劉曉婉，江志農(nóng)

（北京化工大學(xué) 診斷與自愈工程研究中心，北京100029）

隨著生產(chǎn)設(shè)備的日益大型化、復(fù)雜化、綜合化，工業(yè)生產(chǎn)對設(shè)備的依賴程度越來越高。在設(shè)備出現(xiàn)故障前及時發(fā)現(xiàn)問題并采取有效的措施，不僅可減少工廠生產(chǎn)損失，更可以減少或避免人員傷亡與環(huán)境污染。對于一般設(shè)備，其出現(xiàn)的故障不會造成工廠大面積停產(chǎn)，可以采用離線監(jiān)測設(shè)備對其進(jìn)行周期或非周期性檢測。本文的手持振動分析儀就是專為完成該功能而設(shè)計的。

該手持振動分析儀配有相應(yīng)的液晶顯示模塊，直觀給出當(dāng)前工作溫度與振動信息，方便用戶對設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行判斷。由于本手持振動分析儀具有信號頻譜顯示功能，綜合考慮采用高速信號處理器TMS320F2812（以下簡稱F2812）DSP作為系統(tǒng)處理器。本文著重介紹了在手持振動分析儀中應(yīng)用的一種基于DSP的液晶顯示模塊，并對其進(jìn)行了優(yōu)化。

1 系統(tǒng)介紹

手持振動分析儀的硬件主要包括電源管理模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、F2812 DSP微處理器模塊、液晶顯示模塊和接口模塊。鍵盤和液晶屏作為該手持設(shè)備人機接口的輸入、輸出設(shè)備。

圖1給出了該設(shè)備數(shù)據(jù)采集、處理與顯示部分結(jié)構(gòu)圖。具體工作過程為：由傳感器采集的信號經(jīng)過調(diào)理電路進(jìn)行濾波與適度放大，送入AD芯片，再經(jīng)過F2812 DSP進(jìn)行FFT變換與頻譜分析，最終在液晶屏上顯示時域波形或頻域波形。

2 硬件設(shè)計

2.1 HX8309-A特點簡介

本系統(tǒng)液晶顯示模塊為自定制。液晶屏采用晶采光電的2.0寸176×220點陣式TFT彩色液晶AM-176220JTNQW-00H-B，具有亮度高、分辨率適中、色彩飽和度好等特點。其控制器采用Himax公司的TFT彩屏控制器 HX8309-A，主要特點[1]如下：(1)內(nèi)部擁有一個87 120 B圖形顯示緩存RAM；(2)支持低功率消耗結(jié)構(gòu),供電電壓在2.4 V～3.3 V范圍內(nèi)也能正常工作；(3)通過配置寄存器，可設(shè)置為向液晶GRAM寫入數(shù)據(jù)，并且地址寄存器沿X地址或Y地址自動加1（或減1）。如設(shè)置為地址沿X方向自動加1，到行尾時將自動跳到下一行行首，無需每次都寫入地址，從而大大提高了液晶刷圖速度；(4)支持軟件節(jié)能功能，可選擇待機模式、睡眠模式或8色模式以減少液晶顯示模塊的功耗。

2.2 液晶顯示模塊與F2812硬件接口

F2812具有外部接口XINTF，而液晶顯示模塊的工作電壓范圍是從 2.4 V～3.3 V，兩者電平相容，可直接相連而無需任何電平轉(zhuǎn)換電路。如圖2所示，液晶顯示模塊數(shù)據(jù)線與F2812的外圍數(shù)據(jù)接口XD[0]～XD[15]相連；液晶顯示模塊的復(fù)位管腳、片選、讀寫控制線分別與F2812的復(fù)位腳、外部接口區(qū)選擇信號線、讀寫選通信號相連，液晶顯示模塊的RS引腳與F2812通用輸入/輸出GPIOF9相連，該引腳控制向寄存器寫命令（RS=1）或者向寄存器寫數(shù)據(jù)（RS=0）。當(dāng)F2812的外部接口區(qū)選擇信號線被選中時，該引腳自動變低，因此液晶顯示模塊與其無需地址信號線,大大簡化了系統(tǒng)間的硬件連接。

