31_35.pdf

Dekoder−sterownik 7−segmentowego wyświetlacza LCD w VHDL

P R O J E K T Y

Dekoder−sterownik

7−segmentowego

wyświetlacza LCD

w VHDL

Do podjÍcia tego tematu

zachÍci³ mnie post na

pl.misc.elektronika, w†ktÛrym

jeden z†grupowiczÛw zwrÛci³

uwagÍ na pewien problem

przy opisie uk³adu w†jÍzyku

VHDL - przypisanie

jednobitowego sygna³u do

wielobitowego wektora. Przy

okazji przedstawiamy

przydatny, aczkolwiek niezbyt

czÍsto stosowany

w†praktycznych aplikacjach

blok funkcjonalny, ktÛry -

dziÍki uniwersalnemu jÍzykowi

opisu - moøna traktowaÊ jak

klasyczny blok IP (Intellectual

Property core).

Rekomendacje : modu³ IP

przydatny we wszelkiego

rodzaju aplikacjach,

w†ktÛrych zastosowano

klasyczne, 7-segmentowe

wyúwietlacze LCD.

Dekoder-sterownik opisany

w†artykule by³ kilkakrotnie sygna-

lizowany przez CzytelnikÛw, ale

ze wzglÍdu na jego podobieÒstwo

do scalonego dekodera-sterownika

7-segmentowych wyúwietlaczy

LED typu 4543 (uk³ad z†serii

CMOS) nie zamierza³em siÍ nim

zajmowaÊ. Nies³usznie - w†budo-

wie tego uk³adu tkwi ìkruczekî,

ktÛry sprawia sporo k³opotÛw po-

cz¹tkuj¹cym konstruktorom ko-

rzystaj¹cym z†VHDL.

fizyczne w³asnoúci zarÛwno cia³a

sta³ego, jak i†p³ynu. Jedn¹ z†ich

w³aúciwoúci jest to, øe zmieniaj¹

one swoje po³oøenie w†zaleønoúci

od przy³oøonego napiÍcia (w za-

sadzie od natÍøenia pola elekt-

rycznego pomiÍdzy ok³adkami

ìkondensatoraî, w†ktÛrym dielek-

trykiem jest ciek³y kryszta³).

Ciek³e kryszta³y w†wyúwietal-

czach stosuje siÍ najczÍúciej w†po-

staci cienkiej warstwy umieszczo-

nej miÍdzy dwiema szklanymi

p³aszczyznami, ktÛre spe³niaj¹ ro-

lÍ elektrod ( rys. 1 ). Oddzia³ywa-

nia powierzchniowe miÍdzy cz¹s-

teczkami ciek³ego kryszta³u a†ma-

teria³em elektrod powoduj¹ po-

wstanie okreúlonego u³oøenia (tek-

stury) cz¹steczek w†warstwie ciek-

³okrystalicznej. SpoúrÛd wielu

znanych tekstur molekularnych

ciek³ych kryszta³Ûw najwaøniejsze

s¹: tekstura planarna, charaktery-

zuj¹ca siÍ rÛwnoleg³ym u³oøeniem

cz¹stek ciek³ego kryszta³u w†sto-

sunku do p³aszczyzny elektrod

i†tekstura homeotropowa - o†pros-

topad³ym uk³adzie cz¹steczek.

Bardzo waøn¹ odmian¹ tekstury

planarnej jest konfiguracja TN

( Twisted Nematics ), czyli tzw.

skrÍconego nematyka, ktÛra cha-

rakteryzuje siÍ skrÍceniem osi

Wyúwietlacze LCD-TN

LCD to akronim pochodz¹cy

od Liquid Crystal Display , co

oznacza wyúwietlacz ciek³okrysta-

liczny. Ciek³e kryszta³y posiadaj¹

Rys. 1. Przekrój ilustrujący budowę klasycznego wyświetlacza LCD

Elektronika Praktyczna 6/2003

Dekoder−sterownik 7−segmentowego wyświetlacza LCD w VHDL

Rys. 2. Zasada działania wyświetlaczy LCD−TN

wiÍc przepuszczone. Po przy³oøe-

niu napiÍcia, cz¹steczki bia³ego

kryszta³u ustawi¹ siÍ prostopadle

do powierzchni szk³a i†polaryza-

torÛw. Nie bÍd¹ skrÍca³y p³asz-

czyzny polaryzacji úwiat³a. Zosta-

nie wiÍc ono zatrzymane przez

drugi, dolny polaryzator.

