[科普中国]-数据显示系统

计算机数据显示系统全貌及其原理

用一台有着基本结构的计算机就可以构成目前所存在的这种典型的计算机数据显示系统．在下图中给出了包括控制器、运算器、存储器和输入输出设备等这四部分构成的基本计算机框图。

计算机的控制器既控制在计算机内的数据淡，又控制到显示系统去的数据流。在计算机内梳动的数据受程序控制，这种程序是存干存储器之中的一组预先编好的指令序列。当控制器通知怎样做时，被存储的计算机数据就从存储器中取出，并送到供显示器传送数据用的输入输出设备中去。

运算器执行计算机所需要的运算。当某种运算操作完成后，其结果就存于存储器中，然后等待计算机程序所指定的任何其它各种处理。

固定程序指令和动态计算机数据两者都存放在存储器中。存储器中的全部数据都各占有一个唯一的存储地址，所以对数据的存取操作都能加以控制。当计算机驱动显示器时，数据在计算机程序的控制下，就能连续地从存储器中进行存取。

输入输出设备控制计算机和显示器之问双方的数据交换，从计算机到显示器的数据传输要经过该设备。输入输出设备和计算机控制器要把从显示器来的数据送到存储器或运算器中去。

通常，计算机程序把要显示的全部数据都放在计算机存储器中的指定位置上，这叫做显示文件存储器。显示器需要数据时，计算机程序就把显示文件存储器中的数据从存储器中连续地取出，并送到显示系统中去。

当计算机直接同一般的CRT显示器一起工作时，显示文件存储器的数据必须是周期地传送到显示器中去。这种显示过程的更新是需要的，因为一般的CRT只能保留数据几毫秒，为了让数据看上去是连续的，所阻必须使被显示的数据以一定的频率进行重写。2

常用的显示器件有发光二极管、LED数码管、LCD液晶显示器等。

LED数据显示系统用LED数码管组成的仪器数据显示器具有亮度高，全天候的特点，在仪器设计中应用最广。驱动方法不同，数据显示器的接口电路形式也不同，一般可分静态驱动和动态驱动两种方式。

动态驱动方式接口动态驱动实际上是一种动态扫描显示过程，这种方法的电路硬件数量少，较经济。它的基本形式如下图所示。图中数据显示器由6只共阴极LED数码管组成，X5～X0与各数码管的阴极相连，当有X线输出低电平时，对应位置的数码管就被选通工作。当X线为高电平时，对应位置的数码管就因落选而熄灭。因此X信号的输出电路U1称为显示位控寄存器。该U1实际上是一个电路，它的选通地址仍为CS1。各数码管的字形段极a～h同名段连在一起，并通过一只限流电阻接到显示段码锁存器U3的输出端，U3的选通地址为CS3。这样，如果在U3中写入一个代表某一字符的字形段码，又在该字符对应显示位置的X线上输出一个低电平驱动信号，就可将该字形在指定的数码管上显示出来。1

静态驱动式接口动态显示方式所用硬件较少，但显示内容必须随时不断刷新才能维持，要占用CPU大量的操作时间。而且随着显示位数的增加，每一位的显示时间减少，显示亮度会降低，严重时还会发生闪烁而影响阅读。因此，动态显示方式只能用于显示位数较少，主程序执行时间较短的情况。在静态显示方式中，计算机将显示数据直接交给硬件电路，是由硬件电路自已完成数据的寄存和驱动显示的，因此不存在动态显示中的闪烁问题。下图画出了一位静态驱动显示的原理图。一只数码管与一个8位锁存驱动器连接，计算机将要显示字符的字形代码写入到该锁存驱动器中，字符立即可以在数码管上显示出来。除非再次的写入新的内容，显示的字符是可以维持不变的。显然，这种方法所用硬件电路较多，特别是多位数显示时开销较大，因此在静态显示方式中常采用多口I/O扩展器件进行接口设计。1

