Рассматриваются особенности проектирования радиационно-стойкой микросхемы 5521ТР034-726 управления восемью матричными буквенно-цифровыми дисплеями (7 × 5) на основе БК серии 5521.

DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.52.58

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 1993-8578
ISSN 2687-0282 (online)
Книги по нанотехнологиям
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Герасименко Н.Н., Пархоменко Ю.Н.
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #7/2016
Д.Мамонов
Микросхема управления матричными буквенно-цифровыми LED-дисплеями (7 × 5)
Просмотры: 3163
Рассматриваются особенности проектирования радиационно-стойкой микросхемы 5521ТР034-726 управления восемью матричными буквенно-цифровыми дисплеями (7 × 5) на основе БК серии 5521.

DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.52.58
Вкачестве элементов индикации в современных цифровых комплексах используются жидкокристаллические панели, полупроводниковые электролюминесцентные и электрохромные индикаторы. Каждый из указанных типов индикаторов, основанных на различных физических принципах, предъявляет определенные требования к амплитудам управляющих напряжений, виду тока, плотности размещения на лицевых панелях приборов и внешней освещенности.
Высокие технические характеристики полупроводниковых индикаторов обеспечили их успешное применение в аппаратуре различного назначения. Особой популярностью пользуются матричные знакосинтезирующие индикаторы с динамическим управлением, пришедшие на смену сегментным индикаторам.
Матричные индикаторы относятся к классу знакосинтезирующих приборов, в которых информация, предназначенная для зрительного восприятия, отображается с помощью нескольких дискретных элементов, сгруппированных по строкам и столбцам. Матричным индикатором считается устройство, объединенное в законченном конструктивном корпусе.

Эргономические исследования показали, что 35-элементная матрица обеспечивает удовлетворительное восприятие знаковой информации, в частности, прописных и строчных букв русского алфавита, знаков и цифр, букв греческого и латинского алфавитов [1].
К основным преимуществам матричных индикаторов по сравнению с сегментными относят широкие возможности и высокое качество отображения символов. Недостатки матричных индикаторов: сложность конструкции, стоимость, а также меньшая надежность вследствие большего количества элементов. При соединении многоразрядных индикаторов, расстояние между пикселями на швах отличается от расстояния в пределах одного индикатора, что накладывает ограничения на использование таких индикаторов для формирования единого изображения.
По способу управления матричные индикаторы делятся на два вида: статические и динамические (мультиплексные).
Статический способ подразумевает непосредственное управление каждым пикселем матрицы. Каждый элемент отображения имеет собственную ячейку памяти и светодиодный драйвер. Данный способ управления используется в матрицах с большим размером пикселя, когда мощность и стоимость драйвера значительны. Также статическая схема применяется в устройствах с высокими требованиями к электромагнитному излучению. Однако подобный подход рационален только при небольшом разрешении (4 × 4 пикселя), поскольку при больших размерах значительно увеличивается количество управляющих элементов и схем ввода данных.
Для упрощения схемы управления, а также снижения количества выводов индикатора, разработан динамический способ управления, активно используемый в 35-элементых матрицах. Динамический способ подразумевает поочередное включение различных групп элементов отображения путем подачи напряжения с частотой более 20 Гц, при этом человеческий глаз воспринимает экран как непрерывно светящийся объект.
Матричные структуры выпускаемых буквенно-цифровых дисплеев позволяют осуществить управление только в режиме стробирования (динамическое управление). Структура матрицы предполагает два способа стробирования: по строкам или по столбцам.
Анализ рынка матричных буквенно-цифровых LED-дисплеев показал, что наиболее востребованными устройствами являются индикаторы типа HDSP-2131, разработанные компанией Avago Technologies [2]. В России подобные дисплеи выпускаются, но пока нет отечественных функциональных аналогов микросхем управления восьмьюразрядными буквенно-цифровыми дисплеями, поэтому возникла необходимость создания такой микросхемы.
