通用点阵液晶显示控制装置及其应用软件开发系统

摘要

一种通用的点阵液晶显示控制装置，应用于从128×32、64×64到320×240的各种标准点阵规模的液晶显示模块，支持数据预置功能和中英文全字库，其应用软件便于采用计算机辅助设计。此显示控制装置由微处理器核、接口部分、驱动控制部分和掩膜程序构成。接口部分的数据通道和命令通道分开，数据通道采用堆栈结构并将每个单元映射到微处理器核的内部RAM地址空间，实现快速并行操作。驱动控制部分与微处理器核分时复用外部总线，实现连续显示。

说明书

一.技术领域

本发明涉及一种显示控制装置，特别是涉及一种通用的点阵液晶显示控制装置，并且涉及该显示控制装置的应用软件开发系统。

二.背景技术

传统点阵液晶显示模块的内部结构和对外接口如图1所示。点阵液晶显示模块11是由点阵液晶显示屏111、显示数据随机存储器112、点阵液晶显示控制装置113和行列驱动装置114组成。点阵液晶显示模块11的显示数据绝大部分由微处理器12负责运算和处理，并直接或通过点阵液晶显示控制装置113间接地存储在显示数据随机存储器112中。存储在显示数据随机存储器112中的数据由点阵液晶显示控制装置113有序地发送给行列驱动装置114，使点阵液晶显示屏111显示出预期的图形、图像或文字。因此，对于点阵液晶显示模块的应用来说，主要是处理外部微处理器与显示控制装置的接口问题，而接口又包括硬件接口和软件接口。

硬件接口主要分为并行接口和串行接口。采用何种接口主要视外部微处理器与显示控制装置之间的通信数据量而定。数据量大的采用并行接口，数据量小的可以采用串行接口。并行接口的通信速率高，但占用外部微处理器的I/O口资源多，且为了保证数据通信速率，一般要求外部微处理器直接支持并行口的读写操作，因此它限制了与之接口的外部微处理器的种类。串行接口可以由硬件电路实现，也可以由软件编程实现，因此它几乎适用于所有带I/O口的微处理器，但是，串行接口的通信速率低，目前只适用于小点阵规模的液晶显示模块。

软件接口是指数据传递的格式和含义，由显示控制装置的内部功能决定。外部微处理器为了控制液晶显示模块而编制的程序称为该液晶显示模块的应用软件(如前所述，其实就是显示控制装置的应用软件)。显示控制装置内部功能的强弱是影响其应用软件开发效率的主要因素。目前，各种显示控制装置的内部功能主要限于对显示数据随机存储器的读写操作，而具体如何安排显示数据的存放地址仍要由外部微处理器负责，因此，其应用软件比较复杂，开发效率不高。字符发生器的概念简化了字符显示的操作，但是仍然有以下缺点，如：字符位置固定、字符数有限、点阵类型单一等。

另外，不同点阵规模的液晶显示模块所采用的显示控制装置不尽相同，因此具有不同的软件接口，这使得液晶显示应用软件的一致性较差，不利于社会整体开发效率的提高，换言之，不同的软件接口使得人们很难总结出统一的应用软件开发方法。

目前，存在一种方案(以《单片机与嵌入式系统应用》2002年第1期中“实现可视化编程的图形点阵液晶模块应用技术”一文为代表)可以部分解决点阵液晶显示模块软件接口的统一性问题。这种方案是这样的：在原有的点阵液晶显示模块和外部微处理器之间增加一个微处理器环节(称为接口微处理器)，使得外部微处理器与接口微处理器的软件接口可以做到统一。但是，这种方案增加了成本，因此不宜大批量使用，另外，由于现有的微处理器之间难于实现并行接口，因此在需要大量数据通信的场合下，此方案也不合适。总之，这种方案能够解决部分点阵液晶显示模块的软件接口统一性问题，但是无法做到真正的统一，且增加了成本。

另外，现有的各种方案中未见有全面考虑设计和仿真的，通常是要将设计结果下载到点阵液晶显示模块中，才能查看它在真实系统中的效果，这在显示内容较多、显示页面关系较复杂的情况下，效率提高的程度十分有限。