W³aúciwoúci ciek³ych kryszta-

³Ûw pozostaj¹ w†úcis³ym zwi¹zku

z†ich budow¹ chemiczn¹. NajogÛl-

niej moøna powiedzieÊ, øe s¹ to

substancje, ktÛrych cz¹steczki

o†wyd³uøonych kszta³tach maj¹

charakter polarny, tzn. w†ich mo-

leku³ach wystÍpuje nierÛwnomier-

ny rozk³ad ³adunku elektrycznego.

Cz¹steczki o†takich w³aúciwoú-

ciach bÍd¹ reagowa³y na pole

elektryczne.

WspÛ³czeúnie produkowane

wyúwietlacze LCD, ze wzglÍdu na

s³ab¹ odpornoúÊ stosowanych ciek-

³ych kryszta³Ûw na d³ugotrwa³¹

polaryzacjÍ napiÍciem sta³ym (po-

lem elektrycznym o†sta³ym, doúÊ

duøym natÍøeniu i†kierunku), wy-

magaj¹ sterowania impulsowego.

Polega ono na przy³oøeniu do

wspÛlnej elektrody wszystkich

segmentÛw ( backplane ) sygna³u

prostok¹tnego o†czÍstotliwoúci

30...300 Hz i†napiÍciu o†wartoúci

2...5 V. Maksymalna wartoúÊ na-

piÍcia sta³ego polaryzuj¹cego seg-

menty zazwyczaj nie moøe byÊ

wiÍksza od 50 mV. Wyúwietlacze

LCD-TN s¹ stosunkowo wolne -

w†temperaturze 25 o C czas w³¹-

czania segmentu wynosi co naj-

mniej 60 ms, natomiast czas

wy³¹czania zazwyczaj nie jest

krÛtszy niø 80 ms.

Rys. 3. Włączenie segmentu wyświetlacza LCD wymaga wysterowania

elektrody backplane sygnałem o przeciwnej fazie niż sygnału sterującego

segment

cz¹steczek rÛwnolegle u³oøonych

przy obu powierzchniach o†k¹t 90

lub 45 o ( rys. 2 ). StrukturÍ skrÍ-

conego nematyka moøna uzyskaÊ

ze zwyczajnych prÍtopodobnych

cz¹steczek. Wymaga to jednak

specjalnej obrÛbki powierzchni

p³ytek szklanych. Ich powierzch-

niÍ pokrywa siÍ cienk¹, przezro-

czyst¹ warstewk¹ polimeru i†po-

leruje w†jednym kierunku. PrÍto-

podobne cz¹steczki ustawiaj¹ siÍ

zgodnie z kierunkiem polerowa-

nia. Jeøeli drug¹ szklan¹ p³ytkÍ

wypolerowan¹ analogicznie prze-

krÍcimy o†90 o i†miÍdzy te p³ytki

wprowadzimy ciek³y kryszta³ ne-

matyczny, to przyjmie on struk-

turÍ skrÍcon¹ o†90 o . Taka struk-

tura skrÍca p³aszczyznÍ polaryza-

cji úwiat³a o 90 o . Jeøeli powierz-

chnie p³ytek szklanych pokryjemy

cienk¹, przezroczyst¹ warstw¹

przewodz¹c¹, to mamy moøliwoúÊ

wytworzenia pola elektrycznego

pomiÍdzy ok³adzinami ìkondensa-

toraî. PrÍtopodobne cz¹steczki bÍ-

d¹ siÍ ustawia³y zgodnie z†liniami

si³ pola elektrycznego, prostopad-

le do powierzchni szk³a.