В НПК "Технологический центр" на основе базового кристалла (БК) 5521ТР03 серии 5521 была разработана микросхема 5521ТР034-726 управления восьмью матричными буквенно-цифровыми дисплеями (7 × 5). БК серии 5521 изготавливаются по радиационно-стойкой КМОП-технологии с нормами 0,18 мкм на объемном кремнии. Напряжение питания 3 В ± 10% или 3,3 В ± 10% [3].
Разработка поведенческой модели микросхемы 5521ТР034-726, тестовых воздействий для ее проверки и топологическое проектирование осуществлялись средствами САПР БИС "Ковчег" [4]. При этом применялась унифицированная параметризованная библиотека функциональных ячеек серий БК 5521 и 5529.
В процессе разработки были сформулированы основные функциональные требования к микросхеме управления:
вывод на дисплей ASCII-таблицы символов;
возможность программирования 16-ти символов;
функция мигания;
настройка яркости дисплея;
функция тестирования;
функция очистки;
возможность выбора тактовой частоты (использование внешнего сигнала или внутреннего генератора частоты на 1 МГц).
Конструкция индикатора, для которого разрабатывалась микросхема управления, представлена на рис.1 и состоит из восьми светодиодных матричных дисплеев по 35 пикселей в каждом. Микросхема управления дисплеями располагается на нижней стороне устройства в бескорпусном исполнении.
Функциональная схема устройства представлена на рис.2, где:
"8×8 РЕГИСТР ОТОБРАЖАЕМЫХ СИМВО-ЛОВ" – регистр 8 × 8, который хранит адреса отображаемых символов;
"РЕГИСТР СИМВОЛОВ И ОЗУ" – блок регистров для программирования пользовательских символов;
"БЛОК УПРАВЛЕНИЯ" – блок задания сетки частот и сигналов управления;
"ДЕШИФРАТОР ASCII" – дешифратор ASCII-таблицы символов;
"ВЫХОДНОЙ ДРАЙВЕР" – выходной драйвер управления индикаторами.
Адреса регистров данных и режимов работы представлены в табл.1 и 2 соответственно.
Основным регистром, отвечающим за тип отображаемой информации, является блок "8 × 8 РЕГИСТР ОТОБРАЖАЕМЫХ СИМВОЛОВ". Данный регистр хранит восемь адресов символов, номер каждого из которых соответствует номеру дисплея на индикаторе. В зависимости от значения D[7] происходит выбор типа информации для отображения:
если D[7] = 0, то на дисплее отображается один из 128 символов ASCII-таблицы (адрес символа задается шиной D[6 : 0]). За декодирование символа отвечает блок "ДЕШИФРАТОР ASCII";
если D[7] = 1, то на дисплее отображается один из 16-ти ранее запрограммированных пользовательских символов, (адрес символа задается шиной D[3 : 0]). Для программирования символов используются "РЕГИСТР СИМВОЛОВ И ОЗУ".
Запись символа в память осуществляется за восемь циклов. На первом этапе в "РЕГИСТР СИМВОЛОВ" записывается значение внешней шины данных D[7 : 0], четыре младших разряда которой и задают адрес раздела ОЗУ, в который будет производиться запись символа. Каждый раздел представляет собой матрицу ячеек памяти (7 × 5). На втором этапе осуществляется построчное заполнение раздела памяти за семь циклов, при этом номер строки определяется внешней шиной A[2 : 0], а значение строки задается шиной D[4 : 0].
Восьмибитовый "РЕГИСТР РЕЖИМОВ РАБОТЫ" отвечает за выполнение пяти режимов: использование регистра мигания, мигание, тестирование, очистка и регулировка яркости индикатора.
Регистр мигания отвечает за мигание каждого из дисплеев индикатора – хранящееся в нем значение внешней шины данных D[7 : 0] определяет использование (D[n] = 1) или же не использование (D[n] = 0) функции мигания для n-го дисплея. Сигналом разрешения на использование данной функции является бит D[3] = 1, записанный в "РЕГИСТР РЕЖИМОВ РАБОТЫ", а при D[3] = 0 содержимое регистра мигания игнорируется.
