浅议CPLD温度显示系统设计

摘要：本文将VHDL语言应用于液晶显示系统，根据要求设计温度显示系统，介绍了温度显示系统总体设计方案， 并分别阐述了系统模块的划分、工作原理，实现了时间、温度以及要求温度的显示。

关键词：温度显示；CPLD；VHDL

中图分类号：TN141.9 文献标识码：A

1 引言

显示器是人与机器沟通的重要界面，早期以显像管显示器（CRT）为主，随着科技不断进步，各种显示技术诞生。近来由于液晶显示器（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，有逐渐取代CRT显示器主流地位的趋势[1]。

目前很多工业控制领域采用单片机及其它芯片结合，液晶显示控制器实现温度控制显示。但是，现有控制器大多与显示屏集成，显示内容受到一定限制，又不能实现显示与动态图形显示相结合。CPLD（Complicate Programmable Logic Devices）具有编程方便、集成度高、速度快、价格低等优点，应用广泛，市场潜力强；LCD使用便利，适用范围广泛。CPLD与LCD结合使用使控制显示系统在复杂和恶劣条件下的使用成为可能[2-3]。

2 系统总体方案设计

显示系统组成框图如图1所示，它主要包括程序ROM、通信口（RS232）、数据ROM、数据RAM、MPU（AT89C51）、TEMPDISPLAY（CPLD）、显示RAM和LCD。控制器直接与微处理器（MPU）相连接，从MPU处接收8位温度测量数据信号，控制信号，键盘信号。通过内部电路将8位数据信号转换为4位并行数据信号，并与转换后的控制信号一起输出给TEMPDISPLAY（CPLD），同时由显示RAM将显示数据输出到液晶显示屏。

单片机传送初始数据给TEMPDISPLAY，以建立控制器的操作参数，同时实现预定显示。初始化完成后指令代码通过译码器解译为逻辑信号，实现控制/设置功能，为驱动系统提供扫描时序信号；数据进入数据输入寄存器被格式化，同时存储在显示RAM中。随着RAM数据的更新，LCD控制器持续从显示RAM中读取数据，将显示数据和扫描时序信号传送给驱动系统，驱动系统将“显示”和“非显示”控制信号输出给电压转换电路，由交流脉冲信号控制电压转换电路，产生行列驱动电压，直接驱动液晶电极，实现预定显示。单片机没有为显示RAM提供直接路径，把所有的数据和命令传送给LCD控制芯片，然后传给显示RAM。

基于CPLD的温度显示系统具有如下功能[2]：

（1） 测温并且显温功能：这是本设计的基本功能，每隔一分钟接收一次测量并加以显示。

（2） 计时功能：这是本设计的辅助功能，每隔一分钟计时一次，并且在显示屏上显示当前时间。

（3） 设置新温度：按“温度”键后，更改“要求温度”的温度值的显示，用户用数字键“0”~“9”输入新的温度，到规定值后直接跳出。

（4） 设置新时间：按“时间”键后，更改“时间”的时间值的显示，用户用数字键“0”~“9”输入新的时间，到规定值后直接跳出。

3 硬件模块设计

3.1 微处理器

微处理器选用AT89C51单片机，AT89C51通过并行I/O口与LCD控制器芯片相连，同时与PC的数据总线和显示RAM相连。

3.2 VHDL编写芯片

TEMPDISPLAY即VHDL编写芯片。通过硬件描述语言设计，分别实现模块功能，包括以下几个部分：

系统译码器：可将KEYPAD信号转换为0~9的整型数，以直观地表示和处理用户输入的数字。

键盘缓冲器：是一个移位寄存器，暂存用户键入的数字，并且实现用户键入数字在显示器上从右到左的依次显示。

分频器：将较高数的外部时钟频率分频为每分钟一次的时钟频率，以便进行控制测温和进行时间计数。

计数器：实际上是一个复位，异步置数的累加器；通常情况下进行时钟的累加计数，可以用来使时间累加和温度累加。

寄存器：用与新温度的设置，新时间的设置是个异步复位寄存器。

显示器：根据所测温度显示所测温度的数值，显示当前时间和所输入新的温度的值。同时判断当前的温度是否达到输入新温度，实际上是一个多路选择器加比较器。

控制器：是设计的核心部分，按设计要求产生相应的控制逻辑，以控制其他部分的工作。

3.3 LCD

液晶的基本结构如图2所示。由于液晶的四壁效应，在定向膜的作用下，液晶分子在正、背玻璃电极上呈水平排列，但排列方向互为正交，而玻璃间的分子呈连续扭转过渡，这样的构造能使液晶对光线产生旋光作用，使光的偏振方向旋转90°。上、下电极施加一定电压控制，液晶呈黑色或透明状态。根据需要，将液晶电极做成各种文字、数字或点阵结构，就可获得所需的各种显示。

本系统采用TFT，TFT通过薄膜晶体管直接寻址，属于有源矩阵液晶显示器中的一种，反应时间达到了25ms，具有更高的对比度和更丰富的色彩。TFT每个像素都配置一个半导体开关器件，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可通过点脉冲直接控制，每个节点相对独立，并可连续控制，反应时间短，灰度控制上非常精确，色彩更逼真。

3.4 通信与存储器

系统选用适合于个人计算机与设备的接口的RS232串行通讯标准。采用3条连线组成，即发送线（Tx）、接收线（Rx）和地线（GND）。将控制信号和键盘信号与单片机通信，电压等级是+/-12V。

显示RAM用于预存一屏的显示数据，容量为40*54＝2160 bits，设计中集成在驱动器芯片中，以减少空间节约成本。

4 软件设计

4.1 汉字显示程序设计

首先编制出状态查询、写指令、写数据、读数据等子程序，然后编制出清屏、画点等基本子程序，最后在此基础上编写显示字符、数字、汉字及复杂的图形等。

4.2 单片机程序

由系统控制程序、显示程序与微机通信程序构成，软件流程如图3所示。系统控制程序首先完成初始化参数。然后查询是否有显示数据存在，查到后调用显示程序。显示程序则把需要显示的数据调入一特定的数据存储区中，按要求的显示方式把显示数据按一定顺序放入显示RAM中操作，通过硬件电路产生所需的视频信号。显示结束后回到系统控制程序，重复先前操作，当有微机通信信号产生，则中断执行的程序，进入串口中断处理程序，把需显示的数据及方式存入数据RAM中，然后回到中断的程序继续执行。

在硬件系统上电复位后，软件根据液晶模块的参数（如液晶的行数、列数、扫描频率等）和需要的显示方式设置各个指令的参数来初始化系统，之后由单片机把数据直接给控制器的缓存，控制器就可以控制液晶显示[2]。

5 总结

本文设计的显示系统可根据实际需要选择相应LCD，确定显示时序。设计中选用CPLD芯片，采用VHDL硬件描述语言，对显示屏系统的逻辑控制系统进行了优化设计。

显示系统采用CPLD进行开发，运用模块化设计方法，电路按功能划分成不同的模块，具有良好的通用性和互换性。显示系统构成了独立特色的控制系统，使控制功能大大增强，可以更好地使用于如空调和冰箱等设备中。

参考文献

[1]郭强.LCD应用技术[M].北京：电子工业出版社，2000.

[2]陈静，姚清玉.用LCD控制器实现EL显示屏的控制[J].现代显示，2004，（1）.

[3]刘会军，贺洪江，赵琦.VHDL在显示屏控制系统设计中的应用[J].工业控制计算机，2005，7（8）.