成像測(cè)井中基于ARM LPC1788顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　石油行業(yè)中的測(cè)井技術(shù)是一種井下油氣勘探方法，用于發(fā)現(xiàn)油氣藏，評(píng)估油氣儲(chǔ)量及其產(chǎn)量。從1927年發(fā)展至今已經(jīng)出現(xiàn)第五代測(cè)井系統(tǒng)，即成像測(cè)井系統(tǒng)。成像測(cè)井系統(tǒng)通過(guò)成像井下儀傳感器陣列掃描或旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)量，沿井眼縱向、周向或徑向采集地層信息，經(jīng)測(cè)井電纜傳輸?shù)骄铣上駵y(cè)井地面系統(tǒng)，使用圖象處理技術(shù)得到井壁的二維圖象或井眼周圍某一探測(cè)深度以內(nèi)的三維圖象。這比以往測(cè)井系統(tǒng)的曲線表示方法更精確、更直觀、更方便。

　　第四代數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)以LED指示燈、數(shù)碼管等作為顯示器件，存在顯示信息量小，擴(kuò)展不靈活，電路復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)以控制能力突出，外設(shè)接口豐富，運(yùn)算速度快的ARM芯片LPC1788作為控制、數(shù)據(jù)處理核心，使用了位于AHB總線上能進(jìn)行快速訪問(wèn)的多個(gè)GPIO口以擴(kuò)展定制的寬溫液晶屏，對(duì)各種信息的顯示明確、清晰、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定可靠，并能在惡劣的環(huán)境中正常工作。

　　1 NXP LPC1788 ARM處理器簡(jiǎn)介

　　LPC1788是恩智浦公司新推出的一款基于ARM Cortex-M3的微控制器，用于處理要求高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用。本系統(tǒng)選用此芯片作為主控芯片是由于它具備以下突出特點(diǎn)：

　　1)LPC1788是下一代內(nèi)核Cortex—M3架構(gòu)，在相同的時(shí)鐘速率下能提供比ARM7更高的性能，頻率可以高達(dá)120 MHz.

　　2)多達(dá)165個(gè)可配置上拉/下拉電阻、開(kāi)漏模式的通用I/O管腳，控制能力強(qiáng)大。

　　3)一個(gè)以太網(wǎng)MAC帶MII/RMII，便于數(shù)據(jù)的傳輸。5個(gè)UART，帶小數(shù)波特率發(fā)生功能，支持RS-485/EIA-485.

　　4)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可在8只管腳之間實(shí)現(xiàn)多路輸入，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)400 kHz，并具有多個(gè)結(jié)果寄存器。12位ADC可以與GPDMA控制器一起使用。

　　5)LPC1788的管腳引出線可與LPC24xx和LPC23xx保持管腳功能兼容，方便系統(tǒng)的升級(jí)。

　　2 ARM顯示系統(tǒng)組成

　　圖1是ARM顯示系統(tǒng)工作原理示意圖。ARM LPC1788是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它主要有以下幾個(gè)方面的功能：一方面負(fù)責(zé)收發(fā)網(wǎng)絡(luò)和串口上的數(shù)據(jù)，另一方面用內(nèi)置AD采集直流交流供電回路上的電壓電流信號(hào)，并控制液晶屏顯示相關(guān)信息。

　　圖2是實(shí)際電路圖截選。

　　ARM LPC1788、晶振電路、供電電源、復(fù)位電路、驅(qū)動(dòng)電路和其他外圍電路封裝成一個(gè)小模塊LPC1788 MODULE，通用化，以方便系統(tǒng)共用。程序調(diào)試和下載使用JTAG口。D2為MC1413，負(fù)責(zé)控制繼電器的通斷。XS10：RJ45接網(wǎng)線，和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。XS8為液晶屏接口，分別把數(shù)據(jù)線D0-D7，地址線A0-A1，控制線CS0、WR、RD接到液晶屏相應(yīng)端口上去。ARM模塊管腳70-73是LPC1788內(nèi)部AD收入，采集模擬信號(hào)。串口為49、50兩管腳，與單片機(jī)C8051F040轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

　　2.1顯示部分

　　電路成像測(cè)井地面系統(tǒng)在野外環(huán)境工作，條件比較惡劣，要求高溫和低溫情況下都能正常地使用。為了達(dá)到這點(diǎn)，本系統(tǒng)選用了寬溫型芯片(達(dá)到-40～85℃的指標(biāo))及寬溫型液晶顯示屏。基本原理如圖3所示。

　　LPC1788 P3口、P4口出來(lái)的地址信號(hào)、片選信號(hào)、讀寫(xiě)信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)三態(tài)輸出到16位總線收發(fā)器SN74LVC16245并經(jīng)驅(qū)動(dòng)連接到液晶屏控制電路上的CPLD進(jìn)行邏輯控制，并和其相應(yīng)的存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，DC/DC電壓變化器供給液晶屏所需各種電壓，背光供電電路給液晶屏背光燈供電。邏輯控制部分加入緩沖技術(shù)，可以讓寫(xiě)入與顯示同時(shí)進(jìn)行，避免雪花現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)高速刷新。

　　此液晶屏為點(diǎn)陣型液晶屏，由480x272個(gè)顯示單元組成，顯示字符相對(duì)復(fù)雜。每一個(gè)漢字都可以認(rèn)為是由許多個(gè)點(diǎn)組成點(diǎn)陣所構(gòu)成的。此屏每8列對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)的8位，即每行由60字節(jié)共60x8=480個(gè)點(diǎn)組成，屏上272x60個(gè)顯示單元與顯示存儲(chǔ)器區(qū)16 320字節(jié)對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。當(dāng)一行的字節(jié)寫(xiě)滿刷新屏幕后，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一行寫(xiě)新的字節(jié)，如此，寫(xiě)滿整屏。本設(shè)計(jì)每一個(gè)字符由20x16點(diǎn)陣組成，共需要40字節(jié)才能寫(xiě)完一個(gè)字。

　　控制液晶屏方式為并行總線控制(片選信號(hào)/CS、讀信號(hào)/RD、寫(xiě)信號(hào)/WR、數(shù)據(jù)總線D[7：0]、地址總線A[1：0])。既可以像普通存儲(chǔ)器一樣使用EMC方式控制，所有操作均對(duì)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě);也可以用GPIO方式控制，嚴(yán)格按照時(shí)序控制相應(yīng)端口置高低電平。液晶屏需要四個(gè)寄存器，列地址寄存器(X)、行地址寄存器(Y)、狀態(tài)寄存器(CME))和數(shù)據(jù)寄存器(DAT)。每個(gè)寄存器的位寬是8bit，而行(列)寄存器地址取值范圍均超過(guò)255，需占9bit，所以行(列)地址寄存器必須連續(xù)寫(xiě)兩次，第一次寫(xiě)低8位，第二次寫(xiě)高位地址。在此期間，不可以對(duì)其他三個(gè)寄存器做任何操作。在單點(diǎn)寫(xiě)時(shí)，控制寄存器寫(xiě)0就可以。顯示數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)寄存器寫(xiě)入和讀出，每次讀寫(xiě)操作后地址自動(dòng)沿X方向加一。

　　讀寫(xiě)時(shí)，先指定行列地址。然后從此點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)讀寫(xiě)，無(wú)須重新設(shè)置行列地址。在顯示數(shù)據(jù)每次寫(xiě)操作后，列地址自動(dòng)加1.當(dāng)?shù)刂芳拥叫形矔r(shí)，地址將跳到下一行的行首。當(dāng)寫(xiě)一個(gè)新行時(shí)，需重新設(shè)置行列地址。