完成初始化工作，包括设置一些特殊功能寄存器的初值以实现所需的设备属性或 者功能。辅助硬件完成设备的列举过程。对中断的处理。数据的接受和发送。 上位机程序是在p c 机中的w i n d o w s 工作环境下，用v b 6 0 编写上位机程序，实现 串口通信并方便调试。 1 5 论文的结构安排 论文的结构安排如下： 第一章简要介绍了h m d 的概念，回顾了h m d 技术的发展和面临的问题，指出本篇 6 两安工业大学硕士学位论文 论文的立题意义：综述了液晶显示基础、液晶平板显示器应具备的基本性能等的基础知识， 这样作的目的是为了对整个设计工作提供一幅完整的形象，而不至于钻进无关紧要的细节 比较中。 第二章详细介绍了1 2 c 总线的结构和工作原理，为系统硬件和软件的设计奠定了基 础。 第三章从最基本的液晶显示原理到，n 叮的结构及t f i - l c d 的构成，又从简单矩阵驱 动原理到t f t - l c d 的显示驱动原理，介绍了无源矩阵的静态驱动和动态驱动。从中可以 看到t f i - l c d 比其他显示器所具有的优势。 第四章完成的工作是，根据任务提出的要求，选择了a t 8 9 s 5 2 为系统的控制器，拟 定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计。然后利用p r o t e l l 9 9 s e 平台完 成了p c b 图的设计和制板工作，根据芯片资料设计出供电模块，信号采集模块，单片机 系统等模块。 第五章在分析整个硬件电路需要实现的功能的基础上，采用模块化的设计方法并在 k e i l 开发环境中完成各个功能模块的软件设计和调试。 第六章进行了系统调试，分析了实验结果。 第七章对全文进行了总结，提出了未来的展望。 7 21 2 c 总线基本构架及其通信原理 21 2 c 总线基本构架及其通信原理 为了设计一个基于1 2 c 总线的头盔液晶显示系统，必须首先了解i 2 c 总线协议，了解 1 2 c 的基本构架。1 2 c 总线协议2 1 2 0 0 0 版阐述的非常详细，但是我们并不是必须通读整 个协议后才能开始设计一个基于1 2 c 总线的头盔显示系统。这一章我们将介绍足够多的关 于设计1 2 c 总线系统的知识，这些都是对1 2 c 总线协议的简化。在上一章中我们已经知道 了一些关于1 2 c 的特点和优点，在现代电子系统中，有为数众多的芯片需要进行相互之间 以及与外界的通信，为了提供硬件的效率和简化电路的设计，p h i l i p s 开发了一种用于内 部i c 控制的简单的双向两线串行总线1 2 c 。1 2 c 总线支持任何一种i c 制造工艺，并且 p h i l i p s 和其他厂商提供了种类非常丰富的1 2 c 兼容芯片。作为一个专利控制总线，1 2 c 已经成为世界性的工业标准。基本的i 2 c 总线规范于2 0 年前发布，其传输速度为1 0 0 k b i s s ， 采用7 位寻址。但是由于数据传输速率和基本应用功能的迅速增加，1 2 c 总线也增强为快 速模式( 4 0 0 k b i t s s ) 和1 0 位寻址以满足更高速度和更大寻址空间的需求。1 2 c 总线始终 和先进技术保持同步，但仍然保持向下兼容性。并且最近还增加了高速模式，其速度可达 3 4 m b i t s s ，它使得1 2 c 总线能够支持现有以及将来的高速串行传输应用。 2 11 2 c 总线的发展情况 在消费者电子电讯和工业电子中看上去不相关的设计里经常有很多相似的地方例如 几乎每个系统都包括： 一些智能控制，通常是一个单片的微控制器。 