外设芯片——2.0 GN1621A-段码屏LCD
一、综述
段码液晶屏是早期液晶显示屏开始应用时的主要类型，目的是替代LED数码管，因为原理简单、成本低，直到现在还在广泛的应用。它区别于点阵屏，段码屏上的内容一般需要找厂家定制，一旦屏幕制作完成，显示的内容就无法更改。这相对于点阵屏是一个劣势，点阵屏可以随心所欲的显示要展现的内容。
段码屏中有很多个段，有32x4、32x8、64x4、64x8等等，以32x4为例，说明该屏可以点亮128个段，每个段经过厂家制作成不同的形状，例如把第0段制作成左上角的“蓝牙”图标，把第59段制作成右上角的“电池”图标，通过程序点亮第0段和第59段，屏幕上就会在左上角显示“蓝牙”图标和在右上角显示“电池”图标。一旦屏幕制作完成，每个段和其对应的位置与形状就无法改变了，屏包含的段越多，可以显示的内容就越多。
二、LCD显示原理
LCD的显示原理比较简单，它在电场的作用下晶体的排列方向会发生扭转，因而改变其透光性，从而可以看到显示内容。LCD有一个扭转阈值，当两端电压高于此阈值时，显示内容，低于此阈值时，不显示。通常有3个参数：工作电压、Duty（对应COM数）和Bias（即偏压或偏置，对应阈值）。
Duty和Bias有一经验公式，可以帮助快速的选择合适的Duty和Bias。
例如可以选择Duty为4，Bias为1/3。
比如工作电压4.5V，4DUTY，1/3BIAS，表示LCD工作电压为4.5V，4个COM，阈值为1.5V。当加在某段LCD两端电压大于1.5V时显示，反之，则不显示。但是LCD对于驱动电压的反应不是很明显，比如加2V时，可能会微弱显示，这就是通常说的“虚影”，所以要保证显示效果良好，要大于阈值电压比较多，而不显示时，要比阈值电压小得多。
但LCD的两端不能长时间加直流电压，否则会损坏，所以要保证加在LCD两端的驱动平均电压为0。故采用时分割扫描法，任何时候只有一个COM有效，另外的COM处于无效状态。
1、波形分析
在实际使用时，LCD的两端电压为COM和SEG引脚施加的，假设COM共4个，SEG共32个，则可以驱动的段数为32x4=128，每一个段都会对应一组COM和SEG。
如下图所示，LCD工作电压4.5V，4DUTY，1/3BIAS，说明电压的输出的最小分度为4.5/3=1.5V，每个引脚输出的电压为0、1.5V、3V、4.5V，同时1/4占空比，四组COM分时扫描驱动，1/4指每个COM引脚输出占总输出时间的1/4。
图中一共有两个周期，第一个周期为时间段1-8，第二个周期为时间段9-16。以第一个周期为例，时间段1、2，COM1有驱动波形，时间段3、4，COM2有驱动波形，COM3和COM4同理，可以看出一个周期分别被4个COM瓜分，同一时刻，只能有一个COM有驱动波形，并且每个COM的波形是固定不变的。而SEGn的波形是变化的，当某个时段COMn-SEGn的电压大于阈值时，对应的段就会点亮，否则熄灭。
具体来看每个时段的电压情况
时段1、2：时段1，COM1为4.5V，SEGn为3.5V，COM1-SEGn=1V，低于阈值1.5V，不显示。时段2，COM1为0.5V，SEGn为1.5V，COM1-SEGn=-1V，同样不显示，并且平均电压为0V。
时段3、4：时段3，COM2为4.5V，SEGn为3.5V，COM2-SEGn=1V，不显示。时段2，COM2为0.5V，SEGn为1.5V，COM1-SEGn=-1V，不显示。同时平均电压为0V。但是图中显示的COM-SEG电压为3V和-3V，应该是错误。
时段5、6：对应为COM3，分析过程同上。
时段7、8：时段7，COM4为4.5V，SEGn为1.5V，COM4-SEGn=3V，高于阈值，显示。时段8，COM4为0.5V，SEGn为3.5V，COM1-SEGn=-3V，显示。并且平均电压为0V。
第二个周期中，时段11、12，因为此时SEGn为1.5V与3.5V，最终电压为3V与-3V，故显示。
SEGn中的n可以为0~31中任意的值，如果n=0，则在第一周期中，只有[COM4，SEG0]对应的段被点亮，在第二周期中，[COM2,SEG0]和[COM4,SEG0]对应的段被点亮。
最后要强调的是，这些波形并不是MCU生成的，MCU只需要告诉LCD芯片点亮那些段即可，LCD芯片会自己生成。
2、RAM映射
如下图所示，LCD芯片内部有用来存储所显示段的RAM，把某位写1，则对应的段就会点亮。
假设上一节的波形分析图中显示的为SEG0，即第一个周期点亮[COM4，SEG0]，第二个周期点亮[COM2,SEG0]和[COM4,SEG0]，则第一个周期，向SEG0写入0x8，第二个周期，写入0xA。其他的SEGn也是同理。
三、GN1621操作
本文使用的是GN1621芯片，市面上的LCD芯片操作方法基本都是一样的。
1、接口
GN1621需要4线通信，分别为CS、WR、RD和DATA。CS为片选，拉低为使能，WR是写时钟，RD是读时钟，DATA是传输的数据。该类芯片比较特殊的一点是写操作和读操作分别需要不同的时钟。一般情况下，为了节约引脚，可以省掉读时钟。
2、指令格式
如下图所示，指令共有两种模式，分别为命令模式和数据模式。对GN1621的设置操作称为命令模式，其ID为二进制100，由系统设置命令，系统频率选择命令、LCD设置命令、蜂鸣频率选择命令和操作命令组成。而数据模式主要是对RAM进行读写操作，包括READ、WRITE和READ-MODIFY-WRITE操作。
注意，当模式切换时，即前一刻发送命令，下一刻发送数据，或者反过来，CS必须要拉高一次。这就表明在实际使用时，没法把CS一直拉低，有时候硬件为了节约MCU引脚，直接把CS接GND，这是行不通的。
常用的功能如下图中红框所示，按功能划分为了4组。第1组，写数据到RAM中，即选择要点亮的段。第2组，启动或关闭LCD。第3组，选择时钟源。第4组，配置Duty和Bias。
初始化LCD时，如果选择LCD片内RC震荡器，Duty为4，Bias为1/3，故发送的命令为：RC256、SYSEN、BIAS1/3、LCDON。
初始化完毕后，使用WRITE，发送要点亮的段即可。
3、时序分析
如下图所示，不管是读还是写，均在SCLK的上升沿采集数据。写操作，MCU在写时钟的上升沿到来之前，把数据输出到IO上，上升沿到来时，LCD会采集IO数据。读操作，LCD会在读时钟的上升沿到来之前，把数据输出到IO上，上升沿到来时，MCU会采集数据。
我们在实际使用时，主要使用如下两种时序：命令模式和连续地址写模式。这两种模式从时序上来说，大同小异，都是MCU在写时钟的上升沿到来之前，把数据准备好，等上升沿来临，LCD读取DATA数据。
连续地址写只需要给出一个起始地址，后续的数据会自动往后面的递增地址写入。RAM的映射图就已经给出了RAM的地址范围，地址0-31对应SEG0-SEG31，每个地址的第0-3位，对应了COM0-COM3。
假设要点亮[SEG0，COM1]、[SEG1，COM0]、[SEG1，COM2]、[SEG2，COM3]，那么使用连续地址写命令，先写地址0x00，然后连续写数据0x2、0x5、0x8，LCD芯片会自动的把这三个数据写入地址0x0,0x1,0x2。
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