ПРИМЕНЕНИЕ 7-И СЕГМЕНТНЫХ ЖКИ МОДУЛЕЙ

 

Автор: Ридико Леонид Иванович, e-mail:wubblick@yahoo.com

 

ЖКИ модули со встроенным контроллером HT1611/2

Практически любое микроконтроллерное устройство имеет те или иные устройства индикации. В простейшем случае это всего несколько светодиодов, а порой это цветной графический дисплей. Появление модулей ЖКИ со встроенными контроллерами значительно упростило схемы сопряжения. Наиболее универсальными из таких модулей являются матричные алфавитно-цифровые, которые позволяют отображать цифры, буквы латинского и русского алфавита и даже псевдографику, используя возможности загружаемых символов. Однако такие ЖКИ - модули довольно дороги, они не отличаются малым энергопотреблением, да и в ряде устройств просто избыточны. Там, где не требуются широкие возможности устройств индикации, более подходящими могут оказаться 7-сегментные ЖКИ - модули.

Среди 7-сегментных ЖКИ - модулей наибольшее распространение получили модули на основе контроллера HT1611 (или HT1613). Они имеют 10 знакомест и управляются по последовательной шине.

Рис. 1

Кроме отображения информации, передаваемой в модуль по шине, он может работать автономно в режиме часов реального времени. Для этого модуль имеет кварцевый резонатор и выводы для подключения кнопок установки времени.

Рис. 2

Кроме того, возможна работа модуля в режиме таймера. Низкое напряжение питания (1.5 В) и малый ток потребления (не более 10 мка) легко позволяют организовать резервное питание. Однако то, что встроенные часы никак не связаны с последовательным интерфейсом, делает их очень ограниченными в использовании. Что поделаешь, индикатор в основном предназначен для телефонных аппаратов и оптимизирован именно для такого применения. Кратко остановимся на описании модуля, более подробное описание его работы можно получить из документации на микросхему контроллера HT1611 (http://www.holtek.com.tw/pdf/comm/1611c.PDF).

Назначение выводов модуля показано в таблице:

Номер вывода

Название вывода

Функция

1

12/24

переключение формата времени

2

Vss

общий

3

SK

тактовая линия шины

4

DI

линия данных шины

5

HK

переключение часы/индикатор

6

S1

установка времени

7

S2

выбор режима установки времени

8

TMR

сброс таймера

9

Vdd

напряжение питания

Примечание: выводы 1, 6, 7, 8 имеют внутреннее подключение к общему проводу через резисторы примерно 5 М. Выводы 3, 4, 5 имеют внутреннее подключение к выводу питания через резисторы примерно 1 М.

Режимом работы модуля управляет сигнал HK, который в телефонном аппарате соответствует сигналу поднятия трубки. Когда HK=1, модуль находится в режиме отображения реального времени. Если установить HK=0, то модуль переходит в режим таймера, начиная отсчет с нуля. Максимальный интервал, отсчитываемый таймером - 59 мин. 59 сек. Если в режиме таймера по шине приходят символы, индикатор очищается, и они начинают отображаться с крайней правой позиции. Новый поступивший символ вызывает сдвиг имеющихся символов влево. Если более 10 сек новые символы не поступают, модуль снова переходит в режим таймера, начиная отсчет с нуля. Если во время отображения поступивших по шине символов установить HK=1, то модуль вернется в режим отображения реального времени. Если же установить HK=1 во время индикации значения таймера, то возврат в режим отображения реального времени произойдет с задержкой 5 сек.

Рис. 3

К выводам модуля S1 и S2 могут быть подключены кнопки для установки текущего времени. Когда модуль находится в режиме отображения реального времени, нажатие кнопки S2 позволяет перейти в режим установки часов или минут (остальные цифры гаснут). При этом кнопкой S1 можно набрать требуемое значение. Затем с помощью кнопки S2 можно снова вернуться в режим отображения реального времени.

К выводу TMR может быть подключена кнопка сброса таймера. Когда модуль находится в режиме индикации значения таймера, первое нажатие этой кнопки сбрасывает таймер, и отсчет начинается с нуля. Повторное нажатие останавливает таймер (режим удержания показаний). Следующее нажатие снова запустит таймер с нулевого значения.

Рис. 4

Когда модуль находится в режиме отображения реального времени, нажатие кнопки TMR переводит его в режим секундомера. Как и в режиме таймера, кнопкой TMR можно сбросить его значение, запустив счет с нуля, или включить режим удержания показаний. Если в режиме удержания показаний модуль находится 5 сек, то происходит автоматический переход в режим отображения реального времени. Все кнопки подключаются между соответствующими выводами модуля и выводом питания.

