液晶显示器的接口技术及其抗干扰措施

江涛　吴祥晟

摘要：介绍了一般LCD与MCU的接口技术及其抗干扰措施，结合最近开发的绝缘油耐压测试仪中出现的CMOS自锁现象，提出了一种在强电磁场等特殊环境下，可靠使用液晶显示器的技术方法。

关键词：液晶显示器；接口；抗干扰；自锁现象

1、LCD与微控制器的接口技术

目前市场上的液晶显示模块是结合了接口电路、等级驱动和液晶屏幕的专用模块。模块中通常有两个以上的CMOS大规模集成电路，外部和控制器的接口功能只是一些工作模式寄存器，对应点阵RAM的读写，而具体的工作模式控制，扫描显示和驱动均由模块中的集成电路完成。控制器和LCD以串行通信方式（通过RS232接口）和并行通信方式交换数据信息，液晶显示器大多采用并行接口方式。

1.1LCD的并行接口方式

显示模块的外部接口一般采用并行方式，并行接口外接口线的读写时序常见以下两种模式。

（1）8080模式，这类模式通常有下列接口信号：Vee（工作主电源）、Vss（公共端）、Vee（偏置负电源，常用于调整显示对比度）/RES，复位线。DB0～DB7，双向数据线。D/I，数据脂令选择线（1：数据读写，0：命令读写）。/CS，片选信号线（如果有多片组合，可有多条片选信号线）。/WR，MPU向LCD写入数据控制线。/RD，MPU从LCD读入数据控制线。

（2）6800模式，在这种模式下，Vee、Vss、Vee、/RES、DB0～DB7、D/I的功能同模式（1），其他信号线为：R/W，读写控制（1：MPU读，0：MPU写）。E，允许信号（多片组合时，可有多条允许信号线）。

1.2Vee的产生

在LCD模块中，对比度的调整往往是通过调整Vee的数值进行的。对比度的大小会随着温度的变化而变化，准确的调整方式是加以温度传感器通过补偿电路来进行的。大多数使用者是采用在Vcc和一个负电源V之间接一个电位器，通过调整电位器使之输出一个合适的Vee来调整LCD的对比度。负电源V_可以通过一个直流电源电路产生。

如果在测量控制仪器中设计RS232接口，则需要TTL电平和RS232电平的转换电路。常用的芯片是MAX202芯片，MAX202是MAXIM的接口芯片，可以转换TTL电平和RS232电平。该芯片配备了动力提升泵，它只需要一个5V电源，并且在运行期间不需要外部12V电源，其操作简单，而且可靠性强。MAX202芯片引脚具有负电源输出，使用该引脚可以替代直流电源电路。

1.3抗干扰措施

LCD显示屏常置于仪表的面板上，通过一条扁平电缆连接于主控板上。测控仪表内部的电磁干扰对LCD的工作有一定的影响，如果该仪表工作于工业生产过程，恶劣的环境对于液晶屏的工作更为不利，这就需要在设计中采用各种抗干扰措施，一般情况下采用下述措施即可：

（1）主板上与LCD模块接口的逻辑电路尽可能采用驱动能力强的芯片。（2）LCD模块的接口中，在Vee和Vss之间接一个0.1μF的滤波电容。（3）LCD模块的工作电流很小，为几个mA，但其背光部分所需要的电流远大于其工作电流，最好将工作电源和背光电源分别走线。（4）定期对液晶屏复位（通过/RES引脚）可以保证液晶显示屏长期工作的稳定性。如果不允许液晶屏定期复位，可以检测LCD内部工作寄存器和显示RAM，一旦发现LCD不正常，可以对LCD复位。

2、CMOS自锁现象及其抑制

随着CMOS器件在电子设计领域中应用范围的日益广泛，对其性能可靠、抗干扰方面的要求也越来越高，而在特定环境下，其自身特有的自锁现象严重影响了系统的正常工作，因此，如何有效抑制CMOS自锁现象的产生已成为使用CMOS器件设计电路中一个不可忽视的问题。