三.发明内容

本发明的总体目标是在不增加成本的前提下提高点阵液晶显示模块应用软件的社会整体开发效率。其解决方案包括以下内容：

1.一支持数据预置功能的通用点阵液晶显示控制装置，用以实现以下所有子目标：1)单屏支持从128×32、64×64到320×240的各种标准点阵规模，使得应用该显示控制装置的各种点阵规模的液晶模块具有相同的接口；2)支持数据(不仅仅是位图)预置功能，减少外部与之的数据通信量；3)支持中英文全字库；4)支持外部数据的快速并行输入，使之在某些显示数据不能完全预置或不用预置的情况下也能使用。该显示控制装置的一种典型应用如图2所示，用以构成具有数据预置功能的点阵液晶显示模块。

2.一显示页面设计/仿真软件，用以可视化地设计点阵液晶显示页面和产生预置数据，并且能够随时对设计结果进行仿真。

3.一下载/仿真接口卡，用以联接用户控制板和计算机，实现对点阵液晶显示模块的真实模拟，或者联接计算机和点阵液晶显示模块，实现将设计的最终结果预置到点阵液晶显示模块中。

本发明的显著效果在于：1)以一种通用的显示控制装置适应各种点阵规模的液晶模块，从而统一了点阵液晶显示模块的接口，这不但有利于提高点阵液晶显示模块应用软件的社会整体开发效率，同时也不增加成本，有利于大批量使用；2)支持数据预置功能，减少了外部微处理器和点阵液晶显示模块之间的数据通信量，利于采用串行接口、扩大适用的外部微处理器范围，同时也使显示页面信息具有统一的存储格式，有利于采用计算机软件进行辅助设计，进一步提高点阵液晶显示模块应用软件的开发效率；3)与液晶的点阵规模无关，通用点阵液晶显示控制装置的几个外围设备都是可选的，如：可编程只读存储器、中英文全字库，另外，显示数据随机存储器和可编程只读存储器的容量也是可选的，因此可以适合制造各种功能和成本要求的点阵液晶显示模块；4)仅采用一套开发系统，便能够基本真实地模拟各种规格的点阵液晶显示模块，并且该系统的成本不高。

一般认为，在液晶显示模块上增加可编程只读存储器和中英文全字库会增加液晶显示模块的成本，但可编程只读存储器和中英文全字库中存放的都是原本应由外部微处理器传送的数据，这些数据即使不存在液晶显示模块上，也要放在外部微处理器所在的用户控制板上。从液晶显示模块的应用系统来看，采用本发明的方案不会增加成本，相反，由于这种方案使得应用系统可以选用更简单的外部微处理器，并且减小用户控制电路板的面积，从而降低了应用系统的总体成本。

四.附图说明

图1为传统点阵液晶显示模块的内部结构和对外接口。

图2为具有数据预置功能的点阵液晶显示模块，它采用了本发明的通用点阵液晶显示控制装置。

图3为图2中通用点阵液晶显示控制装置213的内部结构和对外接口。

图4为图3中接口部分312的原理结构。

图5为图3中驱动控制部分313与微处理器核311对数据和地址总线分时复用的方法。

图6为图3中掩膜程序314的主程序流程。

图7为点阵液晶显示模块应用软件开发系统的构成及使用方法。

图8为点阵液晶显示模块应用软件开发流程。

图9为图7中下载/仿真接口卡731的内部结构和对外接口。

五.具体实施方式

图2显示了通用点阵液晶显示控制装置的一个典型应用。具有数据预置功能的点阵液晶显示模块21是由点阵液晶显示屏211、显示数据随机存储器212、通用点阵液晶显示控制装置213、行列驱动装置214、可编程只读存储器215和中英文全字库216组成。微处理器22与液晶显示模块21的硬件接口为并行或串行方式。液晶显示页面的各种信息通过显示控制装置213预先写入可编程只读存储器215中，微处理器22只需向通用点阵液晶显示控制装置213发送很少的参数便可使大量的显示数据存储在显示数据随机存储器212中。存储在显示数据随机存储器212中的数据由显示控制装置213有序地发送给行列驱动装置214，使点阵液晶显示屏211显示出预期的图形、图像或文字。可以看出，点阵液晶显示模块的结构采用本发明提供的方案，使大部分显示数据可以在模块内部传送，因而大大减少了外部微处理器与模块的数据通信量。

