王 浩，雷 宇，魏 啟，王 釵，王 軍，艾 梅

(中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710061)

0 引 言

聲學(xué)二次定位系統(tǒng)[1，2]是利用船上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與投放到海底的應(yīng)答器[1，2]之間的聲納通信，獲取聲納信號走時，確定兩者距離，并結(jié)合船載GPS的位置坐標(biāo)，通過主機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算獲取水下應(yīng)答器的空間坐標(biāo)。由于海洋勘探采集設(shè)備(采集站)內(nèi)置或外置應(yīng)答器，投放到水下時和水面GPS位置存在一定的偏差，利用聲學(xué)系統(tǒng)可進(jìn)行進(jìn)一步的精確定位，即聲學(xué)二次定位[3，4]。每一個應(yīng)答器單元，都有自己的組號、ID序列號和內(nèi)置電池的電壓。新開發(fā)研制的聲學(xué)二次定位射頻識別器(RFID)能夠在應(yīng)答器下水前，識別每一個接近的應(yīng)答器單元，以真彩色、醒目大字體顯示其組號、ID序列號和內(nèi)置電池的電壓，并提供低壓報警，便于應(yīng)答器在海上施工作業(yè)下水過程中，船上施工人員監(jiān)視應(yīng)答器的狀態(tài)，將異常應(yīng)答器檢出，確保狀態(tài)正常的應(yīng)答器才能下水?；贛SP430F169的串口液晶顯示驅(qū)動是射頻識別器的顯示控制子系統(tǒng)，根據(jù)射頻識別器的主處理器和液晶選型，確定通訊接口、通訊協(xié)議和驅(qū)動控制。選用不同廠商制造的液晶屏，需要開發(fā)對應(yīng)的液晶驅(qū)動控制程序。

1 液晶驅(qū)動的硬件平臺

液晶的顯示驅(qū)動控制是建立在射頻識別器的主處理器的類型和液晶終端的選型基礎(chǔ)上的。

射頻識別器的主處理器MCU選用微處理器MSP430F169。MSP430F169是美國TI(Texas Instruments)公司生產(chǎn)的一種混合信號處理器，具有超低功耗和強(qiáng)大的處理能力[5]。體系架構(gòu)采用16位RISC，最高運(yùn)算速度為8 MIPS。其片內(nèi)整合多款低功耗外圍模塊，具有60 KB閃存、2048 B RAM、12位ADC、雙DAC，2個USART、I2C接口、HW乘法器接口、1個DMA通道。

選用微處理器MSP430F169的主要原因是：其供電電壓采用1.8～3.6 V伏，工作功耗250 μA/MIPS(MIPS：每秒百萬條指令數(shù))，具有超低功耗。此外MSP430F169接口資源豐富，擁有USART接口，可通過簡單的接口轉(zhuǎn)換芯片變成RS232 接口，實(shí)現(xiàn)與串口液晶的通訊控制。

液晶彩屏終端選擇了一款具有RS232串行接口的智能型液晶彩屏終端，該終端是一款高性能、低功耗的真彩顯示器。該液晶彩屏終端的主要性能[6]：

1)處理器: 32位ARM處理器+FPGA雙核控制架構(gòu)；

2)存儲容量：內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的1 GBit Flash；

3)接口特性：與上位機(jī)MCU通訊接口：RS232或3.3V CMOS/TTL UART；

4)PC下載圖形接口：USB2.0；

5)分辨率：800×480，16位真彩色RGB顯示;

6)內(nèi)置8×12、8×16、12×24、16×32、32×64 ASCII字庫；12×12、16×16、24×24 GBK和32×32、64×64 GB2312字庫，可自定義任意WINDOWS字庫;

7)尺寸：7 in(1 in=25.44 mm,下同)；

8)工作電壓：最小7.6 V、標(biāo)準(zhǔn)9.0 V、最大24 V；

9)工作電流：最小110 mA、標(biāo)準(zhǔn)340 mA、最大440 mA;

10)工作溫度：-20～70 ℃;

