介紹一種基于AVR單片機和硬件漢字庫的VRAM 型彩色液晶顯示模塊的設計。給出彩色液晶顯示器的顯示原理、硬件接口設計框圖以及硬件漢字庫的制作和應用，同時給出基于C語言的程序設計模塊，實現(xiàn)了應用VRAM 型液晶的模塊化，便于移植在其他類型的單片機。

　　1 　引言

　　隨著電子技術的飛速發(fā)展，越來越多的領域應用到以單片機為控制核心、用液晶作為顯示終端的數(shù)字化設備。彩色液晶顯示器作為當代高新技術的結(jié)晶產(chǎn)品，不但具有超薄平面、顯示信息豐富、色彩逼真的特點，而且還具有體積小、耗電省、壽命長、無輻射、抗震、防爆等其他類型顯示器無可比擬的優(yōu)點，因而是工控儀表、機電設備等行業(yè)更新?lián)Q代的理想顯示器件。因此基于單片機系統(tǒng)的彩色液晶顯示模塊的使用也越來越廣泛。本文介紹一種基于AVR 單片機和硬件漢字庫的彩色液晶顯示模塊，該模塊實現(xiàn)了在彩色液晶顯示器上顯示不同顏色的中文、英文、數(shù)字及簡單的畫圖功能。

　　2 　液晶顯示器顯示原理

　　本模塊采用的液晶顯示器是河南友利華高科技有限公司生產(chǎn)的YD2502 彩色液晶VRAM 型顯示器。它的點陣數(shù)是320 ×240 ,VRAM 容量是64 k ×8 位，由于屏幕上的任何一點都是由R（紅） 、G（綠） 、B（藍） 3 種顏色組成，且灰度不可調(diào)節(jié)，因此顯示顏色為8 色?；驹砜驁D如圖1所示。DC/ DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生液晶所用各種驅(qū)動電壓，DC/ AC 逆變器則用來點亮冷陰極背光燈， 顯示驅(qū)動邏輯電路采用了優(yōu)化邏輯電路，利用分時技術讓顯示與寫入數(shù)據(jù)同時進行，實現(xiàn)了畫面的高速更新，且互不干擾。其顯示原理是：在顯示器內(nèi)部含有一個顯示緩沖區(qū)與屏幕顯示一一對應，使用時只需向緩沖區(qū)里寫入相應的數(shù)據(jù)，屏幕上即可顯示出對應的彩色圖形或文字，也就是說該顯示器可作為單片機系統(tǒng)的一個外部存儲器就可以實現(xiàn)彩色信息的顯示。

圖1 　YD2502 原理框圖

　　3 　硬件系統(tǒng)設計

　　3. 1 　硬件總體設計

　　本模塊中使用的單片機是AVR 系列單片機中功能最強的A Tmega128 。該單片機具有豐富的片上資源如具有128 kB 在線可重復編程Flash、4 kB 的E2 PROM、4 kB 的內(nèi)部SRAM、48 個I/ O 端口、34 個不同的中斷源、可尋址64 kB 的地址空間、ISP 下載以及J TA G 仿真等功能。詳細介紹請參考其數(shù)據(jù)手冊。

　　圖2 是該模塊硬件系統(tǒng)總體設計框圖。由于YD2502 的顯示緩沖區(qū)里的內(nèi)容是不能讀出的，為了保存寫入內(nèi)容，在該模塊中還外擴了一片存儲器芯片61LV5128 ,其存儲容量為512 kB ,除了保存YD2502 顯示緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)外，還為使用本模塊的嵌入式系統(tǒng)提供了擴展應用。由于A Tmega128 的尋址范圍只達到64 KB ,因此采用了分頁管理技術來操作512 kB 的存儲空間。在具體電路設計時，將A Tmega128 的PB3 ～ PB0連接到61LV5128 的高4 位地址線上，將512 kB的存儲空間分成16 頁，每頁32 kB。硬件漢字庫芯片AT29C040A 的存儲容量也是512 kB ,與CPU的接口設計與61LV5128 是類似的，只需將片選信號和高4 位地址線接在不同的I/ O 口上就可以了。

