秦 剛，段晨東，李 磊，代 杰

（長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安710061）

傳統(tǒng)的單色智能儀表升級成彩色界面顯示時(shí)，彩色顯示字符和圖像的方法與單色不同，且單色顯示時(shí)所用的8 bit數(shù)據(jù)總線與低端MCU難以完成彩色液晶顯示，以至于有時(shí)必須重新設(shè)計(jì)電路，嚴(yán)重增加了升級產(chǎn)品的成本。另外，智能儀表工作時(shí)，往往要求實(shí)時(shí)曲線動(dòng)態(tài)顯示以便監(jiān)視設(shè)備的工作情況。因此，如何設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面的問題日漸突出。

本文以微控制器STC12C5A16S2為核心，使用OCM480272T430液晶模塊開發(fā)了基于彩色TFT液晶模塊的智能儀表界面。在研究彩色圖像轉(zhuǎn)換像素矩陣的原理基礎(chǔ)上，采用8 bit總線方式實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)圖像的顯示，可以達(dá)到16 bit真彩色的圖像顯示效果。另外還研究了中西文混合字符串的顯示方法。為了更有效地對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性監(jiān)控，研究了實(shí)時(shí)曲線的動(dòng)態(tài)顯示和刷新方法。并用實(shí)例驗(yàn)證了方法的可行性。

1 MCU與彩色液晶顯示器的接口設(shè)計(jì)

1.1 MCU的選擇

STC12C5A16S2是宏晶公司推出的一款高性能增強(qiáng)型51系列微控制器，它以單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)模式運(yùn)行，指令系統(tǒng)與傳統(tǒng)8051完全兼容，但運(yùn)行速度是8051的 8～12倍。其 I/O口兼容傳統(tǒng) 8051的準(zhǔn)雙向口/弱上拉模式，同時(shí)增加了強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉、單輸入/高阻、開漏等模式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，用戶可以根據(jù)需要對I/O模式設(shè)定[1]。傳統(tǒng)的智能儀表中MCU主要以C51系列單片機(jī)為主，STC12C5A16S2豐富的硬件資源、高速運(yùn)算性能，向下可以兼容傳統(tǒng)低端51系列單片機(jī)，向上可以支持智能儀表功能擴(kuò)展。其良好的性價(jià)比，可以滿足各種智能儀表核心升級的要求。

1.2 OCM480272T430-1B彩屏顯示模塊

OCM480272T430-1B是一款 480×272的TFT彩屏LCM，采用RA8870控制器，支持2D引擎與幾何圖形加速的文字、圖像以及圖文混合模式，僅對寄存器操作就可以繪制直線、矩形以及圓。該模塊內(nèi)置有CGROM可顯示ISO8859-1/2/3/4字形，外掛字庫可顯示中文繁、簡字體。OCM480272T430提供GB-2312及BIG-5編碼的16×16點(diǎn)陣字庫，內(nèi)嵌多種文本顯示效果處理，例如：1～4 倍的水平和垂直方向的獨(dú)立放大，90°、180°、270°文字旋轉(zhuǎn)顯示功能。另外，該模塊提供文字光標(biāo)和32×32像素的圖形光標(biāo)功能[2]。在OCM480272T430 LCM內(nèi)部，RA8870控制器直接通過 DMA方式[3]，不需要 MCU讀取顯存資料，顯示速度快、畫面流暢，不會(huì)產(chǎn)生拖影、“瀑布”等現(xiàn)象干擾，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示提供了實(shí)時(shí)刷新速度，圖像可靠。此外，模塊本身的文字、圖形處理功能可以有效地簡化代碼，使在應(yīng)用系統(tǒng)中選擇小容量的MCU實(shí)現(xiàn)圖文混合的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示成為可能。因此，OCM480272T430-1B適合用于儀表數(shù)值監(jiān)視和曲線顯示。

1.3 MCU與LCM的接口設(shè)計(jì)

MCU與LCM的接口電路如圖1所示。LCM以8 bit數(shù)據(jù)總線模式與MCU的P0口相連，此時(shí)，P0口作為傳輸數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，P2.0～P2.5以及 P3.2、P3.3作為MCU與LCM的聯(lián)絡(luò)控制信號。在系統(tǒng)中，P0口設(shè)置為準(zhǔn)雙向口模式。

2 字符串的顯示

在智能儀器儀表中，字符顯示（包括漢字和西文字符）常被用于參數(shù)顯示、操作提示、報(bào)警、菜單以及幫助信息。LCM提供了漢字和4種西文字庫，支持多種字體及處理效果，西文字型點(diǎn)陣為 8×16半型字，漢字為16×16宋體全型字，其顯示流程如圖2所示。

不同于單色顯示，彩色LCM在顯示時(shí)，首先要開辟顯示區(qū)域，顯示區(qū)域的大小可以根據(jù)顯示內(nèi)容多少確定，其范圍不可超過 480×272；然后，在已設(shè)定的顯示區(qū)域內(nèi)定位字符的顯示位置。