11)觸摸屏工作溫度：-10～60 ℃。

該液晶彩屏終端選型完全滿足海洋勘探船上作業(yè)需求：標(biāo)準(zhǔn)功耗3 W；彩屏大小7 in，屏幕分辨率800×480，擁有64點(diǎn)陣的超大漢字字庫，以64點(diǎn)陣字體可以顯示12行文本，完全滿足射頻識別器顯示信息需要的行數(shù)；具有64 K色的TFT真彩，顯示美觀；具有RS232串行接口，只需3根連線就可實(shí)現(xiàn)與主處理器的通訊。

二次定位射頻識別器的原理圖如圖1所示。射頻識別器的主處理器MCU通過射頻接口獲取應(yīng)答器的組號、ID序列號和內(nèi)置電池的電壓的分檔編號，經(jīng)解析、處理后通過RS232接口發(fā)送給液晶終端，顯示對應(yīng)字符信息。

圖1 RFID 器系統(tǒng)原理框圖

2 液晶驅(qū)動應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

液晶顯示驅(qū)動應(yīng)用接口軟件是基于微處理器MSP430F169開發(fā)和設(shè)計(jì)的，通過RS232接口與智能液晶終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)字符信息的顯示。

液晶顯示驅(qū)動應(yīng)用接口軟件的應(yīng)用需求如下：

1)顯示設(shè)備制造商名稱：64點(diǎn)陣中文顯示；

2)顯示應(yīng)答器的組號：BCD碼，最小1，最大999，64點(diǎn)陣3位顯示；

3)顯示應(yīng)答器的ID：BCD碼，最小1，最大99， 64點(diǎn)陣3位顯示；

4)顯示應(yīng)答器內(nèi)置電池的電壓：共27檔(從5 V到13.50 V)，浮點(diǎn)數(shù)，64點(diǎn)陣3位顯示。

液晶顯示驅(qū)動應(yīng)用接口軟件采用匯編語言開發(fā)，這樣編譯的代碼容量小，執(zhí)行速度快，效率高。整個驅(qū)動程序由主程序、組號顯示子程序、ID號顯示子程序和電池電壓顯示子程序組成，如圖2所示。

圖2 液晶顯示驅(qū)動程序的組成

上述應(yīng)用子程序建立在串口發(fā)送子程序[7]的基礎(chǔ)上，主程序完成顯示數(shù)據(jù)字段的定義、串口的初始化和子程序的初始化和調(diào)用等。整個程序設(shè)計(jì)的核心是基于串口通訊協(xié)議，用匯編語言實(shí)現(xiàn)應(yīng)用通訊接口模塊。下面從MSP430F169 與液晶彩屏終端的通訊協(xié)議、MSP430F169的存儲空間地址映射、驅(qū)動程序數(shù)據(jù)區(qū)定義和核心關(guān)鍵子程序的設(shè)計(jì)4個方面完整地闡述其驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)思路。

2.1 MSP430F169與液晶彩屏終端的通訊協(xié)議

MSP430F169與液晶彩屏終端的通信協(xié)議幀由4部分組成：幀頭+指令+參數(shù)+幀尾。其幀結(jié)構(gòu)詳細(xì)組成見表1。如果指令參數(shù)多于1個字節(jié)，統(tǒng)一以MSB方式(高字節(jié)在前，低字節(jié)在后)進(jìn)行通信，每幀最大的數(shù)目是1024B(包含幀頭和幀尾)，指令數(shù)據(jù)均以十六進(jìn)制表示。與字符顯示相關(guān)的幀指令格式見表2，給出了設(shè)置前景色0x41指令和文本顯示指令0x20指令的詳細(xì)指令幀結(jié)構(gòu)。

表1 幀的結(jié)構(gòu)組成

表2 字符顯示幀指令格式

液晶和上位機(jī)的通訊協(xié)議是整個液晶字符控制顯示的基礎(chǔ)，通過向串口液晶彩屏終端按照數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送數(shù)據(jù)幀，就能在液晶屏幕給定的位置坐標(biāo)、給定的背景色以字體前景顏色顯示給定點(diǎn)陣大小的字體，實(shí)現(xiàn)字符的顯示控制。