圖2 　硬件設計圖

3. 2 　YD2502 的接口設計

　　YD2502 的接口方式采用總線方式，外部引線包括數(shù)據(jù)總線（DB7～DB0） 、片選信號（/ CS） 、讀寫輸入（/ RD、/ WR） 和寄存器選擇信號（RS） ,可以直接掛接到單片機的總線上，作為單片機的某部分內(nèi)存來使用。接口采用16 針插座，引腳定義請參閱其說明書。

　　根據(jù)YD2502 可以作為單片機的外部存儲器使用的接口特性，將A Tmega128 的讀寫信號線與YD2502 的讀寫信號線直接連接，具體接口設計原理如圖3 所示。

圖3 　AT128 與YD2502 的接口

　　3. 3 　硬件漢字庫的制作

　　本模塊使用了硬件漢字庫，省去了利用漢字取模軟件獲取點陣數(shù)據(jù)的麻煩，而且還避免了為保存這些數(shù)據(jù)而開辟的大量程序存儲空間。

　　漢字庫中要燒寫的點陣文件是UCDOS 軟件中的文件HZK16 ,該文件是16 ×16 的國際漢字點陣文件，文件中按漢字區(qū)位碼從小到大依次存放國標區(qū)位碼表中的所有漢字，每個漢字占用32字節(jié)，每個區(qū)為94 個漢字。漢字庫芯片采用的是AT29C040A ,該芯片是ATMEL 公司生產(chǎn)的512 kB的Flash ROM。在制作時，燒寫過程和普通的程序存儲器的編程基本相同，只要注意選擇正確的型號和在選擇打開HZK16 的方式時用二進制方式就可以了，編程校驗成功后，取下備用，硬件漢字庫芯片就制作好了。

　　實際上若顯示HZK16 的文件屬性，其大小為262 kB ,而AT29C040A 的存儲容量為512 kB ,超出部分可以存儲用戶固定的漢字、字母和數(shù)字的代碼，從而使顯示內(nèi)容更加靈活豐富。4 　軟件系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

　　4. 1 　操作YD2502 的程序設計

　　YD2502 的指令碼格式如下：

　　其中： CA1 ,CA0 組合功能為內(nèi)部寄存器通道的選擇，功能如下：

　　DISP :顯示控制位。

　　當DISP 設置為“1”時，液晶顯示模塊為開顯示狀態(tài)。

　　當DISP 設置為“0”時，液晶顯示模塊為關顯示狀態(tài)。

　　X:表示未用位，可設為“0”。

　　ATmega128 訪問外部存儲器的軟件設計步驟是：先用extern 聲明一個外部變量，再用map2ping_init 函數(shù)（外部存儲地址分配函數(shù)） 分配給此變量一個外部存儲地址（因A Tmega128 內(nèi)部有4 kB 的SRAM 所以外部存儲地址范圍為1000H～0FFFFH） ,那么對該變量的操作就實現(xiàn)了CPU 對相應地址的外部存儲空間的訪問。

根據(jù)此步驟，對YD2502 寫指令和寫數(shù)據(jù)的具體函數(shù)如下：

　　extern unsigned char LCD_DA TA ;

　　void 　mapping_init （void） {

　　asm（“。 area memory （abs） n”

　　“。 org 0x4000n ”　　/ / 分配給LCD_DA TA 的地址為4000H

　　“ _LCD_DA TA : : . blkb 1 n”/ / 存儲空間為1

　　“。 text/ n”） ;}

　　寫指令函數(shù)如下：

　　void 　LCD_writeinstr （unsigned char data） {

　　PORTD & = 0xFC ; 　　　/ / 置/ CS 為低電平，并且置RS 為低電平，處于寫指令狀態(tài)

　　LCD_DA TA = data ; / / 送數(shù)據(jù)

　　PORTD | = 0x03 ;} / / 置/ CS 和RS為高電平

　　寫數(shù)據(jù)函數(shù)如下：

　　void 　LCD_writedata （unsigned char data） {

　　PORTD & = 0xFE ; 　　/ / 置/ CS 為低，并且置RS 為高電平，處于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)