8279可编程键盘/显示器件的应用在较复杂，多功能的智能仪器和自动化检测系统中，不但采用的按键较多，而且要显示的数据位数也多。用软件扫描键盘要占用大量的CPU时间，多位显示器的接口电路也比较复杂，在这种情况下可以选用专用多口键盘/显示接口器件。常见的芯片有8279和SSK814两种，前者采用并行方式与计算机接口，工作速度较快；后者采用串行方式与计算机接口，工作速度较慢。1

LCD数据显示系统液晶显示器具有低电压、微功耗、大信息量、长寿命的特点，已广泛应用于电子表、电视和个人计算机等技术领域。在许多便携式仪器仪表和智能仪器中也有广泛的应用前景。

液晶显示器的基本结构与驱动方法由下图所示的基本结构图可知，将一片具有显示段电极膜的基板玻璃和另一片具有公共电极膜的基板玻璃对接在一起，四周用热固化环氧树脂进行封装，两片基板玻璃之间留有约10pm的间隙，在真空条件下注入液晶材料，用树脂封好后再在前后表面贴上偏振片即制成了一只液晶显示器。在使用时常把上基板上的字形段码电极称为段极，把下基板电极称为背极。我们只要在两极间加入一定的电场，就可按电极形状显示出相应的图像来。上下导电基板电极的形状不同，所示的图像也不同。1

采用ICM721l液晶显示驱动器的接口设计ICM7211是一种4位数字式液晶显示驱动器件，它有ICM7211IPL、ICM7211AIPL、ICM7211MIPL和ICM7211AMIPL四种型号。这些器件可以用来驱动四位七段数字式液晶显示器，片内自带RC振荡器，并可以进行级联，构成更多位的显示系统。它采用CMOS工艺，器件功耗极低。IPL型、A1PL型芯片有4位数字输入端和4位位控输入端，适于与8255、8031等芯片直接接口。MIPL型、AMIPL型芯片有4位数字输入、2位地址和2位片选输入端，适于直接在单片计算机系统中应用。另外，IPL、MIPL两种芯片可译码显示．0～F十六种字符，而AIPL、AMlPL两种芯片只译码显示0～9、一、E、H、L、P等字符，在选用时必须加以注意。下图是该器件的引脚封装图。

实际应用数据显示系统是许多工厂的基础部分，在那里工厂的活动要求进行时实监视。这些系统也将用于环境监测、病员监护和日常生活之中。例如，汽车的油表就是一个最简单的数据显示系统。原始的信息即油箱中汽油的液面位置是用称之为浮子装置测量的，然后转换成电量并显示在仪表上供驾驶员检查，使他们能决定在什么时候该往油箱里加油。换句话说，一个数据显示系统由两部分组成，一部分设备用于信号检测，而另一部分为输出设备，它重新产生引起人们注意的信息。因此，存在各种各样的显示设备。例如，报警铃是一个二进制的显示设备，它不是响就是停。另一方面仪表是在比较低的速度和精度条件下显示值的连续变化范围。一些现代化设备，则倾向采用高精度的数字显示。最后，周期函数或随时间缓变的一些函数可用示波器或其他设备来显示。

下图表示数据最示系统的典型配置。应指出通常对测得的输出——敏感设备的输出要求进行某些处理，例如，在它们能用于驱动显示设备之前进行放大。特别是在信号可用数字显示之前需要对其进行A—D转换。

在一般情况下，数据显示系统用采显示缓变信号。仪表的指针具有较大的惯性，不能指示快变的电压。虽然数字显示能较快地变化，但要靠人的观察去分辨迅速变化的数字是很困难的。因为周期性信号本身有规律地重复便于观察，所以除显示的信息是周期性变化的之外，用示波器观察快变的踪迹也同样是很困难的。在多数场合，速变的信号既可以被记录下来用于随后的处理，也可以用与它的变化速度相匹配的机器进行实时处理。3