应用于仪器仪表的背光可控液晶管理系统

冯 燕 易龙强 熊 政

(威胜集团有限公司，湖南 长沙 410205)

0 引言

伴随着现代电子产品的飞速发展，电子产品使用的便捷性与人性化设计已逐渐成为人们关注的焦点。传统的高端电子式电能表采用分辨率为160×80的点阵图形液晶屏，其画面的清晰度、保真度、直观性均有待提高，特别是背光亮度的控制。液晶屏的亮度受制造材料的影响较大，导致各液晶屏的亮度不一致，且液晶显示模块的电源不可控或者控制不可靠，显示对比度也不能随温度的变化而自动调节。

电子式电能表作为电网重要的仪器仪表设备，其重要数据可通过液晶屏幕直接查看，液晶显示的清晰度、直观性与易操作性从很大程度上体现了电表的性能与品质;同时，动态画面的保真度为电表显示数据的实时性提出了新要求［1－2］。为克服传统电能表液晶显示的不足，满足用户对电子产品的新需求，新生代电能表液晶显示管理系统应运而生。

1 液晶模块简介

系统采用分辨率为320×240的点阵式双图层混合显示液晶模块，其核心芯片采用台湾瑞佑科技(RAIO)的RA8806。RA8806是一种具备文字与绘图模式的点矩阵液晶显示控制器。

RA8806内建双图层显示内存以及512 kB ROM的字型码，可显示全型的繁体中文字体(BIG5，13 973个字型)或简体中文字体(GB，9 216个字型)，也可显示大部分用于英语系和欧洲国家的半型字字母及符号，其中没有使用的图层内存可作为字型创造内存(300全字型)。强大的文字排版功能是RA8806控制器的突出特点，如文字对齐、行距设置、字型缩放以及文字旋转等;同时，它还支持4灰阶显示，使得液晶模块背光亮度更有层次感，文字编辑更方便自由［3］。总之，相对于传统应用于电子式电能表的液晶屏，该高清晰高性能的液晶模块具备得天独厚的优势，能为电能表提供优质的画面，便于电能表的功能扩展［3］。

2 系统综述

通过对液晶模块背光可控的管理系统的研究，研制出高性能的液晶模块和灵活可靠的控制电路。液晶模块具有低功耗、高分辨率以及数据传输速率快的特点，无背光时功耗低于0.1 W，分辨率为320×240，数据传输线为总线式，传输时钟速率可达3 MHz［4］。控制电路的背光亮度可编程调节，主要通过PWM波控制三极管开关，而三极管控制液晶模块背光电源的开启与关断，CPU调节PWM波可精确地控制液晶屏的背光亮度。

由于计量模块与系统主控芯片的数据交互采用10 MHz的同步串行通信口，其速率与传统的RS-232通信相比有了质的飞跃。

10 MHz同步串行通信数据传输模式解决了液晶显示数据的刷新频率不够的问题，使得采样数据实时性更强、图形显示更保真。与此同时，液晶显示对比度可通过负温度系数电阻调节，对于工作在各种不同环境下的电子式电能表而言，此特性显得尤为突出。综上所述，新型液晶管理系统可全方位地提升电能表的液晶显示品质，符合电子产品的技术与市场发展方向。

3 系统功能模块说明

管理系统包含多个功能模块，分别为主控电路、液晶显示模块、液晶背光控制与电源管理电路以及显示对比度自动调节电路。其中主控电路(计量模块+主控芯片+驱动芯片)与液晶显示模块共同构成液晶数据显示通道，包括数据的传输通道和数据的液晶显示两大部分。数据的传输通道主要指计量模块将处理后的采样数据上传给主控芯片的途径，数据的液晶显示则指主控芯片将数据直接或处理后在液晶模块上进行有效显示。

液晶管理功能模块框图如图1所示。

图1 液晶管理功能模块Fig.1 LCD management functional module

本管理系统的显示数据主要源自经计量模块处理后的采样数据，通过SSC同步串行口上传给主控芯片，数据上传的时钟速率可达10 MHz，提升了电能表管理平台与计量模块的数据交互速度，增强了采样数据的实时性。主控芯片将获得的数据直接或处理后通过时钟速率为3 MHz的并行总线传送给液晶模块，液晶模块将数据以数字、汉字、图标和波形等型式显示在屏幕上。