Jeøeli przygotowane p³ytki

z†warstw¹ przewodz¹c¹ (rys. 1),

warstw¹ orientuj¹c¹ i†warstw¹

skrÍconego nematyka wstawimy

miÍdzy skrzyøowane polaryzatory

(rys. 2), to úwiat³o bia³e przejdzie

przez gÛrny polaryzator jako spo-

laryzowane, w†warstwie skrÍcone-

go nematyka kierunek drgaÒ uleg-

nie skrÍceniu o†90 o i†padaj¹c na

drugi skrzyøowany polaryzator, bÍ-

dzie mia³o kierunek drgaÒ zgodny

z†dolnym polaryzatorem. Zostanie

Dzieło przypadku

Ciekłe kryształy, podobnie do większości wynalazków, odkryto

przez przypadek. W 1888 roku austriacki botanik Friedrich

Reinitzer badał, jaką rolę odgrywa w roślinach cholesterol.

W jednym z eksperymentów wystawił on badany materiał na

działanie ciepła, przy czym odkrył, że kryształ w temperaturze

145 o C staje się mętnym płynem, zaś przy 179 o C przechodzi

całkowicie w stan płynny. W dwa lata później, w Karlsruhe,

niemiecki fizyk Otto Lehman wprowadza pojęcie: ciekły

kryształ, stwierdzając ich specyficzną strukturę fazową.

Ponownie do substancji o właściwościach ciekłych kryształów

wrócono w latach sześćdziesiątych XX wieku, kiedy Ameryka−

nin James L. Ferguson stwierdził, iż ciekłe kryształy można

zastosować jako wskaźniki temperatury, zaś George Heilmeier

z Princeton odkrył zjawisko tzw. zakłóceń dynamicznych

światła przechodzącego przez ciekły kryształ w polu

elektrycznym. Jego publikacje z roku 1968 można uznać za

początek technicznego zastosowania ciekłych kryształów.

Elektronika Praktyczna 6/2003

Dekoder−sterownik 7−segmentowego wyświetlacza LCD w VHDL

Rys. 4. Schemat blokowy dekodera

BCD−> 7 segmentów

7-segmentowego. Jego

schemat blokowy po-

kazano na rys. 4 . Jak

widaÊ, sk³ada siÍ on

z†dwÛch blokÛw:

-standardowego transko-

dera kodu BCD na kod

wskaünika 7-segmento-

wego (z wyjúciami ak-

tywnymi w†stanie ì1î),

-zespo³u sterowanych

inwerterÛw, ktÛre od-

wracaj¹ fazÍ sygna³Ûw

steruj¹cych segmentami

o†180 o w†stosunku do sygna³u

zasilaj¹cego backplane w†przy-

padku, gdy wybrane segmenty

maj¹ byÊ w³¹czone, lub

powtarzaj¹cych sygna³ backplane

- w†przypadku, gdy sterowane

segmenty maj¹ byÊ wy³¹czone.

