利用虛擬仿真技術改進顯示器件驅動實驗

漆 強, 劉 爽

(電子科技大學 光電信息學院, 四川 成都 610054)

利用虛擬仿真技術改進顯示器件驅動實驗

漆 強, 劉 爽

(電子科技大學 光電信息學院, 四川 成都 610054)

傳統的顯示器件驅動實驗在實驗設備數量、便攜性和可修改性等方面存在一定的問題。將虛擬仿真技術和硬件實驗相結合,利用Proteus軟件設計七段數碼管、點陣液晶和點陣LED等多種顯示器件的驅動電路,在每一種顯示器件的設計中還增加了不同的驅動電路設計方案,讓學生能夠比較不同設計方案的優缺點,提高工程實踐能力。這種設計方式解決了傳統硬件實驗存在的問題,同時改變了實踐教學的模式,使學生不再局限于在實驗室完成實驗,擴展了實踐教學的深度和廣度,提高了優質教學資源的使用率和受益面。

虛擬仿真技術； 顯示器件； 驅動實驗； Proteus

顯示器件驅動技術是信息顯示和光電技術專業方向的一門核心課程,要求學生能夠利用前期學習的電路知識,根據不同顯示器件的顯示原理,設計相關的驅動電路,并利用微控制器,編寫驅動程序,在顯示器件上顯示所需的信息[1]。該課程和工程實踐緊密結合,對學生的動手實踐能力要求較高,在實踐教學上存在一定的困難。因此創新教學手段,將虛擬仿真技術和硬件實驗相結合,“以實為本,虛實結合”,對培養學生的學習興趣,深入理解本課程的難點和重點有很大的幫助[2]。

1 現狀及存在的問題

我院的信息顯示和光電技術專業是國家級特色專業,在長期的教學實踐中,設計了從顯示材料的制備、顯示器件的研制、顯示驅動電路的設計等相關的配套實驗。針對顯示器件驅動電路,將多年的科研成果和教學實踐相結合,研發了顯示器件驅動實驗箱,如圖1所示。

圖1 顯示器件驅動實驗箱實物圖

該實驗箱設計了針對段式液晶和矩陣LED顯示屏的驅動電路,并且利用8051單片機和可編程邏輯器件完成驅動電路的控制,顯示相關的信息。該實驗箱接口豐富,除了可以進行顯示器件驅動的實驗外,對于單片機和可編程邏輯器件的應用也可以得到相應的練習，同時設計了相關的多個配套實驗和完善的實驗文檔[3]。該實驗箱是市面上第一款針對顯示器件驅動設計的實驗設備,相關高校如濟南大學、沈陽理工大學和電子科技大學成都學院都使用該實驗箱,取得了良好的社會效益。用這種設備進行傳統的硬件實驗對于學生直觀了解驅動電路的設計,利用實驗儀器測試驅動波形,從而深刻理解顯示器件的驅動原理有很大的幫助。

然而,近年來,隨著顯示技術的不斷發展,新的顯示器件層出不窮,傳統的硬件實驗已經逐漸跟不上時代的發展。在目前的教學實踐中存在以下的一些問題:

(1) 實驗設備臺套數有限,基本按照30人的規模配置,而“顯示器件驅動技術”作為本專業的核心課程,選課人數眾多,導致一個實驗項目需要重復多輪才能完成,不僅增加了實驗教師的工作量,也無法讓學生更深入了解實驗原理和掌握相關的實驗技能[3]。

(2) 實驗環境固定,實驗箱笨重,缺乏便攜性和靈活性。由于設計了點陣LED的顯示,顯示驅動實驗箱體積較大,占用較大的實驗桌空間。如果再加上示波器、信號發生器和萬用表等實驗儀器,留給學生的操作空間很小,不利于實驗的進行和教師的指導。同時學生只能在實驗室完成實驗,無法在其他的空間進行,限制了實踐教學環節深度和廣度的發揮。

(3) 實驗硬件電路固化,不利于修改。硬件類實驗的一個主要問題是硬件電路固化,而對于顯示器件的驅動電路設計而言,在工程實踐中往往會有不同的設計方案。例如，對于16行×16列的點陣LED顯示,就可以用譯碼器來設計行驅動電路,而不必采用傳統的設計方案的多個8位移位寄存器相級聯。因此傳統的硬件類實驗,在學生掌握多種設計方案和最新的顯示技術方面存在一定的困難[4-5]。