通用电路，例如l c d 驱动器、远程i o h 、r a m 、e e p r o m 或数据转换器。 面向应用的电路，譬如收音机和视频系统的数字调谐和信号处理电路，或者是音 频拨号电话的d t m f 发生器。 为了使这些相似之处对系统设计者和器件厂商都得益，而且使硬件效益最大电路最简 单，p h i l i p s 开发了一个简单的双向两线总线，实现有效的i c 之间控制。这个总线就称i n t e r i c 或1 2 c 总线。现在p h i l i p s 包括超过1 5 0 种c m o s 和双极性兼容1 2 c 总线的i c 可以执行前面提 到的三种类型的功能。所有符合i 2 c 总线的器件组合了一个片上接1 3 ，使器件之间直接通 过1 2 c 总线通讯。这个设计概念解决了很多在设计数字控制电路时遇到的接口问题呻1 。 正是1 2 c 总线的上述特点，使得其具有许多优点。 1 ) 设计人员的得益 符合1 2 c 总线的i c 允许系统设计快速向前推进，直接从功能结构图到原型。此外，由 于它们直接剪贴到1 2 c 总线，没有任何额外的外部接1 3 ，所以允许简单地通过或者向总线 剪贴或不剪贴l c 来修改或升级原型系统。 符合1 2 c 总线的i c 还有一些功能特别吸引设计人员： 8 西安丁业大学硕士学位论文 结构图的功能模块与实际的i c 对应设计快速从结构图向最后的原理图推进 不需要设计总线接口因为1 2 c 总线接口已经集成在片上 集成的寻址和数据传输协议允许系统完全由软件定义 相同类型的i c 经常用于很多不同的应用 由于设计人员快速熟悉了用兼容1 2 c 总线的i c 表示经常使用的功能模块使设计时 间减少 在系统中增加或删除i c 不会影响总线的其他电路 故障诊断和调试都很简单故障可被立即寻迹 通过聚集一个可再使用的软件模块的库减少软件开发时间 除了这些优点外，符合1 2 c 总线的c m o si c 还向设计者在特别吸引的可移植装置和 电池供电系统方面提供了特殊的功能。它们都有 极低的电流消耗 抗高噪声干扰 电源电压范围宽 工作的温度范围广 2 ) 厂商的得益 符合1 2 c 总线的i c 不只帮助了设计者，它们也使设备厂商得到很多益处，因为： 简单的两线串行1 2 c 总线将互联减到最小，因此i c 的管脚更少而且p c b 的线路也减 少。结果使p c b 更小和更便宜。 完全完整的1 2 c 总线协议不需要地址译码器和其他“胶合逻辑。 i 2 c 总线的多主机功能允许通过外部连接到生产线快速测试和调整最终用户的设 备。 符合i 2 c 总线的i c 提供s o ( 小型) 、v s o ( 超小型) 以及d i l 垂- j - 装，甚至减少了i c 的空 间要求。 这只是一些益处。另外兼容1 2 c 总线的i c 通过允许简单地构造设备变量和保持设计是 最新的简易升级功能增加了系统设计的灵活性。这样整个装置系列可以围绕一个基本的模 型开发。新设备的升级或者功能增强的模型( 即扩展的存储器远程控制等等) 可以简单地 通过剪贴相应的i c 到总线上产生。如果需要更大的r o m ，只需要从我们广泛的i c 中选择 一个有更大r o m 的微控制器就可以了。由于新的i c 要取代旧的，增加新功能到装置或者 提升它的性能只要简单地从总线上移去过时的i c 然后换上它的后续i c 就可以了。 2 21 2 c 总线基本概念 1 2 c 总线是p h i l i p s 公司推出的一种双向二线制总线。目前p h i l i p s 公司和其他集成电 路商推出了很多基于1 2 c 总线的外围器件。1 2 c 总线包括一条数据线( s d a ) 和一条串行 时钟线( s c l ) 。协议允许总线接入多个器件，并支持多主工作。