如前所述，显示控制装置的功能在决定液晶显示模块的功能时起了重要作用。图3显示了通用点阵液晶显示控制装置的内部结构和对外接口。从内部结构来看，通用点阵液晶显示控制装置31不是简单地由微处理器和现有的点阵液晶显示控制装置拼凑而成，而是采用微处理器的内核311，增加接口部分312和驱动控制部分313。显示控制装置31的软件功能由掩膜程序314实现。接口部分312负责与微处理器32进行数据通信，它将微处理器32送来的数据以堆栈形式保存起来映射到微处理器核311的内部RAM地址空间，当接口部分312收到微处理器32发来的命令代码时，通知程序314根据堆栈里的数据做相应的处理。例如当接口部分312收到“显示字符”的命令代码时，程序314便根据堆栈里的坐标参数和字符编码到可编程只读存储器35或中英文全字库36中读取字符的点阵信息并按一定的规则写到显示数据随机存储器34中。驱动控制部分313负责将显示数据随机存储器34中数据按一定的时序发送给行列驱动装置33。驱动控制部分313与微处理器核311通过分时复用的方式共用外部总线，这样既不影响微处理器核311的正常运作，也能够实现显示的连续性。

下面，详细介绍通用点阵液晶显示控制装置中各部分的具体实施方式。

微处理器核可以选用目前已经存在的8位或16位微处理器核，也可以是重新设计的微处理器核，本发明采用与MCS51兼容的核。

图4显示了通用点阵液晶显示控制装置的接口部分的原理结构。接口部分41由数据堆栈411、命令寄存器412、堆栈地址计数器413和串行接口装置414构成。其中，数据堆栈411由若干个连续地址的随机存储器(RAM)单元构成。串行接口装置414对数据堆栈411和命令寄存器412的操作方式与微处理器42对数据堆栈411和命令寄存器412的并行接口的操作方式相同。只有当命令寄存器412的值为FFh时，接口电路41才能接受数据或命令。堆栈地址计数器413的初始值为0。每写一次数据时，外部数据送到堆栈地址计数器413所指向的RAM单元，随后，堆栈地址计数器413的值增一。写命令时，数据作为命令代码送到命令寄存器412，如果该命令代码不是FFh，则封锁数据通道的读写信号和命令通道的写信号，直到微处理器核43将命令寄存器412的值改为FFh。每读一次数据时，堆栈地址计数器413的值减一，随后，微处理器42获得堆栈地址计数器413所指向的RAM单元的值。读状态时，微处理器42获得命令寄存器412的值。微处理器42在任何时候都可以读状态，并根据该状态是否为FFh来判断通用点阵液晶显示控制装置是否闲。由于数据通道采用堆栈结构，接口部分可以连续接收和发送一定长度(如最多可达16字节或32字节等)的数据，因此能够支持外部数据的快速并行操作。

接口部分中堆栈的另外一种实施办法是采用双向移位寄存器的结构。但在堆栈深度比较大的情况下，电路所需的基本元件数会大大超过图4结构所需的基本元件数。

在行列驱动装置不具备保存一屏显示数据的情况下，为了保证液晶显示的不间断性，通用点阵液晶显示控制装置的驱动控制部分必须连续地访问显示数据随机存储器，如果不对微处理器核稍加修改，则存在外部总线冲突的问题。本说明书以MCS51核为例说明通用点阵液晶显示控制装置中微处理器核与驱动控制部分对外部总线分时复用的原理。图5显示了这种分时复用的方法。MCS51核的一个机器周期P51分为6个状态S1～S6，每个状态执行哪些操作可参看介绍5 1单片机原理的书籍。修改后MCS51核的一个机器周期P52分为8个状态S1～S8，其中S1～S6为原有的六个状态P521，在这六个状态下，MCS51核执行原有的操作并占有外部总线；S7和S8为新增的两个状态P522，在这两个状态下，MCS51核只保持S6时的状态，释放对外部总线的占有，驱动控制部分对显示数据随机存储器执行读操作。另外，驱动控制部分能够根据外引脚的设置自动调整扫描的行数及每一行的位数。