圖2 字符顯示程序流程圖

LCM被復(fù)位后，默認(rèn)為圖形模式，在字符顯示之前，須開啟文本模式，它由LCM內(nèi)存寫入控制寄存器0（MWCR0）設(shè)定[3]。LCM背景色設(shè)定有 2種形式：一種是BET背景色（64 K色），另一種是文本背景色（256色）。一般情況下使用文本背景色。LCM嵌入了多種文本顯示效果處理方式，通過字型控制寄存器 1（FNCR1）的設(shè)定來實(shí)現(xiàn)[3]，擬定文本顯示效果一旦設(shè)定完畢，LCM自動(dòng)實(shí)現(xiàn)顯示效果處理。

由于在文本模式下，LCM對西文采用ASCII碼方式提取字符編碼，而對漢字字符采用GB-2312內(nèi)碼方式提取漢字字型編碼。因此，字符串顯示時(shí)，須檢查被寫入數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)，如果此字節(jié)小于80 H時(shí)，則把這次數(shù)據(jù)當(dāng)成半型字（ASCII碼）來譯碼；如果此字大于80 H時(shí)，則當(dāng)成全型字（漢字）來譯碼，顯示漢字時(shí)，需要設(shè)定關(guān)閉ASCII碼模式。

3 圖形及曲線的顯示

智能儀器儀表參數(shù)常采用曲線方式顯示，以便觀察參數(shù)的變化軌跡。另外，在系統(tǒng)啟動(dòng)初始化時(shí)，常常采用一個(gè)引導(dǎo)界面，如廠家名稱和徽記。前一種模式需要根據(jù)參數(shù)值的大小實(shí)時(shí)修正顯示位置，是一種動(dòng)態(tài)圖形顯示。而后一種只是把事先準(zhǔn)備的圖形映射到顯示模塊上，是一種靜態(tài)顯示。

3.1 圖形靜態(tài)顯示

圖1所示的MCU與LCM連接采用8 bit數(shù)據(jù)總線方式。LCM在8 bit數(shù)據(jù)總線模式下，若以256色格式輸出，像素點(diǎn)的色彩信息可在一個(gè)發(fā)送周期內(nèi)完成，如果以多于256色格式輸出，則需分2個(gè)周期發(fā)送[3]。在圖片顯示之前必須把圖片轉(zhuǎn)換成像素信息，即把圖片中每一個(gè)像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換成用RGB表示的色彩編碼信息。以16 bit真彩色80×80像素的圖片為例：1個(gè)像素用2 B表示，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的編碼矩陣為 160×80維的單字節(jié)矩陣。在LCM顯示時(shí)，從用戶指定存儲位置開始，依次提取矩陣元素至顯示存儲區(qū)。

與字符顯示的文本模式不同，圖像顯示需要使用圖形模式。在圖形模式中，控制器將輸入源開放，即將設(shè)置存儲位置與代碼長度的權(quán)限交給用戶自行設(shè)定。顯示靜態(tài)圖像時(shí)，首先開辟顯示區(qū)域，開啟圖形模式，選定顯示的起始坐標(biāo)，再將編碼矩陣按行方式寫入到選定的工作窗口中顯示。使用靜態(tài)圖文混合方式顯示靜態(tài)畫面的程序流程圖如圖3所示。

在應(yīng)用程序運(yùn)行之前要對LCM進(jìn)行初始化，以保證LCM能處在正常工作中。LCM復(fù)位是對LCM內(nèi)部控制器進(jìn)行一次重啟，使其內(nèi)部寄存器處于缺省的狀態(tài)。初始化液晶是對LCM內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘以及相關(guān)內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。另外，液晶的屏幕亮度可以在PWM背光設(shè)定。設(shè)定背景色時(shí)，把全屏作為一個(gè)顯示區(qū)域創(chuàng)建，然后以設(shè)定需要的背景色清除顯存。否則，顯示時(shí)會(huì)出現(xiàn)屏幕背景花屏的現(xiàn)象。

文字處理有2種實(shí)現(xiàn)方法：（1）如果開啟文本模式，可不用開啟工作窗口，直接設(shè)定起始坐標(biāo)，給定文本的輸入位置。圖3采用此方法。（2）如果不開啟文本模式，則必須指定顯示區(qū)域，以顯示放大后的字體，同時(shí)設(shè)定起始坐標(biāo)、給定文本的輸入位置。此外，對于單圖層與其他窗口無相交面積的情況可以不開背景穿透。

3.2 圖形動(dòng)態(tài)顯示（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的曲線顯示）

在智能儀表中，利用曲線動(dòng)態(tài)顯示更能方便地對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性監(jiān)視、突出樣本曲線的變化規(guī)律。