2.3 系統(tǒng)外部存儲與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)通過F2812外部接口擴展兩片512 KB×16 SRAM，通過SPI接口外接兩片F(xiàn)lash芯片以完成大量信號數(shù)據(jù)與圖形用戶界面圖片的數(shù)據(jù)處理、顯示與存儲。需要在系統(tǒng)掉電后也能保存的數(shù)據(jù)（如圖形用戶界面圖片和需要上傳到上位機的信號數(shù)據(jù)等）均保存在Flash芯片中，系統(tǒng)臨時性數(shù)據(jù)可以放入SRAM，這樣既提高了讀寫數(shù)據(jù)的速度，也確保了有用數(shù)據(jù)的安全性。

3 軟件設(shè)計

考慮程序編寫的規(guī)范性，與液晶顯示模塊相關(guān)的程序都放入一個C文件中，編寫相應(yīng)函數(shù)模塊，并供系統(tǒng)軟件全局調(diào)用。

3.1 字符的顯示

可使用取字模軟件或網(wǎng)上現(xiàn)成的字符數(shù)組得到對應(yīng)的數(shù)組數(shù)據(jù)。將該數(shù)組存入F2812的存儲器中，再逐位讀入，1對應(yīng)填充前景色，0對應(yīng)背景色。其中，字寬不是8的倍數(shù)的用0填充，補齊至8的倍數(shù)。具體顯示字符的代碼如下：

將要顯示的字符寫入目標(biāo)地址中，待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好液晶全屏顯示

3.2 BMP圖形顯示

本設(shè)計用戶界面使用24 bit BMP文件，而數(shù)據(jù)接口采用16 bit，為方便數(shù)據(jù)處理并節(jié)省存儲空間，在儲存數(shù)據(jù)時就先將24 bit數(shù)據(jù)按照rgb565格式轉(zhuǎn)為16 bit數(shù)據(jù)儲存到Flash中，再對其進(jìn)行讀出、修改。需要注意的是，大多BMP文件都是倒向的位圖，即圖像的第一行數(shù)據(jù)是儲存在BMP文件的最后一行，因此在讀取圖像數(shù)據(jù)時需要與其他類型數(shù)據(jù)的顯示區(qū)別開。

3.3 波形顯示

先從Flash中將波形顯示圖像數(shù)據(jù)讀取到SRAM中，再將波形數(shù)據(jù)寫入SRAM相應(yīng)位置，待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后再在液晶屏上整體顯示。舉例說明，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到一組數(shù)字信號共1 024點，液晶上代表時間軸坐標(biāo)顯示范圍為 17～113，故在該范圍內(nèi)需 1 024/(113-17)=10，即每 10點在同一時間點坐標(biāo)進(jìn)行顯示，多余的點予以舍棄。接下來的描點畫線可以有兩種處理方法：一種是在每組的10個點中分別找出最大與最小值，再對這兩點進(jìn)行描線；另一種是在同一時間刻度點上將這10點進(jìn)行兩兩描點畫線，得到在該時刻的最大與最小值。經(jīng)實驗，兩種方法耗時相近。前種方法得到的波形相對光滑，但由于每組數(shù)據(jù)均需找到最小與最大，會增加軟件的長度與復(fù)雜度；后一種方法思路簡單，軟件復(fù)雜度降低，只需重復(fù)描點畫線。因此本設(shè)計采用后一種波形顯示方法。

采用小振動臺測得對象溫度與速度信號時域波形的顯示效果如圖3所示。

以上內(nèi)容只介紹了液晶模塊的基本操作與應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上還可以考慮對液晶模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如對液晶顯示模塊在硬件及軟件方面進(jìn)行低功耗設(shè)計。另外，液晶刷新速率慢則效率低下；太快不僅耗能，而且可能會使DSP對其他響應(yīng)變慢，因此其刷新速率也是需要著重考慮的地方。再有，增加人性化的設(shè)計，讓用戶更輕松、貼心地使用產(chǎn)品。

