Блок связи с оператором (пульт управления)
В обслуживаемых МПС, требующих введения и отображения оперативной информации, возникает необходимость разработки аппаратной и программной частей блока связи с оператором. Наибольшее распространение в настоящее время получили следующие средства ввода/вывода информации в МП: разнообразные клавиатуры, светодиодные индикаторы, линейные дисплеи на семисегментных светодиодных индикаторах и жидкокристаллические (ЖКИ – LCD) алфавитно-цифровые и матричные дисплейные модули.
Подключение клавиатуры
В различных по сложности и назначению управляющих МПС используются разнообразные клавиатуры для ввода информации [4]: простейшие, состоящие из клавиш управления типа СБРОС, ПУСК, ОСТАНОВ и т.п.; более сложные, предназначенные для ввода данных и управления режимом работы МПС; сложные алфавитно-цифровые клавиатуры, предназначенные для ввода не только цифровых, но и текстовых данных и т.д.
С аппаратной точки зрения различают два типа клавиатуры: кодирующую и некодирующую.
В клавишах первого типа схемным путем, при нажатии клавиши, на выходе формируется соответствующий ей код. Простейшим примером подобной клавиатуры могут служить оцифрованные переключатели (на 10 и 16 позиций). Из-за высокой стоимости такие клавиатуры в простых МПС применяются редко.
Рис. 4.9. Подключение клавиатуры к микроконтроллеру
Значительно более широкое распространение в управляющих МПС получили некодирующие клавиатуры (например, пленочные), которые представляют собой простую матрицу двоичных переключателей, включенных на пересечении рядов и колонок матрицы и в которых идентификация и кодирование нажатой клавиши выполняется программой. Кроме идентификации, программное обеспечение должно распознавать и обеспечивать защиту от одновременного нажатия более одной клавиши и, кроме того, исключить влияние переходных процессов, так называемый "дребезг" контактов. При малом числе клавиш (1…3) устранение "дребезга" может быть осуществлено аппаратным способом при помощи RS-триггера или сглаживающего конденсатора [45].
На рис.4.9 приведена схема подключения клавиатуры к портам микроЭВМ. Резисторы R6…R9 являются подтягивающими и служат для задания логической «1» при отсутствии нажатия клавиши. Следует отметить, что микроконтроллеры имеют встроенные резисторы на входе портов и подключение внешних не обязательно. Часто для предотвращения замыкания сканирующих линий при одновременном нажатии кнопок в схему вводят разделяющие диоды, в некоторых схемах вместо них используют защитные резисторы [18].
Подключение индикатора
В простых МПУ в качестве индикатора используют отдельные светодиоды, функция которых заключается в отображении тех или иных режимов работы устройства. Светодиод включается через ограничительный резистор, задающий необходимый ток, и может подсоединяться прямо к порту микроконтроллера [13].
Для вывода ограниченного числа цифр и букв применяют линейные дисплеи на семисегментных светодиодных индикаторах, которые выполнены в виде отдельных корпусов ИС и могут монтироваться в линию с числом знакомест в соответствии с требованиями, предъявляемыми к МПС. Их преимущество – дешевизна, недостаток – значительный потребляемый ток. Существуют два способа организации интерфейса с линейным дисплеем в МПС: статический и динамический. Первый предполагает наличие на входах буферных регистров (в частности портов микроконтроллера), на которых фиксируется выводимая информация. Естественно, что с увеличением разрядности линейного дисплея возрастает число этих буферных регистров, а с ними и стоимость, и потребление. Второй способ (динамический) основан на том, что индикаторы являются инерционными приборами, и человеческому глазу информация, выводимая с частотой 50 раз в секунду, представляется неизменной. Отображая в каждый момент только один знак и последовательно перебирая все индикаторы, можно экономично выводить информацию. Недостаток данного способа – для предотвращения мерцания яркости необходимо обеспечить вывод информации с частотой большей или равной 50 Гц. Примеры подключения светодиодов и семисегментных светодиодных индикаторов можно найти в [18, 32]. В настоящее время появились семисегментные светодиодные индикаторы со встроенным контроллером. Встроенный в индикатор контроллер обеспечивает вывод информации на дисплей и поддерживает интерфейс связи с микроЭВМ, снимая тем самым с программиста заботу об организации динамической индикации, а с разработчика аппаратной части – необходимость управления каждым знакоместом.
Рис.4.10. Подключение ЖКИ-модуля к микроконтроллеру
В последнее время все большую популярность завоевывают жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ), обеспечивающие отображение большого объема информации при хорошей различимости и низком потреблении. Наибольшее распространение получили ЖКИ-модули, оснащенные встроенным контроллером и имеющие интерфейс, совместимый с интерфейсом микроЭВМ. Выпускаемые алфавитно-цифровые и графические ЖКИ-модули представляют собой недорогое и удобное решение, позволяющее сэкономить время и ресурсы при разработке новых изделий. Выпускаются алфавитно-цифровые модули различных форматов: однострочные, двухстрочные, четырехстрочные, восьмистрочные по 8, 12, 16, 20, 24, 40 символов в строке [9, 23]. К недостаткам жидкокристаллических индикаторов относится ограниченный температурный диапазон (в расширенном исполнении -20°С…+70°С). Пример включения ЖКИ-модуля в МПС приведен на рис.4.10. Индикатор подключается через разъем ХР1 к порту Р0, вывод данных осуществляется по 8-разрядной шине и синхронизируется сигналами записи/чтения (R/W), команда/данные (RS) и выбора (E). Переменный резисторR1 служит для регулировки яркости свечения. Примеры включения ЖКИ-модулей даны в [19, 28].
Промышленностью также выпускаются отдельные контроллеры управления светодиодными и жидкокристаллическими индикаторами, к которым одновременно можно подключать клавиатурную матрицу [9]. Данные контроллеры имеют встроенный стандартный интерфейс (например, I2C) для связи с управляющей микроЭВМ. Применять такие контроллеры следует при недостатке выводов у управляющей микроЭВМ.
Возможно, наиболее интересным открытием последнего времени в области дисплейных технологий было открытие полимерных светодиодов (PLED) [65]. Эти индикаторы обладают целым рядом преимуществ по сравнению с ЖКИ:
элемент индикатора излучает свет, поэтому может работать в темноте без подсветки;
большой угол обзора, составляющий почти 180 градусов;
элемент индикатора наносится прямо на подложку из стекла и не требует поляризаторов, фильтров и подсветки;
хорошая контрастность изображения 1:100;
PLED индикатор требует меньшего рабочего напряжения, чем ЖКИ элемент;
малая толщина индикатора;
высокое быстродействие - 10мс.
PLED дисплеи также выпускаются в виде PLED-модулей, оснащенных встроенным контроллером, имеющим систему команд совместимую с системой команд ЖКИ-модулей.