eng
Выпуск #7/2016
Д.Мамонов
Микросхема управления матричными буквенно-цифровыми LED-дисплеями (7 × 5)
Микросхема управления матричными буквенно-цифровыми LED-дисплеями (7 × 5)
Просмотры: 3026
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
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.
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