W†opisie architektury dekodera

znajduj¹cym siÍ po deklaracji jed-

nostki entity zastosowano instruk-

cjÍ selekcjonuj¹c¹ przypisania

with...select , dla ktÛrej szablonem

wyraøeÒ selekcjonuj¹cych jest 4-

bitowy wektor din . Wektor segm

jest zadeklarowany jako pomocni-

czy sygna³ wewnÍtrzny (za pomo-

c¹ deklaracji signal segm: std_lo-

gic_vector(6 downto 0) ) i†odpo-

wiada on sygna³om a...g_stat , po-

kazanym na rys. 4†i†5. Wykorzys-

tanie instrukcji with...select wy-

maga zdefiniowania odpowiedzi

uk³adu na wszystkie moøliwe war-

toúci wyraøenia selekcjonuj¹cego,

w†zwi¹zku z†czym jako ostatni¹

trzeba zastosowaÊ klauzulÍ

ì0000000î when others - bez niej

kompilacja siÍ nie uda. Za³oøono,

øe wyúwietlacz bÍdzie wy-

³¹czony (øaden segment nie

bÍdzie widoczny) dla ko-

dÛw wejúciowych powyøej

9 (1001), czyli dekoder jest

przeznaczony wy³¹cznie do

wyúwietlania cyfr z†zakre-

su 0...9. Nic nie stoi na

przeszkodzie, aby w†razie

takiej potrzeby samodziel-

nie zdefiniowaÊ znaki o†ko-

dach A...Fh (dziesiÍtnie

10...15), czego przyk³ad pokazano

na list. 2 . Naleøy zwrÛciÊ uwagÍ,

øe pomimo jawnego zadeklarowa-

nia wszystkich wartoúci wektora

Widoczne (ìw³¹czoneî) seg-

menty wyúwietlacza musz¹ byÊ

sterowane napiÍciem o†takiej sa-

mej wartoúci, lecz fazie odwrÛ-

conej o†180 o . Do segmentÛw, ktÛ-

re maj¹ byÊ niewidoczne (ìwy-

³¹czoneî), naleøy przy³oøyÊ na-

piÍcie o†takiej samej

amplitudzie i†fazie, jak

przy³oøone do elektro-

dy wspÛlnej. Na rys. 3

pokazano przebiegi ste-

ruj¹ce dwoma segmen-

tami wyúwietlacza

LCD: jeden z†nich jest

w³¹czony, drugi wy³¹-

czony.

Narzędzia za darmo

Wszyscy liczący się producenci układów

programowalnych udostępniają do celów

edukacyjnych bezpłatne narzędzia do

projektowania. Pomimo tego, że są

udostępniane za darmo, ich funkcjonalność

jest porównywalna z narzędziami komercyjny−

mi i bez trudu można za ich pomocą

wykonać także zaawansowane projekty.

Opis projektu

Bior¹c pod uwagÍ wymagania

stawiane sterownikom przez wy-

úwietlacze LCD-TN, musimy za-

projektowaÊ dekoder, na wyjúciach

ktÛrego bÍd¹ wystÍpowa³y sygna³y

steruj¹ce poszczegÛlnymi segmen-

tami wyúwietlacza i†- oczywiúcie

- elektrod¹ wspÛln¹ ( backplane ).

Dla przyk³adu skupimy siÍ na

zaprojektowaniu dekodera dla

ciek³okrystalicznego wyúwietlacza

Sterowane inwertery moøna zre-

alizowaÊ na wiele sposobÛw, spo-

úrÛd ktÛrych najodpowiedniejszym

dla celÛw tego projektu s¹ bramki

Ex-OR po³¹czone w†sposÛb poka-

zany na rys. 5 . Wejúciowy sygna³

clk po³¹czony bezpoúrednio z†wyj-

úciem bp jest podawany na jedno

z†wejúÊ kaødej z†bramek Ex-OR,

natomiast na kaøde drugie wejúcie

jest podawany sygna³ z†dekodera

BCD->7 segmentÛw ( a...g_stat ).

W†zaleønoúci od stanÛw na tych

wejúciach, na wyjúciach bramek

wyst¹pi¹ przebiegi prostok¹tne bÍ-

d¹ce w†fazie z†sygna³em clk (jeøeli

na odpowiednim wejúciu a...g_stat

jest logiczne ì0î) - wtedy tak

sterowany segment nie jest w³¹-

czony, lub w†przeciwfazie (jeøeli

na odpowiednim wejúciu a...g_stat

jest logiczna ì1î), co powoduje

w³¹czenie segmentu.

List. 1. Przykładowy opis w języku

VHDL dekodera−sterownika 7−

segmentowego wyświetlacza LCD

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity lcd_dek is port (

din: in std_logic_vector(3 downto 0);

clk: in std_logic;

bp: inout std_logic;

segm_o: out std_logic_vector(6 downto 0)

);

end lcd_dek;

architecture ar_dyn of lcd_dek is

signal segm: std_logic_vector(6 downto 0);

begin

with din select

-- gfedcba

segm <= "0111111" when "0000", -- 0

"0000110" when "0001", -- 1

"1011011" when "0010", -- 2

"1001111" when "0011", -- 3

"1100110" when "0100", -- 4

"1101101" when "0101", -- 5

"1111101" when "0110", -- 6

"0000111" when "0111", -- 7

"1111111" when "1000", -- 8

"1101111" when "1001", -- 9

"0000000" when others; -- wygaszenie

segm_o(0) <= segm(0) xor bp;

segm_o(1) <= segm(1) xor bp;

segm_o(2) <= segm(2) xor bp;

segm_o(3) <= segm(3) xor bp;

segm_o(4) <= segm(4) xor bp;

segm_o(5) <= segm(5) xor bp;

segm_o(6) <= segm(6) xor bp;

bp <= clk;

end ar_dyn;

Rys. 5. Jednym z możliwych

rozwiązań sterowanego inwertera

jest zastosowanie bramek Ex−OR

Jak to zrobiÊ w†VHDL-u?

