通過測量儀表拾取被測信號是單片機前向通道設計中常用的數(shù)據(jù)采集方式,。通常,，接口電路從儀表電路中取得相關的模擬信號,，經(jīng)過A/D轉換或V/F 轉換送入單片機；或者取得一個頻率信號,，經(jīng)整形后送入單片機[1],。然而，有些測量儀表電路中可能找不到這樣的信號,。以電容式壓力傳感器血壓計為例,，盡管從其振蕩電路中可以取得一個與壓強成線性關系的頻率信號[2]，送入單片機測得壓強,，但這個壓強并不是所要拾取的收縮壓,、舒張壓和心率；而普通的血壓計又沒有智能儀表那樣的通信接口與單片機通信,。顯然,，要想通過這樣的儀表拾取被測信號只有直接讀取其顯示屏的讀數(shù)了。

　　本文以一個全自動血壓計為例,，介紹將LCD顯示器讀數(shù)讀入單片機的接口電路,。該血壓計顯示器為6 1/2位段式LCD顯示器，3位顯示收縮壓,，3位顯示舒張壓,。1/2位在兩組數(shù)碼中間，顯示4個指示符號,。

　　1  LCD的電極連接結構和工作波形

　　1.1  LCD的電極連接結構

　　圖1為血壓計LCD的電極連接結構及等效電路,。其中，圖1（a)為公共電極連接排列,，圖1（b)為段電極連接排列,。它共有4個公共電極COM0~COM3，每位數(shù)碼各有2個段電極Sx-0,、Sx-1,，其等效電路為一個4行×2列的矩陣，如圖1（c)所示,。

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圖1  LCD電極連接結構及等效電路

　　1.2  LCD的工作波形

　　用雙蹤示波器觀察血壓計LCD的工作波形,，如圖2所示。它采用時分割驅(qū)動法驅(qū)動,，偏比1/3,占空比1/4,，B型[3],。公共電極 COM0~COM3的信號波形始終保持不變，段電極Sx-0,、Sx-1信號波形隨顯示數(shù)字的變化而變化,。圖2中的Sx-0、Sx-1波形為顯示數(shù)字“0” 時的工作波形,。由圖2可知,，不考慮信號的直流分量，所有波形的前半周期t1~t4與后半周期t5~t8大小相等,，極性相反,。COM0~COM3信號電壓依次在t1~t4四個時間內(nèi)達到峰值。時間t1為第1行上f,、a兩段的掃描時間,，公共電極COM0，Sx-0為f段的段電極,，Sx-1為a段的段電極,。在 t1時間內(nèi)， f段上的電壓COM0－Sx-0=V0,，a段上的電壓COM0－Sx-1=V0,，f、a兩段均處于選擇狀態(tài),，顯示,。其余各段在其掃描時間內(nèi)的電壓和顯示狀態(tài)如表1所列。7段中只有g段上的電壓為V0/3,，處于非選擇狀態(tài),，不顯示。其余6段均處于選擇狀態(tài),，顯示,。因此，顯示數(shù)字“0”,。

圖2  LCD工作波形

表1  顯示“0”時各段的顯示狀態(tài)

　　由此可見,，只要依次檢查在t1~t4四個時間內(nèi)f、a,、g,、b、e,、c,、d各段上的電壓COMx－Sx-y(x=0,1,…,6;y=0,1)是V0還是V0/3即可獲得LCD各位數(shù)碼的字形碼，然后再將字形碼轉換為測量結果。

　　2  單片機讀數(shù)接口電路

　　圖3為根據(jù)上述工作原理設計的8051單片機讀數(shù)接口電路,。圖中,，LCD為血壓計的液晶顯示器，6位數(shù)碼從右到左依次編號0~5,，中間半位的編號為6,。它有13個段電極、4個COM電極,，GND為血壓計的接地端,。8051的 PC口為8051的擴展并行口。

圖3  讀數(shù)接口電路

　　2.1  顯示狀態(tài)讀取電路

　　由CD4067,、CD4051,、LM324(UA,、UB)組成顯示狀態(tài)讀取電路,，讀取LCD數(shù)碼各段的顯示狀態(tài)。CD4067多路模擬

開關從 LCD的13個段電極信號中選擇一路Sx-x輸出到LM324(UA)的反相輸入端2腳,。CD4051多路模擬開關從LCD的4個COM信號中選擇一路 COMx輸出到LM324(UA)的同相輸入端3腳,。LM324(UA)接成模擬減法器，由1腳輸出信號COMx－Sx-x,。UB作電壓比較器,，參考電壓 VR大小由電位器W1調(diào)節(jié)于V0/3～V0之間，將段電壓COMx－Sx-x與VR比較,。比較結果為該段的顯示狀態(tài),，高電平說明該段顯示，低電平不顯示,。顯示狀態(tài)送入8051的P1.6腳,。R1、C1組成RC濾波器,，濾除高頻干擾,。

　　比如，要讀取0號數(shù)碼的a段顯示狀態(tài),，由圖1知,，0號數(shù)碼a段的段電極是S0-1，公共電極是COM0,。由程序控制在t1時間內(nèi)令PC1PC0 =00,，使CD4051選擇COM0，令PC5~PC2=0001,，使CD4067選擇S01,，COM0和S01兩信號電壓經(jīng)UA減法器相減，然后再經(jīng) UB電壓比較后得到a段的顯示狀態(tài)，8051從P1.6腳讀取此顯示狀態(tài),。