2 虛擬仿真技術的應用

為了解決傳統硬件實驗存在的上述問題,我們在顯示器件驅動實驗的改進中引入了虛擬仿真技術,將傳統的硬件實驗和虛擬仿真技術相結合,二者優勢互補,互相共存,形成系統化、模塊化、虛實結合的實踐教學新模式[6-8]。

在選擇虛擬仿真軟件時,我們對比了市面上多款軟件,最終選擇了Proteus虛擬仿真軟件。該軟件集成了原理圖設計、印制板電路設計和電路仿真等3個功能,除了能夠仿真傳統的模擬電路和數字電路以外,它還提供了種類眾多的仿真模型,如液晶顯示模塊、按鍵、交直流電機、溫度傳感器等,用戶可以利用這些仿真模型搭建一個和實際硬件電路一致的硬件仿真平臺,其運行效果和真實的電路幾乎完全一致。同時Proteus還提供了大量的虛擬儀器,如示波器、信號發生器和邏輯分析儀等,用戶可以利用這些儀器完成對相關信號的波形分析和測量[9-10]。用戶利用Proteus設計出仿真電路圖后,還可以結合Keil軟件編寫基于51單片機的驅動程序,進行軟硬件的聯合調試[11]。

2.1 七段數碼管的顯示

七段數碼管是基于發光二極管(LED)封裝的顯示器件,分為共陽極和共陰極2種結構,在設計顯示驅動時,又分為靜態掃描和動態掃描2種方式。如果采用傳統的硬件實驗來實現不同種類,不同顯示方式的七段數碼管顯示實驗,不僅硬件電路復雜,而且成本較高。采用虛擬仿真技術后,就可以輕易的完成多種設計方案。在實際的教學實踐中,講授了七段數碼管的顯示原理后,以共陽極、動態掃描為例,介紹一個基本的驅動電路,然后讓學生自行發揮,設計其他不同的七段數碼管顯示驅動方案,可以有效激發學生的學習興趣。圖2為基于8051單片機驅動的2位共陽極七段數碼管動態掃描電路仿真圖。

除了使用分離元件完成七段數碼管的驅動之外,還可以采用專用顯示驅動芯片完成設計,如CD4011譯碼芯片和工程中常用的MAX7219芯片,圖3給出了基于MAX7219設計的八位七段數碼管驅動電路仿真圖[12]。利用虛擬仿真技術,對于七段數碼管的驅動電路設計就可以采用不同的方案,學生可以分析和對比不同設計方案的優缺點,了解到在不同的工程要求下采用最簡潔、最方便的設計方案,而采用傳統的硬件實驗,則會提高設計成本。

圖2 2位共陽極七段數碼管的動態掃描驅動電路仿真圖

2.2 點陣液晶顯示

原來的顯示器件驅動實驗箱,設計了字段式的液晶顯示電路,它只能顯示固定的字符,無法顯示任意的圖像。近年來,隨著液晶生產線的增加,點陣液晶顯示模塊的成本不斷下降,在工程領域已經大量的使用。對于點陣液晶的顯示一般采用2種接口,一種是基于英特爾的8080總線接口,另一種是基于摩托羅拉的6800總線接口。在采用虛擬仿真技術后,我們設計了全彩液晶顯示模塊驅動電路原理圖,并編寫了基于英特爾8080總線的顯示驅動程序。利用該虛擬仿真實驗,學生不僅可以掌握點陣液晶顯示模塊驅動電路的設計方法,了解點陣液晶的顯示原理,掌握點陣液晶顯示的底層驅動程序編寫以及字符和圖片的顯示方法,還能進一步了解圖形用戶界面(GUI)的設計方法。圖4給出了全彩點陣液晶的顯示驅動電路仿真圖。

圖3 基于MAX7219的七段數碼管顯示驅動電路仿真圖

圖4 全彩點陣液晶的顯示驅動仿真圖

2.3 點陣LED的顯示

原有的顯示器件驅動實驗箱中設計了48行×64列的點陣LED顯示,顯示的行數和列數固定,且行驅動電路和列驅動電路均采用了多個8位的移位寄存器級聯構成的并行輸出電路。然而在實際的工程實踐中,往往會涉及到16行多列的LED顯示,即顯示一行漢字,漢字采用左右移動的方式循環顯示,這在很多戶外廣告中常常出現。對于16行的LED顯示,設計行驅動電路時就可以進行簡化,顯示數據利用單片機的I/O口直接控制,而行驅動可以利用4線-16線譯碼器來譯碼控制每行的顯示,傳統的硬件實驗往往無法完成這種多方案的設計。采用虛擬仿真技術后,我們就可以設計多種顯示方案,讓學生掌握點陣LED設計中不同驅動電路的設計方法和設計原理。圖5是16行×16列的點陣LED驅動電路仿真圖,其中顯示數據由單片機的16個I/O口直接控制并同時輸出,不需要設計移位寄存器進行串行數據到并行數據的轉換,而行掃描電路則利用4線-16線譯碼器完成,電路非常簡潔。學生在此基礎上可自行發揮和設計,將數碼管進行級聯,擴展出16行N列的點陣LED驅動電路。