Przejdümy do pokazania spo-

sobu zapisania w†jÍzyku VHDL

dekodera zbudowanego zgodnie

ze schematem blokowym z†rys. 4.

Jeden z†moøliwych wariantÛw opi-

su pokazano na list. 1 .

Elektronika Praktyczna 6/2003

Dekoder−sterownik 7−segmentowego wyświetlacza LCD w VHDL

List. 2. Przykładowa modyfikacja

programu z list. 1, dzięki której

dekodowane są także wektory

wejściowe A...Fh

-- gfedcba

-- ............................

"1111111" when "1000", -- 8

"1101111" when "1001", -- 9

"1110111" when "1010", -- kod 10 - znak "A"

"1111100" when "1011", -- kod 11 - znak "b"

"0111001" when "1100", -- kod 12 - znak "C"

"1011110" when "1101", -- kod 13 - znak "d"

"1111001" when "1110", -- kod 14 - znak "E"

"1110001" when "1111", -- kod 15 - znak "F"

"0000000" when others;

Język VHDL uchodzi za jeden z bardziej skomplikowanych

języków opisu sprzętu (HDL − Hardware Description

Language ). Pomimo dość rygorystycznych reguł formalnych

obowiązujących podczas pisania programu, język ten

charakteryzuje się znaczną uniwersalnością, co w praktyce

oznacza, że dobrze przygotowany opis bloku funkcjonalnego

będzie można “wbudować” zarówno w układy PLD, jak i ASIC

pochodzące od różnych producentów. Niebagatelne znaczenie

dla projektantów systemów cyfrowych ma fakt, że podzbiór

języka VHDL, który jest obsługiwany przez programy do

syntezy logicznej, jest niewielki i stosunkowo łatwy do

nauczenia się.

Istotną cechą VHDL−a jest możliwość opisywania projektowa−

nego układu na wiele sposobów m.in.: przepływowy (RTL −

do którego sprowadzane są inne), behawioralny (opis

zachowania się bloku w zależności od sygnałów zewnętrznych

i wewnętrznych) czy też strukturalny (zwykle hierarchiczny

opisujący budowę układu).

din nadal jest stosowana klauzula

when others . Wynika to z†faktu,

øe kompilatory rozpoznaj¹ takøe

inne stany niø ì0î i†ì1î (m.in.

s³abe zero i†s³ab¹ jedynkÍ, stan

wysokiej impedancji itp.) na wej-

úciach din , dla ktÛrych zadekla-

rowano typ std_logic_vector .

W†dalszej czÍúci list. 1†znaj-

duje siÍ opis sterowanego inwer-

tera, wykonanego na bramkach

Ex-OR. W†jego opisie pojawia siÍ

w³aúnie problem, o†ktÛrym wspo-

mnia³em na wstÍpie - chodzi

o†zapisanie sumy Ex-OR pomiÍ-

dzy 7-bitowym wektorem sk³ada-

j¹cym siÍ z†sygna³Ûw steruj¹cych

segmentami wyúwietlacza a†1-bi-

towym sygna³em clk . NiektÛre

syntezery VHDL (niezgodnie

z†obowi¹zuj¹cymi w†VHDL nor-

mami) pozwalaj¹ na przeci¹øanie

operatorÛw logicznych (w tym

xor ) w†taki sposÛb, øe moøliwy

by³by zapis segm_o <= segm xor

bp - domyúlnie jest implemento-

wane siedem sum logicznych dla

kaødego sygna³u z†wektora segm

z†sygna³em bp . Standardowo ope-

ratory logiczne s¹ przeznaczone

do wykonywania operacji na wek-

torach o†jednakowej d³ugoúci, ktÛ-

ra moøe byÊ wiÍksza od 1 bitu

- przyk³ad pokazano na list. 3 .