　　LCD_DA TA = data ; / / 送數(shù)據(jù)

　　PORTD | = 0x01 ;} / / 置/ CS 為高電平除了上面兩個基本的函數(shù)外，對YD2502 最基本的操作是往VRAM 里寫數(shù)據(jù)，根據(jù)上面給出的指令碼，具體函數(shù)如下：

　　# define 　HREG 　　0x09 　/ / 顯示地址高8 位寄存器指令

　　# define 　L REG 0x08 / / 顯示地址低8 位寄存器指令

　　# define 　DA TARW 0x0A / / 顯示數(shù)據(jù)讀寫通道指令

　　void 　LCD_filldata （ unsigned int address ,

　　unsigned char data） {

　　unsigned char addrh ,addrl ;

　　addrh = （char） （address > > 8） ; 　/ / 取內(nèi)存地址的高8 位數(shù)據(jù)

　　addrl = （char） （address &0xFF） ; 　/ / 取內(nèi)存地址的低8 位數(shù)據(jù)

　　LCD_writeinst r （ HREG） ; 　/ / 送顯示地址高8 位寄存器指令

　　LCD_writedata （addrh） ; 　/ / 送內(nèi)存地址的高8 位數(shù)據(jù)

　　LCD_writeinst r （L REG） ; 　/ / 送顯示地址低8 位寄存器指令

　　LCD_writedata （addrl） ; 　/ / 送內(nèi)存地址的低8 位數(shù)據(jù)

　　LCD_writeinst r （DA TARW） ; 　/ / 送顯示數(shù)據(jù)讀寫通道指令

　　LCD_writedata （data） ;} 　/ / 送數(shù)據(jù)

　　4. 2 　畫點函數(shù)的實現(xiàn)

　　要在液晶上實現(xiàn)顯示字符和畫圖等功能，在屏幕上顯示一個點是實現(xiàn)這些功能的基礎。畫點函數(shù)實現(xiàn)的步驟是：首先確定該點對應的VRAM中的內(nèi)存位置，找到該點具體對應的數(shù)據(jù)位，填充顯示顏色的數(shù)據(jù)，該點就按對應的顏色顯示出來了。

　　4. 2. 1 　顯示內(nèi)存與屏幕點陣的對應關系

　　YD2502 屏幕點陣為320 ×240 ,每一個點對應3 個像素（RGB） ,屏幕上8 個點對應內(nèi)存3 個字節(jié)，一行對應320/ 8 ×3 = 120 個字節(jié)，其對應關系如下：

　　其中R ,G,B 表示紅、綠、藍三原色，D7～D0 表示對應的數(shù)據(jù)位。

對于屏幕上坐標為（ X , Y） 的點，其對應內(nèi)存地址的計算方法為：

　　當Y = 0 時　　SRAM = 0EFH ×100H +[ IN T（ X/ 8） ] ×3

　　當Y > 0 時　　SRAM = （ Y - 1） ×100H +[ IN T（ X/ 8） ] ×3

　　通過（ X/ 8） 的余數(shù)得出具體的內(nèi)存位置：

　　當余數(shù)為0 　則　RAM = SRAM 　[ 1110 ,0000 ]

　　當余數(shù)為1 　則　RAM = SRAM 　[ 0001 ,1100 ]

　　當余數(shù)為2 　則　RAM1 = SRAM 　[ 0000 ,0011 ]

　　RAM2 = SRAM + 1[1000 ,0000 ]

　　當余數(shù)為3 　則　RAM = SRAM + 1[0111 ,0000 ]

　　當余數(shù)為4 　則　RAM = SRAM + 1[0000 ,1110 ]

　　當余數(shù)為5 　則　RAM1 = SRAM + 1[0000 ,0001 ]

　　RAM2 = SRAM + 2[1100 ,0000 ]

　　當余數(shù)為6 　則　RAM = SRAM + 2[0011 ,1000 ]

　　當余數(shù)為7 　則　RAM = SRAM + 2[0000 ,0111 ]

　　其中[ ]內(nèi)為“1”的位表示應該填充顏色的位置， SRAM 表示該點對應的基礎地址， RAM、RAM1 和RAM2 表示該點對應的實際內(nèi)存地址。

