劉 勇，王學(xué)俊，孔新偉，周晨晨

(大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034)

1 引 言

隨著工業(yè)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，在控制中人們?cè)絹?lái)越多的用到液晶觸摸屏，液晶觸摸屏作為新型人機(jī)交互裝置具有堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、操作直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)。利用這種技術(shù)，用戶只要用手指碰觸屏上的圖符或文字就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，這種技術(shù)大大方便了那些不懂操作的用戶。 觸摸屏作為一種最新的輸入設(shè)備，它是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式[1]。

雖然觸摸屏的操作簡(jiǎn)單，但是觸摸屏的圖形界面的設(shè)計(jì)部分，對(duì)于不懂觸摸屏原理以及不精通編程的普通用戶來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)晦澀難懂的難題。本文正是基于這一點(diǎn)，結(jié)合UCGUI嵌入式圖形支持系統(tǒng)技術(shù)，開發(fā)研制一款操作設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的智能觸摸顯示屏，用戶只需要掌握很少的電腦操作知識(shí)，在電腦上執(zhí)行幾步簡(jiǎn)單的操作，即可設(shè)計(jì)出自己想要的圖形界面，并且可以下載到下位機(jī)上運(yùn)行并顯示出來(lái)。

2 系統(tǒng)流程

圖1 系統(tǒng)總流程圖Fig.1 Overall system flow chart

本設(shè)計(jì)的主要流程是先在上位機(jī)上產(chǎn)生圖形界面數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)RS232加載到下位機(jī)主控制器上，下位機(jī)主控制器將圖形界面數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析處理后再在液晶觸摸屏上顯示出來(lái)，并同時(shí)在下位機(jī)主控制器上運(yùn)行監(jiān)控程序，當(dāng)液晶觸摸屏上發(fā)生觸碰事件時(shí)，把信號(hào)反饋給下位機(jī)主控制器，下位機(jī)主控制器根據(jù)不同的信號(hào)做出相應(yīng)的反應(yīng)并在液晶屏上顯示出來(lái)。

其主流程圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩大部分。

3.1 硬件部分

3.1.1 液晶屏控制器

本設(shè)計(jì)采用RA8875芯片作為液晶屏控制器。RA8875是一個(gè)文字與繪圖模式的雙圖層液晶顯示 (TFT-LCD) 控制器，可結(jié)合文字或2D圖形應(yīng)用，最大可支持到800×480 點(diǎn)分辨率的中小尺寸數(shù)字面板。內(nèi)建 768 KB 顯示內(nèi)存，可為大多數(shù)使用者提供一個(gè)更具彈性的解決方案。此外，使用者可藉由選用外部串行式Flash 接口，支持BIG5/GB 編碼，最大可提供達(dá)32×32 pixel的字型輸入。在圖形的使用上，RA8875 支持2D 的BTE 引擎 (Block Transfer Engine)，此功能兼容于一般通用的2D BitBLT 功能，可處理大量圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳送。同時(shí)RA8875 也內(nèi)建幾何圖形加速引擎 (Geometric Speed-up Engine)，提供使用者透過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)定輕松畫出直線、矩形、圓形和橢圓的幾何圖形[2]。

相對(duì)于其他的TFT控制器解決方案，RA8875是一個(gè)功能強(qiáng)大及低成本的彩色TFT 控制器，讓使用者順利解決軟硬件開發(fā)上的困難，同時(shí)達(dá)成低成本、高效能的系統(tǒng)方案。

3.1.2 觸摸屏控制器

本設(shè)計(jì)采用TSC2046作為觸摸屏的控制器。觸摸屏一般分為電容、電阻、矢量壓力傳感、表面聲波以及紅外線掃描等類型，使用最多的是四線和五線電阻式觸摸屏。四線電阻式觸摸屏由2個(gè)透明的電阻薄膜組成[3]，當(dāng)水平和垂直方向電阻網(wǎng)有電壓時(shí)，就可以通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換面板在觸摸點(diǎn)測(cè)量出電壓從而求出對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值[3-4]。TSC2046是新一代四線觸摸屏控制器，是典型的逐次逼近寄存器型A/D 變換器。其結(jié)構(gòu)以電容再分布為基礎(chǔ)，包含了取樣/保持功能，支持低電壓的I/O接口。

TS2046接口電路圖如圖2所示。

圖2 觸摸屏控制器接口電路Fig.2 Touch screen controller interface circuit

3.1.3 下位機(jī)主控制器

圖3 上位機(jī)與下位機(jī)信息交換電路Fig.3 Upper machine and lower machine information exchange circuit

本設(shè)計(jì)采用STM32103VET6芯片作為下位機(jī)主控制器。STM32系列32位閃存微控制器使用來(lái)自于ARM公司的具有突破性Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域要求。STM32103VET6芯片CPU可達(dá)72 MHz，具有512 KB內(nèi)部存儲(chǔ)空間、64 KB RAM、100個(gè)引腳，可以充分滿足程序設(shè)計(jì)者的要求[5]。由于該芯片集成了更豐富的資源、方便使用的架構(gòu)以及低功耗等特性，加上有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，使得從16位升級(jí)到32位變得容易，使該系列芯片正在逐步取代ARM7系列芯片。使用該芯片開發(fā)產(chǎn)品更簡(jiǎn)便快捷。