2.1自锁现象

自锁现象也称为SCR现象。这是因为器件内部的pnpn结构形成了双结寄生晶闸管，其电路结构与SCR完全相同。在测试和使用过程中，当外部电压或电流信号触发CMOS器件的漏极Vdd和源极Vss之间的较大导通电流时，一旦电流开始流动，即使电流消失，外部触发信号也不会中断，只有当电源关闭或电压降至某个值以下时才会释放电流。此时，设备处于自锁状态，理论和实验结果表明，CMOS电路的自锁效应是由于内部存在寄生双极型晶闸管。自锁有很多原因，具体分为外部和内部原因：内部原因是因其内部双寄生晶体管的特殊构造引起的，其制造工艺在出厂后已确定，在此不做详述。外部原因主要由以下几方面构成：

（1）输入或輸出端的电平下降到比Vss还低，或者上升到比Vdd还高；（2）接到Vdd端的电源有异常的浪涌电压或噪声干扰侵入；（3）电源电压瞬间跳动引起反偏下p阱-衬底结电容出现较大的充放电电流，该电流的大小与电源电压变化速度呈正比；（4）受到电离辐射，如α射线或γ射线辐照，使衬底、阱等处有异常的电流流过。

2.2CMOS自锁现象的抑制措施

为了避免自锁现象的发生，一方面从CMOS器件的制造工艺上改进其基本结构，另一方面在电路设计中，针对具体产生自锁的原因采取相应的措施，具体为以下几种方案：

（1）输入输出电源端有浪涌电压或电流出现时，可在输入端、输出端串联电阻以限制触发电流，或者加粗电源线。（2）当电源线阻抗较高时，系统内集成电路开关引起的动态压降也易引起自锁。此时可在Vdd和Vss间接人电容，提供动态电流，减小电源线上的动态压降。（3）由于大多数自锁现象是外来噪声和系统暂态过程引起的，只是瞬间产生，可在由浪涌电压或电流引起的强磁场形成前断开系统内CMOS器件的供电，躲过强磁场后继续上电工作。

3、绝缘油耐压测试仪LCD显示中的CMOS自锁现象的抑制措施

3.1绝缘油耐压测试仪设计中自锁现象的产生

绝缘油压测试仪是电力行业广泛用于测量变压器绝缘油抗压强度的仪器。其工作原理是：在电绝缘油的测试过程中，需要可调的高压电压。电压施加到绝缘油杯的端部，并且电压从零逐渐升高。当电压在任何时候发生故障时，电流电压值就是油的绝缘值。其中，系统的高压发生部分是通过交流电机驱动自耦变压器（可调），产生0-220V交流电，并通过1：400高压变压器产生0-88kV交流电压。在具体的设计和调试中，我们发现每当绝缘油发生故障时，用于显示系统加压状态的LCD屏幕都会导致屏幕出现，导致系统无法正常工作。经过反复实验，发现该系统的故障是由绝缘油破裂时油杯击穿电流为10至20mA引起的。由于变压器变比为1：400，升压变压器的初级线圈会有4～8A的大电流流过，这样一个大电流突然在电路周围产生强烈的电磁场干扰，严重干扰了暴露的液晶显示模块中的CMOS器件，并触发器件的自锁现象。

3.2抑制方法

由于本系统中CMOS器件集成在液晶模块中，因此不能采用传统方法直接增加限流电阻抗干扰，只能采用第三种方法抑制自锁现象。具体实现是：一方面系统中的大电流导线远离计算机控制电路，两根大电流导线绞合成双绞线，以减少外部空间干扰；另一方面，考虑到大部分自锁现象是外部噪声，并且系统瞬态只能瞬间发生，并且系统中的CMOS器件的功率可以在形成由浪涌引起的强磁场之前断开电压或电流，强磁场消除后电源继续打开。

3.3试验结果

实验表明，该方法能有效控制绝缘油击穿时高压的通断，能够准确测量变压器绝缘油的耐压值，并且在绝缘油击穿时断开液晶显示模块的电源供电，有效避免了液晶屏内CMOS器件自锁现象的产生。