实施以上方案，通用点阵液晶显示控制装置的硬件功能就已经具备，现在可以考虑软件接口功能的实现了。图6是通用点阵液晶显示控制装置掩膜程序的主程序流程。硬件复位后，程序首先执行步骤S61和S62，之后便进入一个循环体(该循环体包括S63，S64，S65，S66，S67)。其中，步骤S63和S64也是一个循环体，程序不停地查询命令寄存器，一旦发现命令代码不是FFh(此时，接口部分数据通道的读写信号和命令通道的写信号已经自动封锁)，则执行步骤S65，并根据该命令代码调用相应的函数(步骤S66)。所执行的函数若有返回参数，则按一定的顺序存放在数据堆栈内，并将堆栈地址计数器的值设为参数个数。每一个函数执行完毕，则将命令寄存器的值改为FFh(步骤S67)，开放读写信号，然后再执行步骤S63和S64的循环。由此可见，只要编写相应的函数，通用点阵液晶显示控制装置可以实现现有点阵液晶显示控制装置所无法实现的功能。

概括地说，通用点阵液晶显示控制装置的技术特征是：采用微处理器核及其掩膜程序实现软件接口功能并支持可编程只读存储器和中英文全字库；通过接口部分实现硬件接口功能，接口部分的数据通道和命令通道分开，数据通道采用堆栈结构，数据堆栈的每一个单元、命令寄存器和堆栈地址计数器映射到微处理器核的内部RAM空间，供微处理器核自由访问；命令寄存器的值为FFh时，自动封锁数据通道的读写信号和命令通道的写信号；驱动控制部分与微处理器核分时复用外部总线。

至此，本说明书已将通用点阵液晶显示控制装置的具体实施方式介绍完毕。接下来介绍其应用软件开发系统的实现方法。

首先来看这套系统的构成及使用方法。如图7，该系统由计算机71、显示页面设计/仿真软件711和下载/仿真接口卡731组成。下载/仿真接口卡731与计算机71之间用串行口联接。整个开发过程分为设计和仿真调试两种状态，一般情况下，这两种状态是交替存在的(如图8中的步骤S84和S85)。在设计未最终完成时，设计结果只存于计算机中，并可随时联接用户控制板74进行仿真。在设计最终完成时，可联接具有数据预置功能的点阵液晶显示模块72，下载设计结果。微处理器的仿真软件712与显示页面设计/仿真软件711可在同一台计算机中运行。

使用该系统进行点阵液晶显示模块应用软件开发的整个流程见图8。步骤S81、S82、S83为设计准备阶段；步骤S84、S85、S86、S87为设计循环阶段，在这个阶段，液晶显示模块预置数据及用户板上微处理器软件的设计和仿真可交替进行，循环周期快，直至达到设计目标；步骤S88、S89为设计收尾阶段，在设计达到目标之后执行。经数据预置的点阵液晶显示模块便具有简单的接口和复杂的功能。

下面来看这套开发系统中的主要部件73(包括显示页面设计/仿真软件711和下载/仿真接口卡731)是如何设计的。

显示页面设计/仿真软件711的设计没有特别难的地方，本说明书只提几点设计思路：1)用高级语言描述通用点阵液晶显示控制装置中微处理器核的功能；2)开辟内存充当显示数据随机存储器、中英文全字库和可编程只读存储器；3)设计过程中的可视化与仿真时显示采用相同的引擎，即可视化显示的过程就是快速仿真的过程。

下载/仿真接口卡91的内部结构和对外接口如图9所示，它主要由下载/仿真接口装置911和RS232电平转换装置912构成。RS232电平转换装置912负责计算机92和下载/仿真接口装置911之间的电平转换，有现成的产品。而下载/仿真接口装置911没有现成的产品，它是由通用点阵液晶显示控制装置稍加修改而来的。将图9中的911与图3中的31对照，可以看出，下载/仿真接口装置911比通用点阵液晶显示控制装置31少了驱动控制部分313，增加了通用异步收发器9113，其它结构不变，只是掩膜程序9114与314的内容不同。在仿真状态下，掩膜程序9114负责将用户控制板93发来的参数和命令转发给计算机，并将计算机返回的参数和状态分别放在接口部分9112的数据堆栈和命令寄存器内。在下载状态下，掩膜程序9114负责将计算机发来的预置信息写入具有数据预置功能的点阵液晶显示模块94内。

综上所述，为了在不增加成本的前提下提高点阵液晶显示模块应用软件的社会整体开发效率，本发明提出了一套切实可行的整体方案，它包括一种支持数据预置功能的通用点阵液晶显示控制装置及其应用软件的开发系统。