　　當數(shù)據(jù)位為“1”時，對應色點為亮；為“0”時，對應色點為暗。通過RGB 三原色組合而得到的8 種顏色代碼如下：

　　例1 :若X 、Y 坐標為（7 ,0）

　　SRAM = 0EFH ×100H + 0 = 0EF00H

　　余數(shù)為7 ,則　RAM = 0EF00H + 2 = 0EF02H

　　若此點為紅色，則送入0EF02H 內(nèi)存單元里的數(shù)據(jù)為[ 0EF02H] &11111000B + 00000100B

　　例2 :若X 、Y 坐標為（15 ,5）

　　SRAM = （5 - 1） ×100H + 1 ×3 = 403H

　　余數(shù)為5 ,則　RAM1 = 403H + 1 = 404H

　　RAM2 = 403H + 2 = 405H

　　若此點為白色，則送入這兩個單元的數(shù)據(jù)為

　　[ 404H] &11111110B + 00000001B

　　[ 405H] &00111111B + 11000000B

　　4. 2. 2 　畫點函數(shù)的具體實現(xiàn)

　　從例1 和例2 可以看出，要只顯示一個色點，就必須知道該點對應的內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，而前面提到過內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是不能讀出的，所以要將寫入內(nèi)存中的數(shù)據(jù)先保存起來，即在向YD2502 的顯示緩沖區(qū)里寫數(shù)據(jù)之前， 應先將此數(shù)據(jù)寫入61LV5128 。若在坐標（ X , Y） 處畫顏色為color 的點，其具體函數(shù)如下：

　　void 　LCD_ disppixel （ unsigned int X , unsigned int Y ,unsigned char color） {

　　unsigned int address ;

　　unsigned char data ;

　　address = LCD_pixeladdr （ X , Y） ;

　　/ / 計算該點對應的內(nèi)存地址

　　switch （ X %8） {

　　case 0 : data = read _ exram （ ad2

　　dress） ; / / 讀取相應SRAM 中的數(shù)據(jù)

　　data & = 0x1F; / / [1110 ,

　　0000]保存其他點的數(shù)據(jù)

　　data | = （color < < 5） ;

　　/ / 填充相應的顏色

　　write _ exram （ data , ad2

　　dress） ; / / 把修改好的數(shù)據(jù)寫回到SRAM

　　LCD_filldata （address ,da2

　　ta） ; / / 把數(shù)據(jù)寫到液晶顯示緩沖區(qū)

　　break ;

　　……

　　case 7 : …; break ;}}

　　以上只給出了余數(shù)是0 的情況，其他的情況可依此類推。計算內(nèi)存地址的LCD_pixeladdr 函數(shù)可根據(jù)給出的內(nèi)存地址計算方法編寫，讀寫61LV5128 的read_exram 函數(shù)和write_exram 函數(shù)可根據(jù)具體的硬件設計編寫，這里不再給出。

4. 3 　顯示漢字和其他功能的實現(xiàn)

　　在屏幕上顯示16 ×16 點陣漢字的基本步驟是：首先取得該漢字的32 個字節(jié)的點陣數(shù)據(jù)，再確定屏幕上顯示的位置，利用畫點函數(shù)即可顯示該漢字。因本模塊使用了硬件漢字庫技術，所以漢字的點陣數(shù)據(jù)是從漢字庫中獲取的。

