引 言
實驗動物獨立通氣籠盒(Individual Ventilated Cages，IVC)(閉環(huán))監(jiān)控系統，由微控制器實現對籠盒風扇的通氣量、籠盒內部的氨含量等參數采集，并根據這些參數來調整通氣風扇轉速，以調整籠盒的換氣率，從而確保籠盒內部的空氣質量。同時，根據相關參數指標發(fā)出警報以提醒更換過濾膜等，實現對小動物生長環(huán)境的過程控制。
在整個監(jiān)控系統中，人機交互界面部分用于顯示整個實驗動物生長環(huán)境過程中的控制歷史數據、實時控制參數和環(huán)境溫度參數等。
本文采用以ST7920為控制器的YMl2864R點陣式液晶顯示模塊(LCD Module，LCM)構成了整個IVC監(jiān)控系統的人機界面部分。YM12864R點陣式液晶顯示模塊具有靈活的接口方式和簡單的操作指令，構成的全中文人機交互圖形界面既可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可以顯示圖形。模塊內部設有2MB的中文字型CGROM和64×256點陣的GDRAM繪圖區(qū)域；同時，提供4組可編程控制的16×16點陣造字空間。
1 點陣式液晶硬件接口設計
以ST7920為控制器的YM12864R點陣式液晶顯示模塊和單片機之間的接口方式有并行和串行兩種。本文采用串行接口方式，單片機選用AVR公司的ATmega16。接口電路如圖1所示。其中，PC4控制串行的片選信號(CS)，低電平有效；PC5控制串行的數據線(SID)；PC6控制串行的時鐘輸入(CLK)。ST7920通過VCC(+5 V)和GND之間串聯一個10 kΩ的電阻來控制背光強度。如果不需要調節(jié)對比度，可以直接將VLCD引腳接VCC(+5 V)，此時對比度最大。
2 文本顯示及繪圖顯示
2.1 文本顯示
ST7920可以顯示半寬的HCGROM字型、CGRAM字型以及中文CGROM三種字型，通過在DDRAM中寫入的編碼選擇。文本顯示DDRAM提供8個×4行的漢字空間，如下所示：
字型編碼如下：
①顯示半寬HCGROM字型。將1字節(jié)寫入DDRAM中，范圍為02H～7FH的編碼。
②顯示半寬CGRAM字型。將2字節(jié)編碼寫入DDRAM中，總共有0000H、0002H、0004H、0006H四種編碼。
③顯示中文CGROM字型。將2字節(jié)編碼寫入DDRAM中，范圍為A1AOH～FTFFH(GB碼)或A140H～D75FH(BIG5碼)的編碼。
2.2 繪圖顯示
繪圖顯示GDRAM提供128×8字節(jié)的記憶空間。在更改繪圖RAM時，先連續(xù)寫入水平與垂直的坐標值，再寫入2個字節(jié)的數據到繪圖RAM中，而地址計數器(AC)會自動加1。在寫入繪圖顯示RAM的期間，繪圖顯示功能必須關閉。整個寫入繪圖RAM的步驟如下：
①關閉繪圖顯示功能；
②先將水平的位元組坐標(X)寫入繪圖RAM地址，再將垂直的坐標(Y)寫入繪圖RAM地址；
③依次將D15～D8和D7～D0寫入RAM中；
④打開繪圖顯示功能。
圖形顯示坐標如圖2所示。其中，水平方向X以字節(jié)單位，垂直方向Y以位為單位。
3 字符反白
在實現人機交互界面菜單時，字符反白可以表示菜單中不同選項被選中的狀態(tài)。液晶顯示模塊YM12864R的使用手冊中提供了對應行的反白指令，但在原理上ST7920控制器的128×64點陣液晶等同于256×32點陣，第3行對應的文本顯示(DDRAM)地址緊接著第1行，第4行對應的文本顯示(DDRAM)地址緊接第2行。因此，用戶對第1行執(zhí)行反白顯示操作時，第3行必然也反白顯示；對第2行執(zhí)行反白操作時，第4行也必然反白。可見，使用手冊中自帶的反白指令不能實現任意字符的反白。
為了解決上述問題，可以將圖形顯示和字符顯示結合起來使用。在ST7920控制器中，文本顯示的DDRAM和圖形顯示的GDRAM是相互獨立的，而最后顯示到液晶上的結果則是，文本顯示DDRAM中數據和圖形顯示GDRAM中數據的異或結果。
如果要在液晶顯示模塊的某個點上呈現反白顯示，那么就在該點繪圖并且顯示文本；如果要取消反白，只需用全“0”擦掉該點的繪圖。這樣，就可以實現YM12864R的任意字符的反白。
字符反白程序流程如圖3所示。其中，base_x表示繪圖起始的行地址；Y_Pos表示繪圖起始的列地址；第1行至第4行的起始地址分別是(0x80，0x80)，(0xS0，0xg0)，(0x88，0xS0)和(0x88，0x90)。
反白就是在需要反白的區(qū)域進行繪圖，即在這個區(qū)域寫進0xff。清除一個區(qū)域的反白，就是對需要清除反白的區(qū)域清除繪圖，即在這個區(qū)域寫進0x00。
在整個繪圖的過程中，橫向地址指針是自動進行加1運算的，所以只需要確定這一行的首地址橫坐標；而縱坐標的地址不進行自動加1運算，需要在程序中修正，每次修正是以像素為基本單位的。
字符反白顯示實例如圖4所示。
4 任意位置顯示任意大小圖形
在實現人機交互界面時，圖文結合是常見的一種方式。本文嘗試一種任意位置顯示任意大小圖形(橫向尺寸以字節(jié)為基本單位，縱向尺寸以位為基本單位)的方法，為人機交互界面的圖形結合設計提供了捷徑。
4.1 任意位置顯示任意大小圖形程序
任意位置顯示任意大小圖形程序流程如圖5所示。其中，x1和y1表示所畫圖的起始點相對于液晶屏幕左上角起始點(0xS0，0x80)的距離(橫向x1以字節(jié)為基本單位，縱向y1以位為基本單位)；x表示所畫圖的起始橫坐標地址；y表示所畫圖的起始縱坐標地址；Write_command()函數用于向液晶中寫命令；templ表示圖形的縱向尺寸(以像素為單位)。
繪圖時，如果所畫的圖形只涉及上半屏(或下半屏)，那么在寫地址時可以不考慮地址跨越上下半屏的調整，只需要在所畫圖形的初始處寫好行地址和列地址：
Write_command(y+templ)；
Write_command(x)；
在繪圖過程中，橫坐標地址指針會在寫數據的過程中自動加1，因此只需要寫出這一行的首地址；但縱坐標地址指針不會自動加1，需要在程序中修正。
4.2 任意位置顯示任意大小圖形實例
任意位置顯示任意大小圖形實例如圖6(a)～(c) 所示。
結 語
ST7920因內置字庫而被廣泛應用，其圖形顯示的關鍵點是熟練掌握圖形顯示坐標。在筆者所參與的獨立通氣籠盒監(jiān)控系統設計過程中，利用以ST7920為控制器的液晶顯示模塊構建良好的人機交互界面，以曲線和直方圖的方式顯示實時溫度。系統可由用戶設定開啟密碼，可以查看相關歷史數據、實現實驗動物生長環(huán)境及生長過程的控制，以及回溯歷史數據、實時控制參數和環(huán)境溫度等參數。該設計對優(yōu)化控制實驗動物生長環(huán)境、穩(wěn)定實驗動物生活習性、動物形態(tài)十分有益。