Заставить мигать все дисплеи одновременно можно и без использования функции регистра мигания. Если записать бит D[4] = 1 в "РЕГИСТР РЕЖИМОВ РАБОТЫ", то активируется функция глобального мигания, при использовании которой все восемь дисплеев мигают одновременно. Содержимое регистра мигания при этом игнорируется. Частота мигания в обоих случаях составляет 2 Гц.
При D[6] = 1 запускается функция тестирования, которая заключается в отображении прямого и обратного шашечного узора на всех дисплеях одновременно. Длительность отображения для каждого из символов составляет 2 с. По окончании тестирования бит D[5] блока "РЕГИСТР РЕЖИМОВ РАБОТЫ" устанавливается в "1", данный бит доступен только для чтения.
При D[7] = 1 запускается функция очистки блоков "8 × 8 РЕГИСТР ОТОБРАЖАЕМЫХ СИМВОЛОВ" и регистра мигания, а также происходит предустановка всех ячеек памяти блока "РЕГИСТР ОТОБРАЖАЕМЫХ СИМВОЛОВ". После завершения очистки D[7] устанавливается в "0".
Наибольший интерес с точки зрения схемотехнической реализации представляет функция настройки яркости индикатора. В ходе изучения научно-технической литературы было установлено, что основным подходом к реализации данной функции является изменение скважности управляющих светодиодами индикаторов по принципу: чем выше скважность, тем больше яркость. Действительно, степень яркости свечения светодиода определяется его инерционными свойствами и зависит от времени воздействия на него электрического тока.
За регулировку яркости дисплея отвечает значение шины D[2 : 0] в блоке "РЕГИСТР РЕЖИМОВ РАБОТЫ". Зависимость скважности стробирующих сигналов от значения шины D[2 : 0] представлена в табл.3.
В разработанной микросхеме для вывода информации на дисплеи используется стробирование по строкам. За формирование временной диаграммы и управляющих сигналов отвечает "БЛОК УПРАВЛЕНИЯ" (рис.3).
Обработка восьми дисплеев происходит построчно, по группам (с 0 по 3 и с 4 по 7). Шина адресов ADR[2 : 0] последовательно принимает значения от 0 до 7, тем самым производя считывание данных из блока "8 × 8 РЕГИСТР ОТОБРАЖАЕМЫХ СИМВОЛОВ". При этом на предварительный регистр отправляются строки соответствующего символа (ранее запрограммированного или же одного из ASCII-таблицы). Запись в предварительный регистр отображения осуществляется сигналами WR[3 : 0].
По завершению каждого цикла перебора адресов на шине ADR[2 : 0] изменяется номер обрабатываемой строки ROW_SET[2 : 0]. Сигналы шины ROW[13 : 0] являются стробами отображаемых данных: ROW[0] – первая строка первой группы символов, ROW[1] – первая строка второй группы символов и т.д. При переходе от ROW[n] к ROW[n + 1] вырабатывается сигнал CLK, записывающий данные в выходные регистры из предварительных.
На рис.4 представлена топология кристалла микросхемы 5521ТР034-726. Микросхема 5521ТР034-726 может выпускаться как в отдельных кристаллах, так и в корпусном исполнении (корпус 4239.68-1).
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИ RFMEFI57815X0104.
ЛИТЕРАТУРА
Васерин Н.Н., Дадерко Н.К., Прокофьев Г.А. Применение полупроводниковых индикаторов / Под ред. Е.С. Липина. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 200 с.
HDSP-2133. [Электронный ресурс] / http://www.kontest.ru/datasheet/AVAG0TECHN0L0GIES/HDSP-213x_2179.pdf. Дата обращения 26.09.16.
Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Вильсон А.Л., Бражников С.С., Коновалов В.С., Малашевич Н.И., Росляков А.С. Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практическое пособие / Под общ. ред. Саурова А.Н. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
САПР БИС "Ковчег 3.04" [Электронный ресурс] / http://asic.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=10&Itemid=30. Дата обращения 26.09.16.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art