Niestety, taki zapis, podobnie do

pokazanego na list. 1, nie jest

zbyt wygodny, zw³aszcza gdy

d³ugoúÊ XOR-owanego wektora

jest duøa. Jakakolwiek zmiana

w†tej funkcji wymusza koniecz-

noúÊ modyfikowania wielu miejsc

programu, co jest czasoch³onne

i†moøe byÊ przyczyn¹ b³Ídu. Na

list. 4 pokazano uproszczony za-

pis wielobitowej funkcji Ex-OR,

w†ktÛrej d³ugoúÊ wektora moøna

List. 3. Alternatywny w stosunku

do pokazanego na list. 1 sposób

zapisu wielobitowej sumy Ex−OR

-- ................

bp_int(0) <= bp;

bp_int(1) <= bp;

bp_int(2) <= bp;

bp_int(3) <= bp;

bp_int(4) <= bp;

bp_int(5) <= bp;

bp_int(6) <= bp;

segm_o <= segm xor bp_int;

-- ................

List. 4. Alternatywny, najbardziej

elastyczny, zapis wielobitowej

sumy Ex−OR, ścisłego

odpowiednika zapisu z list. 1

-- ................

mb_xor: for i in 0 to 6 generate

segm_o(i) <= segm(i) xor bp;

end generate;

-- ................

Rys. 6. Jednym z mniej znanych narzędzi projektowych jest zdalny

kompilator WebFitter udostępniony bezpłatnie przez firmę Xilinx

Elektronika Praktyczna 6/2003

Dekoder−sterownik 7−segmentowego wyświetlacza LCD w VHDL

swobodnie regulowaÊ za pomoc¹

wartoúci parametru i . Utworzono

j¹ za pomoc¹ instrukcji powiela-

nia generate . Zapis pokazany na

list. 4†jest úcis³ym odpowiedni-

kiem opisu zastosowanego na

list. 1.

uk³ad XC95108 (programowany

w†systemie CPLD ze 108 makro-

komÛrkami). Dla wszystkich syg-

na³Ûw jest niezbÍdne 13 wypro-

wadzeÒ (5 wejúÊ i†8†wyjúÊ).

Plik z†opisem projektu (list. 1)

skompilowano za pomoc¹ bezp³at-

nych pakietÛw narzÍdziowych:

Max+Plus II Student Edition (ob-

s³uguje VHDL), Quartus II 2.2

Web Edition - obydwa firmy

Altera i†WebPack ISE 4.2 firmy

Xilinx.

Ma³o znanym, lecz rÛwnie

skutecznym jak narzÍdzia stacjo-

narne (instalowane na kompute-

rze uøytkownika), jest zdalny

internetowy kompilator firmy Xi-

linx - WebFitter (dostÍpny po

zarejestrowaniu pod adresem:

http://www.xilinx.com/xlnx/

xil_prodcat_landingpage.jsp?tit-

le=WebFITTER ). Za jego pomoc¹

moøna skompilowaÊ prezentowa-

ny projekt do postaci *.jed , czyli

wynikowej, przeznaczonej do

programowania uk³adu docelo-

wego. WebFitter generuje wszyst-

kie niezbÍdne raporty, pozwala

takøe kompilowaÊ projekty hie-

rarchiczne. Widoki kilku okien

pracuj¹cego WebFittera pokazano

na rys. 6 .

Piotr Zbysiñski, AVT

piotr.zbysinski@ep.com.pl

Implementacja

DziÍki zastosowaniu jako jÍ-

zyka opisu sprzÍtu VHDL-a,

z†prezentowanego projektu mog¹

skorzystaÊ uøytkownicy dowol-

nej rodziny uk³adÛw PLD.

Dekoder zajmuje 8†makrokomÛ-

rek w†uk³adach SPLD/CPLD

(zmieúci siÍ wiÍc nawet w†uk³a-

dzie GAL22V10 lub GAL16V8 -

po niewielkiej modyfikacji). Pro-

jekt by³ testowany na p³ytce

ewaluacyjnej opisanej w†EP9/

2002, na ktÛrej znajduje siÍ

Projekty dla systemu Web-

Pack ISE 4.2 wraz z†kodami

ürÛd³owym trzech wersji projektu

s¹ dostÍpne na stronie interne-

towej www.ep.com.pl w†dziale

Download>Dokumentacje. Publi-

kujemy je takøe na p³ycie CD-

EP7/2003B.

Elektronika Praktyczna 6/2003

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: