VFD显示驱动和控制芯片TP6312F在电磁炉显示电路中的应用

    摘要：介绍了VFD显示驱动和控制芯片TP6312F的组成结构、性能特点和编程指令，对TP6312F驱动的VFD在电磁炉显示电路中的应用做了详细论述，给出了该应用系统的硬件电路和软件流程。

    关键词：家用电器；VFD；TP6312F

真空荧光显示屏ＶＦＤ（Ｖａｃｕｕｍ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ）是１９６６年日本发明的一种自发光平板显示器件，现已在工业、商业?特别是家用电器数字化产品领域得到了广泛应用。ＶＦＤ是一种特殊变体的三级真空管，其电子从负极（灯丝）发射出来，通过栅网加速后撞击正极表面附着的磷光体从而发光。ＶＦＤ的主要性能是：自动发光、高清晰度和高亮度显示、低压操作、低功耗、可靠且使用寿命长、有从红色到蓝色多种色彩（使用滤色器可获得更多色彩）、宽视角、反应速度快等。现在市面上的电磁炉大多采用数字ＬＥＤ显示，也有的采用字段ＬＣＤ显示屏，笔者开发的首款电磁炉采用的就是图形点阵ＬＣＤ显示屏，但考虑到成本、显示亮度及电磁炉本身的强电流、强磁场等因素和ＶＦＤ的诸多特点，最终选择ＶＦＤ作为电磁炉显示屏。

图1

１ ＴＰ６３１２Ｆ控制／驱动芯片

１．１ ＴＰ６３１２Ｆ的组成及功能

ＴＰ６３１２Ｆ是ＴＯＰＲＯ（台湾凌越科技）公司生产的ＶＦＤ专用控制／驱动器，可完成段节式ＶＦＤ器件的控制与驱动。该器件为４４脚ＬＱＦＰ封装，有１１个段（阳极）输出脚、６个位（栅极）输出脚、５个段／位（阳极／栅极）两用输出脚、４位开关量输入脚、４位ＬＥＤ驱动脚以及４×６键盘输入脚。ＴＰ６３１２Ｆ内含１个显示ＲＡＭ、２个４位锁存器、１个亮度控制电路、键值数据ＲＡＭ及键盘扫描电路，可通过３线或４线串口与ＭＣＵ进行连接。ＭＣＵ可以通过串行接口将数据写入显示ＲＡＭ和ＬＥＤ驱动锁存器，也可以从键值数据ＲＡＭ和开关量输入锁存器中读出内容。

１．２ ＴＰ６３１２Ｆ的控制命令

ＴＰ６３１２Ｆ具有显示模式设置、数据设置、显示存储器地址设置和显示控制设置命令等４条命令，其具体格式如图１所示。由图１可见，通过显示模式设置命令可使ＴＰ６３１２Ｆ匹配不同结构的ＶＦＤ显示屏。在显示存储地址设置命令中，地址的取值范围为００Ｈ～１５Ｈ，大于１５Ｈ的取值被视为无效；通过执行显示模式设置命令，系统显示会被强行关闭，此时要恢复显示，必须执行一次显示控制设置命令。在向ＬＥＤ端口写数据、读键值数据、读ＳＷ数据时，系统并未涉及特定存储单元的地址，而是通过数据设置命令来获得其结果，执行完数据设置命令后，即可将其存储到指定的存储单元或将指定存储单元的内容写到ＴＰ６３１２Ｆ中。

图2

２ 电磁炉显示系统设计

２．１ 系统的硬件组成

电磁炉的前面板电路由微控制器Ｗ７８Ｅ５８Ｂ、ＶＦＤ驱动电路ＴＰ６３１２Ｆ、电磁炉ＶＦＤ显示器件及一些分立器件组成。该系统电路如图２所示。其中Ｗ７８Ｅ５８Ｂ是Ｗｉｎｂｏｎｄ公司的微处理器，电磁炉ＶＦＤ具有４个栅极?Ｐｉｎ４～Ｐｉｎ７?和１６?Ｐｉｎ９～Ｐｉｎ２４?个阳极。Ｗ７８Ｅ５８Ｂ和ＴＰ６３１２Ｆ采用三线制接法，Ｗ７８Ｅ５８Ｂ的Ｐ１．０和ＣＳ相连，Ｐ１．１和ＣＬＫ相连，Ｐ１．２则和ＤＩ、ＤＯ相连。因ＤＯ口为Ｎ沟道开漏输出，故需接上拉电阻Ｒ７以形成数字电平信号。ＴＰ６３１２Ｆ内置ＯＳＣ，其振荡频率由Ｒ１决定，Ｒ１的典型值为５６ｋΩ。

２．２ 键盘电路

键盘电路共有１１个键。图中键盘电路的Ｄ２、Ｄ４采用的是１Ｎ４１４８， 可用于隔离阳极驱动电压。ＴＰ６３１２Ｆ内嵌硬件键扫描电路，并在Ｓｊ／Ｋｊ（ｊ＝０～５）线输出键扫描信号，Ｋｉ（ｉ＝０～３） 线接收键值（在显示周期的末端锁存至内部ＲＡＭ），因此，由Ｋｉ（ｉ＝０～３）和Ｓｊ／Ｋｊ（ｊ＝０～５）可以构成４×６键盘矩阵。该系统中，矩阵键盘用２×４键组成时，Ｓ０／Ｋ０、Ｓ１／Ｋ１线作为输出键扫描信号，Ｋｉ（ｉ＝０～３）线用于接收键值。根据电路图的接法，若有键按下，键码内部ＲＡＭ的相应位置１。其余３个键由ＳＷｎ（ｎ＝０～３）线组成。ＳＷｎ（ｎ＝０～３）为４位开关输入端，设计者可根据需要自行定义。这里用其中的三位（ＳＷ０，ＳＷ１，ＳＷ３）来作为按键输入，根据电路图中的接法，开关量输入内部 ＲＡＭ的相应位应置０。

２．３ 显示电路

ＴＰ６３１２Ｆ采用负压输出，阳极（Ａｎｏｄｅ ｐｉｎ）在逻辑０时输出负压，在逻辑１时输出电平为０伏。为驱动ＶＦＤ，需下拉灯丝绕组中心抽头的电位。图２中稳压管ＷＤ１的稳压值由ＶＦＤ的截止电压来决定。动态扫描显示由ＴＰ６３１２Ｆ内部电路自动完成，位线引脚（对应于ＶＦＤ的栅极，Ｇｉｒｄ Ｐｉｎ）循环输出栅扫信号，段线（对应于ＶＦＤ的阳极，Ａｎｏｄｅ Ｐｉｎ）引脚则输出与内部显示ＲＡＭ 区相对应的显示信号。图２中电路的接法将影响到软件的编制。由于ＴＰ６３１２Ｆ的位线?Ｇ５、Ｇ４、Ｇ３、Ｇ２?分别连接到ＶＦＤ的栅极?Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４?，因而在设置显示存储器地址命令时要特别注意，显示存储器的初始地址要设置为“０４Ｈ”。如果点亮哪一段，相应的显示ＲＡＭ的相应位要置１；ＴＰ６３１２Ｆ的段线和ＶＦＤ的阳极不是顺次一一对应连接，而是逆序对应的，即ＴＰ６３１２Ｆ的段线最高（低）位应接到ＶＦＤ的阳极最低（高）位。这主要是基于提高系统抗干扰性能方面的考虑，因为印制电路板要制成单面板，因而连接做了这样的改动。在软件编制时，对于数字字符和一些简单字母字符的显示，七段码一般不考虑这种接法，只需按照ＶＦＤ的阳极来编制，并在送入显示ＲＡＭ时将七段码循环移位操作即可；而对于图形显示，则应将编码表按电路实际编码来进行连接。

ＴＰ６３１２Ｆ有四个ＬＥＤ输出口（ＬＥＤｎ，ｎ＝０～３），本系统只用其中一个（ＬＥＤ０）作为电源开关指示灯。当向ＬＥＤ驱动锁存器的某一位写０时，被该位驱动的ＬＥＤ就点亮，写１时被该位驱动的ＬＥＤ熄灭。

２．４ 灯丝和驱动电路工作电源

ＶＦＤ灯丝在工作时只有产生近６００度的高温，才能有游离电子出现。所以灯丝有交流驱动和直流驱动两种工作方式。其中交流驱动有两种接法，一是灯丝的单侧接地，另一种是灯丝变压器的中心抽头接地， 推荐使用中心抽头接地方式。对于有中心抽头的脉冲变压器，在选择 ＤＣ－ＤＣ 变换器时，要注意不能有极端的直流成分、可闻频率成分或尖峰脉冲，而且有效值要与标准值一致，振荡频率应在３０ｋＨｚ 以上；而对于直流驱动，由于灯丝加热的直流电压在灯丝上会有一个电位分布，这样，两灯丝将会存在不平衡的高低梯度。为了获得均匀的亮度，必须对荧光显示屏栅极和灯丝间的实际距离进行设计补偿。 鉴于设计补偿的范围有限，且直流灯丝的构造设计一般只限于灯丝较短的荧光显示屏。因此，这里推荐使用带中心抽头的灯丝变压器交流驱动工作方式。

电磁炉ＶＦＤ采用的灯丝电压（Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）比较低（最大为２．３１Ｖａｃ，典型为２．１Ｖａｃ，最小为１．８９Ｖａｃ），图２中Ｊ１插头的５脚是灯丝ＥＦ２，４脚是中心抽头，３脚是灯丝ＥＦ１，中心抽头是平衡电位，用于使ＶＦＤ显示亮度均匀。

驱动电路的工作电源可由变压器输出（Ｊ１的１脚是交流２１Ｖａｃ输入），经Ｄ３整流滤波后供给驱动电路。

３ 系统软件设计

基于ＴＰ６３１２Ｆ控制／驱动芯片的ＶＦＤ显示和键盘电路在硬件上十分简单，但软件编制比较烦杂。系统软件可在Ｃ语言环境下完成。程序开始时最重要的是对ＴＰ６３１２Ｆ的初始化，这部分工作可由子程序ＶＦＤＩｎｉｔ（）完成，其流程如图３所示。

此种类型的电磁炉具有煎炒、油炸、烧水、煮饭、煲汤、火锅、铁板烧７项功能。另外还有钟控、遥控、时间设置、定时、开机关机、火力、功率、温度调节以及检测与控制部分的通讯状态等功能。限于篇幅，本文只给出与ＴＰ６３１２Ｆ相关的ＶＦＤ显示、键盘扫描以及ＬＥＤ显示等软件流程图。这些功能都可在ｍａｉｎ．ｃ程序模块中完成，其流程图如图４所示。ＶＦＤ显示由ｖｆｄ＿ｄｉｓｐｌａｙ（）子函数完成，ｖｆｄ＿ｄｉｓｐｌａｙ（）子函数中包含数制的转化、查表以及对送入ＶＦＤ显示的ＲＡＭ数据进行特殊处理；键盘扫描程序由ｓｅｔ＿ｋｅｙ＿ｖａｌｕｅ（）子函数完成，ｓｅｔ＿ｋｅｙ＿ｖａｌｕｅ（）子函数包括两个部分，一是对ＴＰ６３１２Ｆ的 ＳＷ开关量的查键，即由ｒｅａｄ＿ｔｐ６３１２＿ｓｗ（）子函数读ＴＰ６３１２Ｆ的开关量输入锁存器；二是对ＴＰ６３１２Ｆ键盘矩阵的查键，即由ｔｐ６３１２＿ｒｅａｄ＿ｋｅｙ（）子函数读ＴＰ６３１２Ｆ的键值数据ＲＡＭ；ＬＥＤ指示灯程序由ｔｐ６３１２＿ｌｅｄ??子函数完成。各子函数中都包含对ＴＰ６３１２的读、写子程序。对于ＶＦＤ要显示的数字或字符，设计时不用对每一段都进行编码，而采用查七段码表和字符码的方法，由于电路的特殊接法，只需将查到的七段码做移位操作即可得到正确的显示；而对于ＶＦＤ图形显示，则要对每一段所对应的阳极进行单独编码。这样有利于灵活编程，也可以减少程序代码的长度。对于ｓｅｔ＿ｋｅｙ＿ｖａｌｕｅ（）、ｖｆｄ＿ｄｉｓｐｌａｙ（）、ｔｐ６３１２＿ｌｅｄ（）三个子函数（包括对ＴＰ６３１２Ｆ的基本的读、写操作），图５给出了读（ｒｅａｄ＿ｔｐ６３１２（））、写（ｗｒｉｔｅ＿ｔｐ６３１２（））和读键值（ｒｅａｄ＿ｔｐ６３１２＿ｓｗ（）、ｔｐ６３１２＿ｒｅａｄ＿ｋｅｙ（））的流程图。注意：图５中（ｃ）、（ｄ）两图中的延时不可过长，延时太长会影响按键扫描和显示刷新。

４　结束语

ＴＰ６３１２Ｆ和ＶＦＤ显示屏组成的显示子系统具有集成度高、抗干扰性能好、与微处理器接口简单，可节省硬件资源等优点。从成本角度考虑，以ＴＰ６３１２Ｆ和ＶＦＤ显示屏组成的显示子系统是电磁炉显示电路的理想选择。