　　2.2  INT0中斷信號產(chǎn)生電路

　　UC和UD組成INT0中斷信號產(chǎn)生電路,。UC 接成電壓跟隨器，減小電路對COM0信號的影響,。R2,、C2組成RC濾波器，濾除高頻干擾,。UD作電壓比較器,，參考電壓VR加在同相輸入端，VR大小由電位器W2調(diào)節(jié)于2V0/3～V0,。電壓比較器將COM0信號轉換為INT0負脈沖信號,，工作波形如圖4所示。負脈沖的下降沿為LCD驅(qū)動信號周期T的起始時刻,。此負脈沖接至8051的INT0腳,，在負脈沖的下降沿產(chǎn)生外部中斷0。

圖4  比較器UD工作波形

　　3  程序設計

　　啟用外部中斷0和定時器T0,，以中斷方式讀取LCD各位數(shù)碼的字形碼,。主程序以查詢方式讀取該字形碼，然后經(jīng)過讀數(shù)校驗,、字形碼到BCD碼的譯碼,、讀數(shù)識別等，將字形碼轉換為讀數(shù),。

　　3.1  讀取字形碼

　　通過外部中斷0和定時器T0以中斷方式讀取LCD某一編號數(shù)碼的字形碼,。如圖5所示，INT0負脈沖在周期T的起始時刻引起外部中斷0,，由 INT0中斷服務程序啟動T0定時器,，依次在t1～t4半個周期內(nèi)的f、a,、g,、b、e,、c,、d各時刻產(chǎn)生T0中斷，讀取各段的顯示狀態(tài),，獲得字形碼,。 T0定時器設為工作方式2，自動再裝入定時時間為T/16,，初始定時時間為T/32,。INT0和T0中斷服務程序流程如圖6所示。

圖5  T0中斷的各個時刻

圖6  INT0和T0中斷服務程序流程

其中，PC口數(shù)據(jù)格式：PC5~PC3為要讀取的那位LCD數(shù)碼編號,，PC2為段電極編號,，PC1PC0為COM電極編號。

　　3.2  字形碼轉換

　　主程序以查詢方式分別讀取由中斷服務程序采集的各位數(shù)碼的字形碼,，查表將字形碼轉換為BCD碼,，再將幾位數(shù)碼的BCD碼轉變?yōu)閿?shù)值。

　　3.3  讀數(shù)校驗

　　讀取一位數(shù)碼的字形碼需要1個周期T(實際只用前半個周期),，經(jīng)測量,，T=16.318 ms。讀取全部612位數(shù)碼至少需要用7個周期,，約114 ms,。考慮到在單片機讀數(shù)的過程中,，LCD的讀數(shù)有可能發(fā)生變化而導致讀數(shù)錯誤,，程序中采用連續(xù)兩次讀數(shù)的方法來校驗讀數(shù)的正確性。如果連續(xù)兩次讀數(shù)相同,，則說明讀數(shù)是正確的,；如果連續(xù)兩次讀數(shù)不同，則說明讀數(shù)可能是錯誤的,，應重新讀數(shù)。

　　3.4  讀數(shù)識別

　　血壓計顯示的內(nèi)容除了收縮壓,、舒張壓和心率以外還有充氣,、放氣時的瞬時壓強以及一些狀態(tài)信息。LCD中間的半位 （6號）用于顯示待機（Reay to measure）,、充氣（CUFF Inflating）,、放氣（CUFF Deflating）以及更換電池（Replace Batteries）四個符號。另外,，4號數(shù)碼顯示“E”時表示測量出錯,，顯示“P”時，右邊3位(0~2號)數(shù)碼顯示的數(shù)字為心率,。左右兩邊顯示內(nèi)容均是數(shù)字時,，左邊3位（3~5號）是收縮壓，右邊3位是舒張壓,，血壓與心率交替顯示,。主程序通過這些信息來識別LCD所顯示的內(nèi)容。

　　4  結論

　　使用此接口電路采集數(shù)據(jù),，不必考慮與拾取信號的測量相關的細節(jié)問題和技術規(guī)范,。這樣，當拾取信號的測量比較復雜時，可以有效地縮短開發(fā)周期,。同時,，它也不存在二次A/D轉換或V/F轉換方法所存在的單片機采集數(shù)據(jù)與儀表讀數(shù)不完全一致的問題。

　　程序設計用1個驅(qū)動信號周期讀取1位數(shù)碼,，這樣的讀取速度對于讀數(shù)變化不是很快的血壓計來說已經(jīng)足夠了,。如果測量儀表LCD讀數(shù)變化很快，可以修改編程,，在1個周期內(nèi)同時讀取幾位數(shù)碼,，甚至修改電路設計，將后半周期也用于進行讀數(shù),，實現(xiàn)在1個信號周期內(nèi)讀取所有數(shù)碼,。

　　參考文獻

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　　[3]  李維諟,，郭強.液晶顯示器件應用技術[M].北京：北京郵電學院出版社，1993： 6976.