　　在計算機漢字系統(tǒng)中，漢字是用機內(nèi)碼的形式存儲的，將漢字機內(nèi)碼減去0A0A0H 就得到該漢字的區(qū)位碼，通過區(qū)位碼就可以找到該漢字點陣數(shù)據(jù)在漢字庫中的位置。例如：漢字“中”的機內(nèi)碼是十六進制的“D6D0”，其中前兩位“D6”表示機內(nèi)碼的區(qū)碼，后兩位“D0”表示機內(nèi)碼的位碼。所以“中”的區(qū)位碼為0D6D0H - 0A0A0H =3630H ,將區(qū)碼和位碼分別轉(zhuǎn)換為十進制，得漢字“中”的區(qū)位碼為“5448”。即“中”的點陣位于第54區(qū)的第48 個字的位置，在文件HZK16 中的位置為第32 ×[（54 - 1）×94 + （48 - 1）] = 160928D以后的32 個字節(jié)為“中”的點陣數(shù)據(jù)，用SUPER2PRO25 編程器讀入文件HZK16 后利用其編輯功能中的緩沖區(qū)編輯查找到274A0H （160928D 的十六進制表示） 開始的32 個字節(jié)： 01H , 00H ,01H , 00H , 01H , 04H , 7FH , FEH , 41H , 04H ,41H , 04H , 41H , 04H , 41H , 04H , 7FH , FCH ,41H , 04H , 01H , 00H , 01H , 00H , 01H , 00H ,01H ,00H ,01H ,00H ,01H ,00H。這些數(shù)據(jù)與其點陣圖形的對應關系如圖4 所示，圖中黑色方格表示二進制位“1”，即對應該顯示的點，白色方格表示二進制位“0”，即不該顯示的點。因此要在液晶屏幕上顯示16 ×16 點陣的漢字，首先應找到該漢字在硬件漢字庫中的位置，取出其后的32 個字節(jié)數(shù)據(jù)。取這32 個字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)如下：

圖4 　漢字“中”的點陣圖形

　　unsigned 　char 　chinese[ ] [ 2 ] = {“中”“， 國”} ;

　　unsigned 　char 　buffer [32 ] ;

　　void 　LCD_ readdata （ unsigned char num2

　　ber） {

　　unsigned 　char 　temp1 ,temp2 , k ;

　　unsigned 　long 　address , i ;

　　temp1 = chinese 　[ number ] [ 0 ] - 0xA0 ;/ / 把機內(nèi)碼轉(zhuǎn)換成區(qū)位碼

　　temp2 = chinese 　[ number ] [ 1 ] - 0xA0 ;

　　address = 32 3 （ （ （long） temp1 - 1） 3 94 +（ （long） temp2 - 1） ） ; 　/ / 計算該漢字在漢字庫中的首地址

　　k = 0 ;

　　for （ i = address ; i < address + 32 ; i + + ） {

　　data = read_exrom（ i） ;

　　buffer [ k ] = data ;

　　k + + ; }}

　　讀A T29C040A 的read_exrom 函數(shù)可根據(jù)硬件設計編寫，這里不再給出。

　　取得這32 個字節(jié)數(shù)據(jù)后，下面的程序設計就比較容易了，這里只給出程序流程（如圖5 所示） ,具體函數(shù)可根據(jù)此流程編寫。其中（ X , Y） 是該漢字顯示的起始點， color 是該漢字的顯示顏色，number 是該漢字在chinese 數(shù)組中的位置。顯示英文和數(shù)字的函數(shù)可根據(jù)顯示漢字的函數(shù)稍加改造后即可得到，這里不再詳細分析。

圖5 　顯示一個漢字程序流程圖

　　在本模塊中也實現(xiàn)了在屏幕上畫斜線、圓等功能，其具體實現(xiàn)過程就是在畫點函數(shù)的基礎上通過相應的算法來編寫這些函數(shù)。畫線和畫圓算法比較多，在這里畫線算法采用的是整數(shù)數(shù)字微分分析法，畫圓算法采用的是貝森海姆算法。

　　鑒于篇幅所限，這里不再具體分析。由于YD2502是點陣式液晶顯示器， 還可以通過移植嵌入式GUI（如μC/ GUI） 軟件，使其顯示多種曲線，各種窗口對象，如按鈕、編輯框、滑動條等更加豐富靈活的圖形界面。

　　5 　結(jié)語

　　以上程序均在ICCAVR 編譯器里調(diào)試通過，實現(xiàn)了在液晶屏幕上正常顯示各種顏色的漢字、英文、數(shù)字及簡單的圖形功能。在筆者參與開發(fā)的油田探測爆炸機設備中，采用了本液晶模塊，達到了顯示穩(wěn)定，顯示色彩豐富，人機界面友好的較理想的顯示效果。