上位機(jī)與下位機(jī)主控制器信息加載電路如圖3所示。其中PA9為STM32芯片的串口數(shù)據(jù)發(fā)送端USART1_TX,PA10為STM32芯片的串口數(shù)據(jù)接收端USART1_RX。

3.2 軟件部分

3.2.1 移植UCGUI到主控制器

UCGUI是一種嵌入式應(yīng)用中的圖形支持系統(tǒng)。能夠?yàn)槿魏问褂肔CD圖形顯示的應(yīng)用提供高效的獨(dú)立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口,它適用單任務(wù)以及多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境， 并適用于任意LCD控制器和CPU控制的真實(shí)顯示或虛擬顯示[6]。

3.2.2 建立用戶圖形界面數(shù)據(jù)庫(kù)

用戶想要在屏幕上顯示的窗口、文字、控件等的集合稱為用戶圖形界面。用戶圖形界面數(shù)據(jù)庫(kù)就是這些窗口、文字、控件的屬性的集合。通過(guò)用戶圖形界面數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)用戶想要設(shè)計(jì)的界面的顯示。

3.2.3 觸摸屏、圖形界面、監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

軟件部分重點(diǎn)在于UCGUI的移植與配置，液晶屏的初始化以及下位機(jī)主控制器的監(jiān)控程序設(shè)計(jì)。

其中，UCGUI的移植與配置是根據(jù)選用的液晶屏參數(shù)對(duì)GUIConf.h、LCDConf.h、LCDDummy.c 3個(gè)文件進(jìn)行相關(guān)的配置[7]。

GUIConf.h文件主要是對(duì)ucgui進(jìn)行相關(guān)的配置，具體如下：

#ifndef GUICONF_H

#define GUICONF_H

#define GUI_OS (0)/*這里指的是對(duì)操作系統(tǒng)的支持,因?yàn)橹挥袉渭兊囊浦睻CGUI,所以要把這個(gè)設(shè)置為0*/

#define GUI_SUPPORT_TOUCH (1)

/* 是否支持觸摸 */

#define GUI_SUPPORT_UNICODE(1)

/*UNICODE編碼支持*/

#define GUI_ALLOC_SIZE 5000 /*

動(dòng)態(tài)內(nèi)存機(jī)制 */

#define GUI_WINSUPPORT 1

/*支持窗口*/

#define GUI_SUPPORT_MEMDEV 1

/* 內(nèi)存控制*/

#define GUI_SUPPORT_AA 1

/* 抗鋸齒*/

#endif

LCDConf.h文件是對(duì)液晶屏做相應(yīng)的配置，具體如下：

#defineLCD_XSIZE (800) /*定義液晶屏長(zhǎng)度為800*/

#defineLCD_YSIZE (480) /*定義液晶屏寬度為480*/

#defineLCD_CONTROLLER (8875) /*控制器編號(hào)*/

#defineLCD_BITSPERPIXEL (16) /*16位點(diǎn)顯示格式*/

#defineLCD_FIXEDPALETTE (565) /*對(duì)應(yīng)紅綠藍(lán)為565位*/

#defineLCD_INIT_CONTROLLER() /*定義控制器型號(hào)RA8875*/

配置層的相關(guān)配置都已完成，然后就是接口層，LCDDummy.c文件為接口層配置文件，具體如下：

將其中的LCD_L0_Init函數(shù)定義如下:

int LCD_L0_Init(void)

{

RA875_Init ();//液晶屏初始化函數(shù)

return0;

}

將其中的LCD_L0_SetPixelIndex函數(shù)定義如下:

void(intx,inty,intPixelIndex)

{

RA875_SetPoint(u16 x,u16 y,u16 point);//調(diào)用置點(diǎn)程序

}

將其中的LCD_L0_GetPixelIndex函數(shù)定義如下

unsignedintLCD_L0_GetPixelIndex(intx,inty)

{

return RA875_GetPoint(u16 x,u16 y);//調(diào)用取點(diǎn)程序

}

至此，UCGUI的移植完畢，移植的難點(diǎn)在于設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)的編寫以及接口層的設(shè)計(jì)。

液晶屏的初始化主要是在Init_RA875()中實(shí)現(xiàn)的，首先程序調(diào)用GPIO_Configuration()函數(shù)對(duì)液晶屏使用的GPIO管腳進(jìn)行初始化，具體代碼如下：

void GPIO_Configuration(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //GPIOA到E口時(shí)鐘使能

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_APB2Periph_GPIOE,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode =

GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure); // RS指令/數(shù)據(jù)選擇控制訊號(hào)端口

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =

GPIO_Pin_11 ;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed =

GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode =

GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_Init(GPIOD,&GPIO_InitStructure);

…………

GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_4);//MCU選用的是6800系列時(shí)置1

GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_5);

