1, Kiến trúc phần cứng: Trình điều khiển đa đơn vị và đồng bộ hóa tín hiệu
Màn hình hiển thị nhiều đơn vị của màn hình LCD phân đoạn dựa trên thiết kế đa COM (đầu chung) và đa SEG (đầu phân đoạn) ở cấp độ phần cứng. Lấy màn hình mã phân đoạn LCD 4-chữ số làm ví dụ, nó thường chứa 4 cổng COM và nhiều cổng SEG bên trong, với mỗi tổ hợp COM-SEG tương ứng với một đơn vị hiển thị (chẳng hạn như chữ số hoặc ký hiệu đơn vị). Ví dụ: một mẫu màn hình mã phân đoạn nhất định điều khiển 4 bit kỹ thuật số thông qua 4 cổng COM, đồng thời sử dụng các cổng SEG bổ sung để điều khiển việc hiển thị ký hiệu đơn vị (V/A/Hz).
Các thông số phần cứng chính:
Nhiệm vụ: Xác định số lượng cổng COM. Ví dụ: 1/4 Duty có nghĩa là 4 cổng COM được điều khiển luân phiên, với mỗi cổng có chu kỳ hoạt động là 25%, phù hợp cho màn hình 4 chữ số.
BIAS (Tỷ lệ sai lệch): Ảnh hưởng đến độ tương phản và điện áp điều khiển. 1/3 BIAS có nghĩa là điện áp điều khiển bằng 1/3 điện áp hoạt động, có thể giảm mức tiêu thụ điện năng và cải thiện độ ổn định của màn hình.
Độ ổn định điện áp: Các phân tử tinh thể lỏng cần được điều khiển bởi tín hiệu AC và độ lệch DC có thể gây mờ màn hình. Ví dụ, một dự án nào đó sử dụng bộ vi điều khiển STM32F103C8T6 để tạo ra tín hiệu sóng vuông AC chính xác thông qua bộ hẹn giờ, đảm bảo chênh lệch điện áp ổn định 3,3V và tránh lão hóa các phân tử tinh thể lỏng.
Các kịch bản ứng dụng điển hình:
Thiết bị giám sát nguồn: Cần hiển thị đồng thời các thông số như điện áp (V), dòng điện (A), công suất (W). Một đồng hồ thông minh nào đó sử dụng màn hình mã phân đoạn 8 bit, hiển thị đồng bộ 4 bộ số (như 220V, 5.6A) và 3 ký hiệu đơn vị thông qua 8 cổng COM và 32 cổng SEG.
Màn hình y tế: Khi hiển thị các thông số như nhịp tim (bpm) và lượng oxy trong máu (SpO2%), các loại dữ liệu khác nhau cần được phân biệt thông qua nhiều cổng COM. Ví dụ: một mẫu màn hình nhất định áp dụng thiết kế 1/8 Duty, hỗ trợ điều khiển độc lập 8 chữ số và 4 ký hiệu đơn vị.
2, Logic trình điều khiển: quét động và ánh xạ dữ liệu
Việc hiển thị nhiều đơn vị của mã phân đoạn LCD cần phải đạt được thông qua chức năng quét động. Logic cốt lõi là sử dụng lại các cổng COM theo cách chia sẻ thời gian-, nhanh chóng chuyển đổi nội dung hiển thị và tận dụng hiệu ứng bền bỉ của nhận thức trực quan của con người để tạo thành hình ảnh ổn định. Các bước cụ thể như sau:
Ánh xạ dữ liệu: Chuyển đổi các số và ký hiệu đơn vị sẽ hiển thị thành dữ liệu mã phân đoạn. Ví dụ: mã phân đoạn cho số "8" là 0x7F (tương ứng với các phân đoạn được chiếu sáng đầy đủ a-g) và mã phân đoạn cho đơn vị "V" là 0x01 (chỉ phân đoạn sáng a).
Quét động: Kích hoạt các cổng COM theo chu kỳ cố định (chẳng hạn như 1ms) và gửi dữ liệu SEG tương ứng. Ví dụ: trong màn hình 4 chữ số, COM1-COM4 được kích hoạt luân phiên, mỗi lần chỉ cập nhật số và đơn vị tương ứng với cổng COM hiện tại.