Рис. 5

При использовании модуля в микроконтроллерной системе только для отображения загружаемых по последовательной шине символов, требуется соединить вывод HK с общим проводом, а выводы 12/24, S1, S2 и TMR оставить свободными. Временная диаграмма передачи данных по последовательной шине приведена на рисунке, где ta - время установки данных (>1 мкс), tb - время удержания данных (>2 мкс), tc - интервал между символами (>5 мкс).

Рис. 6

Данные подаются на линию DI и защелкиваются по спаду тактовых импульсов на линии SK. Символы отображаются в крайней правой позиции, уже имеющиеся на индикаторе символы сдвигаются влево. После того, как все необходимые данные переданы, линию SK следует оставить в состоянии низкого логического уровня, чтобы предотвратить автоматический переход модуля в режим отображения значения таймера.

Каждый символ кодируется 4-мя битами, поэтому всего имеется 16 символов.

Рис. 7

Нужно отметить, что напряжение питания индикатора сильно влияет на контрастность. При низком напряжении контрастность недостаточна, а при большом засвечиваются погашенные сегменты. Оптимум находится в промежутке 1.50 ... 1.65 В. Распространенная схема питания, где в качестве источника образцового напряжения используются диоды в прямом включении (рисунок a), не позволяет получить оптимальную контрастность, так как двух диодов оказывается мало, а трех - много. Тем более, желательно иметь возможность регулировки этого напряжения. Простая схема на одном транзисторе позволяет получить нужное напряжение питания и регулировать его (рисунок b).

Рис. 8

Учитывая очень низкий ток потребления индикатора можно обойтись и простым резисторным делителем, если входное напряжение питания постоянно. Описанные схемы питания не являются экономичными и подходят, например, для устройств с сетевым питанием. Система питания автономного устройства может быть очень сложной, и конкретные решения зависят от специфики задачи. Одним из вариантов может быть питание устройства от элемента напряжением 1.5 В, от которого индикатор питается непосредственно. Микроконтроллерная часть устройства питается от того же элемента через повышающий DC-DC преобразователь.

Для согласования логических уровней можно применить разные схемы. Учитывая тот факт, что входы DI и SK имеют внутренние подтягивающие резисторы, можно обойтись просто диодами (рисунок a). Преимущество такого способа заключается в том, что согласование не будет зависеть от напряжения питания микроконтроллера. Однако такой способ имеет и недостаток. Ввиду больших номиналов подтягивающих резисторов уровни на входах будут довольно медленно достигать состояния логической единицы, что потребует значительного снижения скорости обмена. Поэтому предпочтительнее для согласования использовать резисторные делители (рисунок b).

Рис. 9

Необходимо отметить, что в течение примерно 2 сек после включения питания модуль не воспринимает данные, передаваемые ему по последовательной шине. Поэтому всегда должна быть задержка между включением питания и началом обмена.

Описанный модуль, тем не менее, обладает рядом существенных недостатков:

Другим распространенным типом 7-сементного ЖКИ - модуля со встроенным контроллером является модуль МТ10Т7-7 производства компании "МЭЛТ" (www.melt.aha.ru).

Рис. 10

Этот модуль лишен практически всех недостатков, перечисленных выше. Наличие децимальных точек и управление отдельными сегментами значительно расширяет возможности модуля. При перезагрузке индикатора новыми данными отсутствуют какие-либо видимые мерцания изображения, инерционность индикатора также заметно ниже. Имеется специальный вывод регулировки контрастности. При желании можно установить элементы подсветки, для чего на плате имеется соответствующая разводка, а торцы стеклянных пластин индикатора открыты. Напряжение питания модуля составляет 5 В, что соответствует напряжению питания большинства микроконтроллерных устройств. Это исключает необходимость специального согласования логических уровней. Потребляемый индикатором ток очень малый и составляет примерно 30 мка.

В то же время некоторые недостатки модуль все же имеет. Один из них - это угол обзора. Этот модуль также оптимизирован для установки на слегка наклонную (почти горизонтальную) панель, что хорошо для телефонного аппарата, но не подходит, например, для измерительного прибора с вертикальной передней панелью. Вообще, при производстве индикатора оптимальный угол зрения может быть сделан любым. В номенклатуре ЖКИ зарубежных фирм почти для любого типа индикатора имеются разные версии, оптимизированные для разных углов зрения. У МТ10Т7 таких версий нет, и это можно объяснить тем, что основным потребителем таких индикаторов являются изготовители телефонных аппаратов с АОН, под чьи нужды и оптимизирован индикатор.