2.2 MSP430F169的存儲空間地址映射

MSP430F169的存儲空間地址映射[8]定義了中斷向量表的入口地址0FFFEh、flash程序存儲區(qū)的地址空間的起始地址01100h、RAM 數(shù)據(jù)存儲區(qū)的地址空間，其詳細(xì)地址映射如圖3所示。液晶驅(qū)動控制顯示是基于MSP430F169的存儲空間地址映射的，它是整個液晶顯示驅(qū)動程序框架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

圖3 MSP430F169的存儲空間地址映射

2.3 數(shù)據(jù)區(qū)定義

液晶顯示驅(qū)動數(shù)據(jù)區(qū)主要定義驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)區(qū)，它包括：組號顯示控制碼的頭部和尾部，中間需要插入實(shí)際組號的BCD碼(百位+十位+個位)；ID 號的顯示控制和組號相似，只是顯示的BCD 碼有兩位(十位+個位)；電池電量顯示數(shù)據(jù)包含27個電池電量顯示表。其數(shù)據(jù)區(qū)定義詳見下面的代碼部分。

ORG 0FFFEh ;定義程序入口地址

DC16 init ;

ORG 01100h ；MCU 復(fù)位地址

Tab_GrpNo01:

DB 0EEh，20h，00h，32h，00h，8Ch，01h，09h，0D7h，0E9h，0BAh，0C5h，0A3h，0BAh;

;組號顯示控制碼第1部分：在屏幕坐標(biāo)(50，140)藍(lán)色背景顯示64點(diǎn)陣字體

"組號："；在第1部分和尾部分插入BCD碼組號值(百位+十位+個位)

Tab_GrpNo02:

DB 0FFh，0FCh，0FFh，0FFh;組號顯示控制碼尾部分，幀結(jié)束標(biāo)志

Tab_ID01:

DB 0EEh，20h，00h，32h，00h，0F0h，01h，09h，49h，44h，0BAh，0C5h，0A3h，0BAh;

;ID號顯示控制碼第1部分：在屏幕坐標(biāo)(50，240)藍(lán)色背景顯示64點(diǎn)陣字體"ID號："；在第1部分和尾部分插入BCD碼ID號值(十位+個位)

Tab_ID02:

DB 0FFh，0FCh，0FFh，0FFh;ID號顯示控制碼尾部分

;定義27個電量表顯示控制碼，不一一列出，只給出3個表以拋轉(zhuǎn)引玉。

Tab_Bat00: ;顯示"電量： 5.00 v"(50，340)

DB 0EEh， 20h， 00h， 32h， 01h， 54h， 01h， 09h， 0B5h， 0E7h， 0C1h， 0BFh， 0A3h，

0BAh， 20h， 35h， 2Eh， 30h， 30h， 20h， 76h， 0FFh， 0FCh， 0FFh， 0FFh

Tab_Bat01: ;顯示"電量： 6.00 v"(50，340)

DB 0EEh， 20h， 00h， 32h， 01h， 54h， 01h， 09h， 0B5h， 0E7h， 0C1h， 0BFh， 0A3h，

0BAh， 20h， 36h， 2Eh， 30h， 30h， 20h， 76h， 0FFh， 0FCh， 0FFh， 0FFh

Tab_Bat1A: ;顯示"電量：13.75 v"(50，340)

DB 0EEh， 20h， 00h， 32h， 01h， 54h， 01h， 09h， 0B5h， 0E7h， 0C1h， 0BFh， 0A3h，

0BAh， 31h， 33h， 2Eh， 37h， 35h， 20h， 76h， 0FFh， 0FCh， 0FFh， 0FFh

2.4 液晶驅(qū)動關(guān)鍵子程序設(shè)計(jì)思想

液晶驅(qū)動程序在射頻識別器的應(yīng)用工作流程如圖4所示：通過搜尋接近的應(yīng)答器，分別讀取其組號、ID號、電池電壓檔位編號，通過依次調(diào)用組號、ID號、電池電壓子程序，在屏幕設(shè)定的行上以藍(lán)色背景和紅色字體顯示其組號、ID號、電池電壓。