总线中的器件既可以作 9 西安工业大学硕十学位论文 为主控器，也可以作为被控器，既可以是发送器，也是接受器。总线按照一定的通信协议 进行数据交换。在每次数据交换开始，作为主控器的器件需通过总线竞争获得主控权，并 启动一次数据交换。系统中每个器件都有唯一的地址，各器件之间通过寻址确定数据接受 收方【9 1 。 2 2 11 2 c 总线系统的几个名词 1 ) 发送器：把数据发送到总线上的器件。发送器要么主动地把数据放到总线上， 要么是对另器件的请求做出应答而发送数据； 2 ) 接受器：接受总线数据的器件； 3 ) 主控器：主控器完成一次传输过程的初始化、发送时钟信号及传输停止信号。 它既可用作发送器，又可用作接受器； 4 ) 从控器：被主控器对其进行寻址的器件。从控器既可用作发送器，又可用作接 受器； 5 )多主控器：同一时刻总线上存在不止一个主控器，但并不会出现数据混乱或数 据丢失现象； 6 ) 仲裁：一种预处理，使得任何时刻在总线上都只有一个主控器拥有总线控制权； 7 ) 同步：一种预处理，使2 个或更多主控器的时钟信号同步； 8 ) s d a ：数据信号线( 串行数据) ； 9 ) s c l ：时钟信号线( 串行时钟) 。 2 2 2i z c 总线的传输术语 1 ) f ( h 砸e ) ：总线空闲或未被占用；此时，数据线s d a 和s c l 时钟线都是高阻 态； 2 ) s ( s t a r t ) 或s r ：起始条件出现，开始数据传输。s d a 数据线电平由高变低， s c l 时钟线保持高电平不变。这时，总线处于忙状态； 3 ) c ( c h a n g e ) ：s c l 时钟线为低电平，发送器把传输的数据位放到s d a 数据线 上。只要s c l 线保持低电平不变，s d a 的状态就会发生改变来讲数据位送出； 4 ) d ( d a t a ) ：s c l 时钟线为高电平时，s d a 数据线上的高低电平有效。为了避 免同起始或停止条件相混淆，数据线s d a 的状态在时钟信号线高电平期间保持不变： 5 ) p ( s t o p ) ：停止条件出现，数据传输结束。s d a 数据线电平由低变高，s c l 时 钟线保持高电平不变。当数据传输结束后，总线重新恢复到空闲状态。 2 31 2 c 系统结构 一个典型的1 2 c 总线结构系统的组成结构如图2 1 所示。假设系统中器件均具有1 2 c 总线接口，通过两根s d a 和s c l 连接到1 2 c 总线，并通过总线进行识别，即器件寻址。 1 0 西安工业大学硕士学位论文 图2 1 典型的i2 c 总线系统结构 1 2 c 总线的器件分为主器件和从器件。主器件的功能是启动在总线上传输数据，并产 生时钟脉冲，以允许与被寻址的器件进行数据传送。被寻址的器件，称为从器件。一般而 言，任何器件均能成为从器件，只有微控制器才能成为主器件。主、从器件对偶出现，工 作在接收还是发送数据方式，由器件的功能和数据传送的方向决定。 1 2 c 总线允许连接多个微控制器，显然不能同时存在两个主控器，先控制总线的器件 成为主器件。可能有几个为控制器同时企图控制总线成为主器件，这就产生了总线竞争的 协议，竞争成功的器件成为主器件，其他则推出。竞争过程中，数据不会被破坏、丢失。 数据只能在主、从器件间传送，结束后，主、从器件将释放总线，退出主、从器件角色。 总线上存在主、从器件时，总线处于忙的状态，反之，总线处于空闲状态n0 1 。 2 4i 2 c 总线接口 s d a 和s c l 都是双向线，通过上拉电阻接电源，如图2 2 所示，总线空闲时，这两 根线处于高电平状态。连到总线器件的输出级必须是漏极或集电极开路的，以