Второй недостаток модуля МТ10Т7 заключается в том, что он имеет параллельную шину управления. Шина содержит 4 разряда данных, 1 разряд адреса и 2 сигнала стробирования. При подключении к микроконтроллеру индикатор требует как минимум 6 линий вывода (модуль на основе HT1611 требует всего 2 линии). Учитывая тот факт, что высокого быстродействия при обмене с индикатором обычно не требуется, параллельную шину нельзя назвать оптимальной.

Простая доработка позволяет оснастить указанный модуль последовательной шиной управления. Описание самого модуля здесь приводить нет смысла, так как на сайте производителя имеется довольно хороший pdf (http://www.melt.aha.ru/pdf/mt-10t7-7.pdf). Поэтому будет рассмотрена только доработка.

Самым универсальным способом преобразования последовательного формата в параллельный является использование сдвигового регистра с буфером хранения, например, 74HC595. Схема подключения такого сдвигового регистра к модулю показана на рисунке. При этом модуль приобретает шину, совместимую с SPI.

Рис. 11

Для того чтобы загрузить индикатор, нужно сформировать строб записи. Поэтому потребуются две последовательные загрузки регистра одними и теми же битами данных и с противоположными значениями сигнала записи. Это несколько замедляет загрузку, но, учитывая то, что сдвиговый регистр имеет высокое быстродействие, загружать его можно с высокой скоростью, не используя программных задержек.

Еще удобнее применить обычный сдвиговый регистр, не имеющий регистра-защелки. Например, 74HC164 (или 74HC4094 с учетом разницы в разводке). При этом стробирование осуществляется сигналом WR индикатора. Нужно учесть тот факт, что входы WR индикатора являются потенциальными, это означает, что во время загрузки сдвигового регистра на них нужно удерживать пассивный уровень. И только после того, как загрузка завершена, нужно сформировать на этих входах сигнал стробирования. Поскольку в этом варианте схемы у сдвигового регистра используется только 5 выходов, нет необходимости вдвигать все 8 бит. Все это увеличивает скорость загрузки по сравнению с предыдущим вариантом в 3 раза.

Рис. 12

Конструктивно сдвиговый регистр располагается на небольшой односторонней печатной плате, которая закрепляется с обратной стороны индикатора. Поскольку там все равно имеются ушки крепления металлической рамки, установка дополнительной платы не увеличивает габаритов модуля.

Рис. 13

Выводы платы, которыми она должна соединятся с модулем, выполнены в виде площадок с отверстиями, которые расположены точно напротив соответствующих отверстий в плате модуля. Соединения выполняются перемычками, проходящими сквозь две платы. Если перемычки расклепать, то они будут осуществлять и крепление платы.

Рис. 14

Очень часто в системе требуется не только индикатор, но и клавиатура управления. Для того чтобы сэкономить порты микроконтроллера (которых всегда не хватает), для сканирования клавиатуры можно использовать сдвиговый регистр, который применяется для индикатора. В простейшем случае, добавив всего одну входную линию порта микроконтроллера, можно подключить до 8 кнопок. Если их требуется больше, можно организовать матрицу 8хn, где n - число линий возврата клавиатуры. Пример подключения 4-х кнопок показан на рисунке.

Рис. 15

Кнопки обычно расположены конструктивно вблизи индикатора, поэтому все соединения получаются короткими. Необходимо отметить, что линии возврата клавиатуры требуют внешних подтягивающих резисторов сопротивлением 2.2 - 4.7 К. Иначе уровень логической единицы достигается слишком медленно, что потребует введения дополнительных задержек в подпрограмму сканирования. Программно обрабатываются как одиночные нажатия, так и совместные нажатия кнопок. Совместно можно нажимать любое количество кнопок, все эти комбинации будут иметь индивидуальные скан-коды.

Несмотря на то, что на выходе получается 4-х разрядный скан-код, циклов сканирования 8. Первые 4 цикла подготавливают сдвиговый регистр, записывая в него единицы. Затем осуществляется сканирование "бегущим нулем". На выходе скан-код инвертируется, чтобы нажатие кнопки давало единицу в соответствующем разряде.

Необходимо отметить, что подпрограмма сканирования не производит операцию подавления дребезга. Для подавления дребезга нужно убедится, что в течение 20 - 30 мс состояние кнопки не изменилось. Только после этого скан-код можно считать действительным. Такое время на обработку нажатий клавиатуры, когда никакие другие процессы выполняться не могут, в некоторых системах может оказаться недопустимо большим. В таких случаях процесс подавления дребезга нужно оформить как одну из задач многозадачного ядра. Естественно, привести текст такой обработки для общего случая невозможно.