圖4 液晶驅(qū)動程序應(yīng)用工作流程

液晶顯示驅(qū)動的核心程序包括：組號發(fā)送子程序、ID號發(fā)送子程序和電池電壓發(fā)送子程序。

組號發(fā)送子程序的幀結(jié)構(gòu)是："組號："+組號的BCD碼數(shù)值(百位+十位+個位)+組號顯示控制碼尾部分(幀結(jié)束標(biāo)志)，分別通過串口發(fā)送三部分的內(nèi)容就可以在屏幕指定的坐標(biāo)開始以一行顯示組號的具體數(shù)值。前面的數(shù)據(jù)區(qū)的標(biāo)號Tab_GrpNo01定義了"組號："，標(biāo)號Tab_GrpNo02定義了幀結(jié)束標(biāo)志，具體的組號值由于是3位BCD碼，存儲于兩個8位寄存器中，子程序需要分別讀取兩個寄存器的BCD碼值，并轉(zhuǎn)換成ASCII碼。

ID號發(fā)送子程序和組號發(fā)送子程序結(jié)構(gòu)完全相同，只是發(fā)送的內(nèi)容不同。"ID號："+ID號的BCD碼數(shù)值(十位+個位)+ID號顯示控制碼尾部分(幀結(jié)束標(biāo)志)，分別通過串口發(fā)送三部分的內(nèi)容就可以在屏幕指定的坐標(biāo)開始以一行顯示ID號的具體數(shù)值。前面的數(shù)據(jù)區(qū)的標(biāo)號Tab_ID01定義了" ID號："，標(biāo)號Tab_ID02定義了幀結(jié)束標(biāo)志，具體的ID號值由于是2位BCD碼，存儲于一個8位寄存器中，子程序需要讀取該寄存器的BCD碼值，提取出ID號的十位和個位，并分別轉(zhuǎn)換成ASCII碼。

電池電壓發(fā)送子程序根據(jù)測量電壓的分檔編號值(測量電壓區(qū)間：5～13.75V，被分成27個檔位，5 V的編號為0，對應(yīng)顯示數(shù)據(jù)表中的Tab_Bat00；依次類推，13.75 V編號為26，對應(yīng)顯示數(shù)據(jù)表中的Tab_Bat1A)建立和顯示數(shù)據(jù)表中的顯示控制碼的映射：每幀(每行)電壓顯示控制碼占用25個字節(jié)，根據(jù)這個偏移量，結(jié)合測量電壓的分檔編號值查詢當(dāng)前編號值對應(yīng)的顯示控制碼，這樣在屏幕的指定行顯示編號對應(yīng)的電壓值。

3 顯示效果和開發(fā)要點(diǎn)

液晶驅(qū)動程序的顯示效果如圖5所示。

圖5 液晶驅(qū)動程序顯示效果

液晶驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)要注意：液晶屏的驅(qū)動接口、液晶屏的控制協(xié)議、液晶屏幕的顯示規(guī)劃、命令幀結(jié)構(gòu)的組合控制、程序的查表控制、BCD碼顯示控制需要轉(zhuǎn)ASCII碼。注意整體設(shè)計(jì)邏輯和控制細(xì)節(jié)才能高效開發(fā)驅(qū)動控制程序，并且可擴(kuò)展到其它應(yīng)用領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

本文從微處理器MSP430F169 與液晶彩屏終端的通訊協(xié)議、MSP430F169的存儲空間地址映射、驅(qū)動程序數(shù)據(jù)區(qū)定義和核心關(guān)鍵子程序的設(shè)計(jì)多個方面完整地闡述液晶驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)開發(fā)思路，并采用匯編語言通過串口通訊實(shí)現(xiàn)了聲學(xué)二次定位射頻識別系統(tǒng)(RFID)中對應(yīng)答器單元組號、ID序列號和內(nèi)置電池電壓的真彩色、大字體中文顯示，并提供低壓報警功能。該驅(qū)動程序已應(yīng)用于聲學(xué)二次定位射頻識別系統(tǒng)中，已有多套產(chǎn)品應(yīng)用于海洋勘探施工作業(yè)中，滿足了客戶海上作業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求。