Kiểm soát độ tương phản: Tối ưu hóa hiệu suất hiển thị bằng cách điều chỉnh điện áp truyền động hoặc chu kỳ hoạt động. Ví dụ: trong môi trường ánh sáng mạnh, một dự án nhất định đã điều chỉnh BIAS từ 1/3 lên 1/4, tăng độ tương phản lên 1500:1 và đảm bảo rằng các ký hiệu đơn vị rõ ràng và có thể phân biệt được.
3, Lập trình phần mềm: Quản lý đa tác vụ và cập nhật dữ liệu
Việc triển khai phần mềm hiển thị nhiều đơn vị cần phải giải quyết hai thách thức lớn: dữ liệu-thời gian thực và đồng bộ hóa hiển thị. Sau đây là các chiến lược tối ưu hóa chính:
Quét theo hướng ngắt: Sử dụng ngắt hẹn giờ để thực hiện quét định kỳ và tránh chặn chương trình chính. Ví dụ: một dự án đặt ngắt hẹn giờ 1ms, ngắt này cập nhật dữ liệu cho một cổng COM mỗi lần và hoàn thành làm mới toàn màn hình trong 4ms.
Cơ chế đệm đôi: sử dụng hai bộ đệm hiển thị (tiền cảnh/nền), bộ đệm nền trước được sử dụng cho màn hình hiện tại và bộ đệm nền được sử dụng để cập nhật dữ liệu. Sau khi cập nhật xong, chuyển bộ đệm qua cờ để tránh hiện tượng nhấp nháy do đột biến dữ liệu trong quá trình quét.
Chuyển đổi động các ký hiệu đơn vị: Tải động các ký hiệu đơn vị dựa trên các loại tham số. Ví dụ: trong các trường hợp đo tần số, khi tín hiệu đầu vào được phát hiện dưới dạng sóng vuông, thiết bị sẽ tự động chuyển từ "V" sang "Hz".
Trường hợp: Máy đo tần số thông minh
Một dự án dựa trên chip điều khiển STM32F103 và HT1621 để đạt được phép đo và hiển thị tần số sóng vuông. Quy trình phần mềm như sau:
Đo tần số: Sử dụng bộ hẹn giờ để ghi lại cạnh tăng của tín hiệu đầu vào, tính toán chu kỳ và chuyển đổi thành giá trị tần số.
Phân tách dữ liệu: Phân tách các giá trị tần số thành hàng nghìn, hàng trăm, hàng chục và đơn vị chữ số.
Nhận định đơn vị: Nếu tần số lớn hơn 1kHz, đơn vị sẽ hiển thị “kHz”; Ngược lại, hiển thị 'Hz'.
Cập nhật hiển thị: Gửi dữ liệu mã phân đoạn số và đơn vị tới HT1621 thông qua giao diện SPI và điều khiển màn hình LCD 4 chữ số để cập nhật đồng bộ.
4, Chiến lược tối ưu hóa: Cải thiện chất lượng hiển thị và độ tin cậy
Thiết kế chống nhiễu: Trong môi trường điện từ mạnh (như khu công nghiệp), dây được che chắn được sử dụng để kết nối LCD và MCU, đồng thời thêm bộ lọc hạt từ tính ở đầu nguồn điện để giảm nhiễu.
Bù nhiệt độ thấp: Ở -20 độ, hoạt động của phân tử tinh thể lỏng giảm có thể dẫn đến giảm độ tương phản. Bằng cách tăng điện áp truyền động (chẳng hạn như từ 3,3V lên 3,6V) hoặc thêm logic làm nóng trước (hiển thị với độ tương phản thấp khi khởi động và dần dần trở về giá trị bình thường), vấn đề có thể được giải quyết.
Tối ưu hóa năng lượng thấp: Trong các thiết bị chạy bằng pin, chiến lược điều chỉnh tần số quét linh hoạt được áp dụng. Ví dụ: khi không có hoạt động, việc giảm tần số quét từ 1kHz xuống 100Hz giúp giảm 90% điện năng tiêu thụ, đồng thời duy trì nội dung hiển thị thông qua các mạch giữ phần cứng.