液晶背光控制与电源管理电路是整个管理系统的精髓所在，主控电路通过该电路实现对液晶显示模块的背光亮度的控制与供电电源的管理。显示对比度自动调节电路则使液晶显示模块可随环境特别是温度的变化自动调节对比度，从而使液晶画面更清晰可见。各模块相辅相成、相得益彰，以构建清晰度高、保真度高、性能稳定、控制灵活的液晶管理系统，从而提升产品品质，满足不同客户的需求。

4 系统工作原理

系统的液晶管理工作原理如图2所示。

图2 液晶管理工作原理图Fig.2 Operational principle of LCD management

由图2可以看出，液晶背光控制与电源管理电路由控制开关管 Q1、Q2、Q3、Q4构成，主控芯片、计量模块以及驱动芯片形成主控电路，高精密电阻R1与负温度系数电阻R2构成显示对比度自动调节电路。显而易见，液晶管理系统的核心控件为主控芯片AT91SAM9G20［7］。主控芯片的总线采用 1.8 V 供电［8］，故驱动芯片除了增强总线驱动能力外，还兼顾电平转换的功能。

主控芯片通过I/O复用脚控制液晶屏的背光电源，当I/O口配置为PWM波输出时，可平滑控制背光亮度，将其调节至视觉最佳状态。如电表进入低功耗状态时，主控芯片可关断液晶模块的供电电源和液晶背光供电电源，通过配置I/O口的高低电平控制三极管Q2与Q4基极电流的输出，进而控制Q1与Q3的栅极电压，从而有效地控制系统供电电源的导通与关断。此设计充分利用MOS管饱和区管压降低且稳定的特点，同时利用三极管实现电平的转换以及有效关断MOS管(MOS管不易被关断)，实现对液晶供电部分的灵活有效控制［5］。

液晶显示数据传输通道包含数据源端与显示终端。数据源于以下两部分:①A/D采样获取的数据，经计量模块通过算法处理后上传给主控芯片;②主控芯片从外部电路中获取的监控信息和数据。液晶显示模块为显示终端，其通过8 bit并行数据总线与主控芯片相连，实际设计中传输时钟速率可达3 MHz。

以往电能表的主控芯片与液晶模块采用串口进行通信，且计量与管理间的数据传送采用异步串口RS-232，最高传输波特率为115 200 bit/s，在数据量大且数据实时性要求高的情况下具有明显的不足。系统主控芯片与计量模块通过同步串口SSC相连，同步时钟实际应用已达10 MHz，解决了现有电能表的数据传输速率的技术瓶颈，实现了液晶显示图形特别是谐波波形的平滑保真［5－8］。

5 结束语

随着电子式电能表功能的日益强大，液晶显示模块显示内容的清晰度与丰富多样性已成为设计者必需关注的问题。背光亮度可控的液晶管理系统是典型的工业液晶显示控制电路，它从背光、对比度、显示数据刷新率以及供电管理等多方面提升了电子式电能表对液晶模块的控制调节能力，同时也从很大程度上提升了液晶显示画面品质、屏幕操作的便捷性以及显示内容的直观性与实时性。

本设计引入低功耗的设计理念，主控芯片的总线采用1.8 V供电，选用低功耗设计的液晶模块，液晶模块的供电电源与背光电源都可控，有效地提高了主芯片对能效的管理能力。该方案采用较为通用的设计思路，不仅可以应用于电能计量系统，而且对于其他工业液晶显示应用场所也具有借鉴意义。

［1］胡爱华，杨郁池，刘院英，等.液晶显示模块及其在智能仪表中的应用［J］.计算机测量与控制，2007，15(2):275－277.

［2］陈鼐，于盛林.基于S3C2410X的液晶屏接口设计与实现［J］.测控技术，2006，25(12):68－71.

［3］于华芳，刘健.单片机与液晶显示模块的软硬件接口技术［J］.液晶与显示，2003，18(2):2－5.

［4］天马微电子股份有限公司.液晶显示装置［P］.中国，CN200910109111.5，2009－07－27.

［5］王洪波，朴燕，王瑞光.S-8330在液晶显示技术中的应用［J］.液晶与显示，2002，17(2):312－317.

［6］李占宏，彭熙伟，王洪.图形液晶显示模块在平衡机中的应用［J］.自动化仪表，2003，24(9):63－65.

［7］蒋伟，戴义保，何伟.基于ARM9的便携式测力仪设计［J］.自动化仪表，2008，29(12):54－57.

［8］王成.基于ARM9处理器的嵌入式开发平台的设计与实现［D］.大连:大连理工大学，2005.