4 液晶顯示模塊的優(yōu)化

4.1 系統(tǒng)低功耗設(shè)計

硬件方面，主要是對液晶背光方面進(jìn)行考慮。液晶背光源使用的驅(qū)動電源有一定的工作電壓范圍，在這個范圍內(nèi)液晶背光的亮度與工作電流配比最佳。當(dāng)小于工作電壓范圍的最小值時，工作電流雖小但背光亮度差；大于這個工作電壓范圍的最大值，背光亮度無明顯變化而工作電流卻會以直線形式增加[2]，不僅增加功耗，也會使液晶工作一段時間后發(fā)熱發(fā)燙，影響液晶顯示效果。因此需要選擇合適的背光電阻將工作電壓調(diào)整好以達(dá)到最佳的液晶背光亮度與電流配比。

軟件方面，由于液晶顯示模塊支持待機模式與休眠模式，在設(shè)計中考慮，若系統(tǒng)在一段設(shè)定時間內(nèi)無操作，F(xiàn)2812向液晶控制寄存器發(fā)送命令，啟動待機模式、休眠模式或8色顯示模式以達(dá)到節(jié)能的目的；一旦有新的操作，再喚醒液晶顯示模塊。

4.2 液晶屏刷新速率的提高

本液晶顯示模塊所選用的液晶控制器速度足以滿足需求，所用處理芯片F(xiàn)2812的處理速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比液晶屏控制器快，因此在兩者都選定后，軟件的設(shè)計就成為提高液晶屏刷新速率的關(guān)鍵。

采用液晶突發(fā)模式，每次只需要設(shè)定起始地址，液晶地址寄存器便在每次讀寫數(shù)據(jù)后按所設(shè)置的方式，地址自動加1或減1，刷新速率較快。

液晶全屏顯示一幅 176×220的 24 bit BMP圖像需要先將圖像數(shù)據(jù)從Flash讀取到RAM中，再將數(shù)據(jù)傳送到液晶顯示模塊予以顯示。采用F2812內(nèi)部定時器進(jìn)行定時，前一步驟耗時約839 ms，而液晶顯示只需41 ms。這樣用戶在菜單選擇時，按下一個鍵至少需等待880 ms下一幅圖才顯示完全，遠(yuǎn)不能滿足人眼需求。

由此看出，圖像顯示的耗時主要在圖像數(shù)據(jù)從Flash讀取到SRAM過程中。在此基礎(chǔ)之上，考慮增加顯示緩存，即在將當(dāng)前界面數(shù)據(jù)從Flash讀至SRAM并在液晶上予以顯示時，考慮下一步所有可能的按鍵操作，在后臺將可能出現(xiàn)的下幾幅圖像數(shù)據(jù)讀至SRAM的后續(xù)地址中，再根據(jù)實際的按鍵操作確定SRAM的相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)起始地址。這樣就避免了后續(xù)操作中圖像數(shù)據(jù)從Flash向SRAM傳遞的過程，使圖像顯示速度加快，用戶體驗得到了很好的改善。

4.3 系統(tǒng)人性化考慮

除了基本設(shè)計外，還需盡可能多地考慮某些突發(fā)狀況。當(dāng)儀器的某個鍵被長久按壓時（如異物的擠壓），可視為是對儀器的誤操作。但如果不在軟件方面對這種情況進(jìn)行考慮，系統(tǒng)會對儀器的操作進(jìn)行響應(yīng)，出現(xiàn)不希望的結(jié)果的同時也增加了耗能。

針對這種情況，可以在軟件設(shè)計中考慮，在某個鍵被持續(xù)按下超過系統(tǒng)設(shè)定的時間后，液晶屏上彈出一個窗口，詢問用戶是否選擇長按該鍵以進(jìn)行操作。如果是被某個東西壓住某個鍵，則在一段時間內(nèi)不會有對此詢問的回應(yīng)，液晶顯示模塊將進(jìn)入待機模式或者休眠模式以節(jié)能；如果是用戶的真實操作，用戶此時只需按照菜單進(jìn)行選擇便可進(jìn)行下一步的操作。

[1]HX8309-A 176RGB×220 dot,262,144-Color TFT controller Driver with Internal RAM[EB/OL](2005-11-xx)[2012-02-26].http://www.mcuchina.com/tft_doc/HX8309-A_2.0.pdf.

[2]李維諟，郭強.液晶顯示應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000：213-214.