圖5 16行×16列的點陣LED驅動電路仿真圖

3 虛實結合的顯示驅動電路實驗的優勢

虛擬仿真技術在顯示器件驅動電路實驗的改進上體現了很多的優勢:

(1) 虛擬仿真實驗提供了新的顯示器件,也提供了更多的顯示驅動電路設計方案,節省了硬件電路設計所花費的成本和時間。學生可以在Proteus軟件的仿真環境下反復練習,嘗試不同的驅動電路設計方案,對于學生掌握顯示器件的驅動原理、培養創造性思維有很大的幫助。

(2) 虛擬仿真實驗擴展了實踐教學的深度和廣度。原來的硬件實驗只能在實驗室進行,并且是2人一組或者3人一組完成實驗。采用了虛擬仿真實驗后,學生可以利用仿真軟件搭建和硬件實驗幾乎一樣的實驗電路,并利用相關的編程軟件編寫驅動程序,進行軟硬件聯合仿真觀測顯示效果,達到和硬件實驗一樣的效果。學生進行實驗不再局限于實驗室,可以在理論課的課堂上,完成理論教學后就可以讓學生自帶筆記本計算機進行虛擬仿真實驗。也可以課后在寢室里進行練習。

(3) 虛擬仿真技術可以和大規模在線課程(慕課)相結合,將優質的教學資源共享,提高其使用率和受益面。信息顯示和光電技術專業作為我院的國家級特色專業,每年都有很多高校來我院進行交流和學習。將傳統的顯示器件驅動電路實驗和虛擬仿真技術結合后,可以進行網上的實驗教學,提供了一個教學資源共享和交流的平臺,從而擴大優質教學資源的受益面。

4 結語

基于虛實結合的教學形式,將硬件實驗和虛擬仿真實驗有機結合,取長補短,有利于學生將理論和實踐相結合,提高學生的工程素養,改變實踐教學的模式,擴展實踐教學的深度和廣度。同時顯示器件驅動部分的虛擬仿真實驗作為我院成功申報國家級虛擬仿真實驗教學中心——“光電信息技術虛擬仿真實驗教學中心”的四大模塊之一,其實踐教學效果也得到了專家的一致好評。

References)

[1] 蔣泉,吳援明,張磊, 等. 平板顯示驅動技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2014.

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[3] 崔貫勛,熊建萍. 基于虛擬仿真技術的MOOE實踐教學平臺開發[J]. 實驗技術與管理, 2016, 33(4):103-107.

[4] 宋毅君,張明. 建設統一虛擬化教學環境平臺的探索[J]. 實驗技術與管理, 2016, 33(4):115-118.

[5] 胡中玉,岳強,任杰, 等. 基于Proteus仿真的電工電子課程教學創新[J]. 實驗技術與管理, 2016, 33(4):128-130.

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[8] 劉共和,李云明.LabVIEW虛擬儀器程序設計和應用[M].北京:化學工業出版社,2011.

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Improving driving experiment of display device by virtual using simulation technology

Qi Qiang, Liu Shuang

(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)

The traditional driving experiment of display device has some problems such as the quantity of experimental equipment, portability and modification. With the combination of virtual simulation technology and hardware experiment, and using Proteus software, it can design a series of driving experiments of display device such as seven-segment display, dot matrix LED, etc. Also it can make some kinds of design scheme for each display device. Students can compare the advantages and disadvantages of different design schemes and improve their practical ability. This innovative method solves some problems which exist in traditional hardware experiments and change the mode of practical teaching that students will not confined to the laboratory to complete the experiment. It expands the depth and breadth of practical teaching and improves utilization ratio and benefit of quality teaching resources.

virtual simulation technology；display device；driving experiment; Proteus

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.002

2016-10-14

國家自然科學基金青年科學基金項目(61307102);電子科技大學2015年本科教育教學改革研究項目(2015XJYYB028)

漆強(1978—)，男，四川成都，碩士，副教授，主要研究方向為信息顯示和光電技術器件驅動和光電系統集成.

E-mail：ytqiqiang@163.com

TP391.9；TN873

A

1002-4956(2017)2-0007-04