實(shí)時(shí)測量值以曲線方式顯示時(shí)，由于曲線顯示的坐標(biāo)與LCM模塊像素坐標(biāo)不一致，因此需要進(jìn)行必要的坐標(biāo)變換。圖4中，x、y為LCM顯示屏幕的水平和垂直方向，數(shù)值按箭頭方向遞增。設(shè)開辟曲線顯示區(qū)域的寬為 w、高為 h，水平坐標(biāo)為 t，垂直坐標(biāo)為 u，以左下角為(x0，y0)顯示區(qū)域的基準(zhǔn)點(diǎn) O，像素間隔時(shí)間為 ΔT，hk為像素與t軸的距離。若測量值在顯示區(qū)域的最大幅值為umax、最小值幅值為 umin，則 Δu=umax-umin。 令 k時(shí)刻的采樣值為 uk，則uk在曲線顯示區(qū)域的幅值為uk的 LCM 像素坐標(biāo)(xk，yk)：

其中，x0＜xk＜w，k=0，1，2…。 將(xk，yk)與前次點(diǎn)(xk-1，yk-1)用直線相連，就可得到測量數(shù)據(jù)曲線。

顯示區(qū)域刷新方法有2種：(1)清屏刷新。當(dāng)數(shù)據(jù)顯示到達(dá)曲線顯示區(qū)域最大邊界時(shí)，將顯示區(qū)域內(nèi)的像素全部清除，用于載入新的像素顯示；(2)滾動(dòng)刷新。將顯示刷新的時(shí)間設(shè)置成滾動(dòng)時(shí)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)滾動(dòng)時(shí)間時(shí)，在滾動(dòng)區(qū)域內(nèi)將原像素按一定的偏移值移動(dòng)，將滾動(dòng)后的像素清除同時(shí)載入新的像素。這樣，顯示區(qū)域可以逐步得到新的數(shù)據(jù)顯示。與清屏刷新相比，滾動(dòng)刷新更有利于觀察新舊數(shù)據(jù)的聯(lián)系和對比，因此選取滾動(dòng)刷新實(shí)現(xiàn)曲線的實(shí)時(shí)顯示。

實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)刷新需要設(shè)定滾動(dòng)區(qū)域、滾動(dòng)偏移值與滾動(dòng)時(shí)間。滾動(dòng)區(qū)域用于指定滾動(dòng)的范圍，避免影響其他屏幕信息。滾動(dòng)的偏移值用于指定滾動(dòng)的幅度和方向（水平方向和垂直方向）。滾動(dòng)時(shí)間可由定時(shí)器定時(shí)中斷，或者在滾動(dòng)區(qū)域內(nèi)設(shè)定一個(gè)滿幅值，當(dāng)像素到達(dá)該值時(shí)，區(qū)域開始滾動(dòng)刷新。

根據(jù)實(shí)際采樣時(shí)間，可以設(shè)計(jì)出對應(yīng)數(shù)值的網(wǎng)格線以方便對數(shù)據(jù)的監(jiān)測。更改相應(yīng)的參數(shù)就可以得到任意寬度的網(wǎng)格反映采樣時(shí)間的變化。實(shí)時(shí)曲線顯示的程序流程如圖5所示。圖6為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示界面，白色為主界面顏色，藍(lán)色為顯示區(qū)域工作窗口，滾動(dòng)區(qū)域與工作窗口大小一致。滾動(dòng)偏移值為滾動(dòng)區(qū)域水平方向的一半。

本文以微控制器STC12C5A16S2為智能儀表核心，利用OCM480272T430模塊開發(fā)了基于彩色TFT液晶模塊的智能儀表界面。采用8 bit總線方式實(shí)現(xiàn)了基于彩色液晶模塊的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)圖像的顯示方法實(shí)現(xiàn)16 bit真彩色圖像的顯示，滿足了傳統(tǒng)智能儀表升級的需要。

字符串顯示時(shí)，通過調(diào)用字符庫，可根據(jù)需要添加文本處理功能，實(shí)現(xiàn)顯示字符的放大、旋轉(zhuǎn)等；曲線顯示時(shí)，通過建立測量參數(shù)與顯示模塊像素之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，不斷更新曲線末端坐標(biāo)，用繪制直線命令實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線的顯示。另外，利用滾屏方法可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線的動(dòng)態(tài)刷新，為基于彩屏LCM的智能儀表人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)提供了有效的實(shí)現(xiàn)方法。

[1]STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊[DB/OL].URL：http://www.stcmcu.com/datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC12C5A-60S2.pdf,2011-10-17.

[2]OCM480272T430-1B彩屏帶觸摸屏說明書[DB/OL].URL：http：//www.gptlcm.cn/CN/list.asp?proname=OCM480272-T430-1B，2011-10-17.

[3]RA8870文字/圖形 TFT LCD控制器規(guī)格書[DB/OL].URL：http：//www.raio.com.tw/S%20version/s_product.8870.htm，2011-10-17.