}

在對(duì)TFT LCD使用的GPIO管腳進(jìn)行初始化后就可以正常的訪問(wèn)液晶屏驅(qū)動(dòng)芯片了，程序根據(jù)驅(qū)動(dòng)芯片的ID進(jìn)行初始化[8]，其初始化部分程序如下：

void Init_RA875(void)

{

WriteCommand(0x88);

WriteData(0x0c);//PLL(鎖相回路)控制寄存器參數(shù)設(shè)置，PLLDIVN[4:0] = 20 FIN = 16 MHz

DelayMs(1);

WriteCommand(0x89);

WriteData(0x02);//PLLDIVK[2:0] =2

DelayMs(10);

WriteCommand(0x10); //色彩深度設(shè)定

WriteData(0x0F);//256色0x0F/65K色0x0C

……………

TP_auto_mode(); //觸摸面板自動(dòng)模式設(shè)置

WriteCommand(0x70);//設(shè)置采樣時(shí)間和ADC時(shí)鐘

WriteData(0xB2);

Enable_TP();

RA8875_WAITSTATUS();

clear_TP_interrupt(); //清TP中斷

Active_Window(0,799,0,479);//設(shè)定面板分辨率為800 pixel×480 pixel

………………………

PWM1_enable();

PWM1_fnuction_sel();

PWM1_clock_ratio(0x03);//2MHz PWM1

PWM1_duty_cycle(0x00);//亮度設(shè)置

//設(shè)置數(shù)字光標(biāo)

Text_Cursor_Horizontal_Size(24);

Text_Cursor_Vertical_Size(4);

Text_Blink_Time(0x35);

Text_Cursor_Blink_Enable();

Text_Cursor_Enable();

MemoryWrite_Cursor_autoIncrease();//寫光標(biāo)加1

}

至此完成了液晶屏的底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，為以后用戶圖形界面的顯示做好了準(zhǔn)備。

用戶圖形界面監(jiān)控程序重點(diǎn)在于函數(shù)_cbCallback(WM_MESSAGE*pMsg)。

其主要內(nèi)容如下：

static void _cbCallback(WM_MESSAGE * pMsg)

{

int NCode, Id;

WM_HWIN hWin = pMsg->hWin;

switch (pMsg->MsgId) //判斷發(fā)生什么觸發(fā)事件，根據(jù)觸發(fā)事件做出相應(yīng)變化。

{

case WM_PAINT:

PaintDialog(pMsg);

break;

case WM_INIT_DIALOG:

……………

(((WM_KEY_INFO*)(pMsg->Data.p))->Key) //判斷是否有按鍵按下

{

…………

WM_NOTIFICATION_VALUE_CHANGED:

…………

WM_DefaultProc(pMsg);

}

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)采用STM32F103VET6作為主控芯片，RA8875作為液晶屏控制芯片，有效降低了開發(fā)成本，并且縮短了圖形界面顯示與反應(yīng)的時(shí)間，保證了顯示界面的穩(wěn)定性。利用RS232通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的加載，使用戶圖形界面的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易懂，易于操作，即便不懂編程的用戶也可以很快設(shè)計(jì)出自己想要的圖形界面。

[1] 杜詩(shī)超，宋永昌，王建.觸摸屏、組態(tài)軟件入門與典型應(yīng)用 [M]．北京：中國(guó)電力出版社，2012.

Du S C, Song Y C, Wang J.IntroductiontoTouchScreen,ConfigurationSoftwareandTypicalApplications[M].Beijing: China Electric Power Press,2012. (in Chinese)

[2] 韓超.嵌入式GUI開發(fā)設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社,2009.

Han C.EmbeddedGUIDevelopmentandDesign[M]. Beijing: Electronic Industry Press,2009. (in Chinese)

[3] 胡冰.EP7212處理器的LCD控制及觸摸屏接口設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(5):49-54.

Hu B. EP7212 processor of LCD and touch screen control interface design [J].Microcontrollers&EmbeddedSystems,2002(5):49-54.(in Chinese)

[4] 劉榮林,程曉東.SSP接口的觸摸屏軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009(11): 64-67.

Liu R L, Cheng X D. Hardware and software system design of touch of the SSP interface pitcher [J].Microcontrollers&EmbeddedSystems,2009(11): 64-67. (in Chinese)

[5] 黃福睿.基于ARM和WindowsEmbeddedCE6.0的嵌入式車載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究[D]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué).2011.

Huang F R. Based on ARM and embedded on-board WindowsEmbeddedCE6.0 system design and research [D]. Shenyang:Shenyang Ligong University,2011. (in Chinese)

[6] 陳超.MATLAB應(yīng)用實(shí)例精講：圖像處理與GUI設(shè)計(jì)篇[M]．北京：電子工業(yè)出版社,2011.

Chen C.MATLABApplicationExample:ImageProcessingandGUIDesign[M]. Beijing：China Electric Power Press,2011.(in Chinese)

[7] 劉軍.例說(shuō)STM32[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

Liu J.CaseSaysSTM32 [M]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2011. (in Chinese)

[8] Urwin-Wright S, Sanders D A. Rugged LCD touch screens for embedded applications [J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,2008(2):23-24