基于StellarisWare的電梯轎內(nèi)TFT LCD顯示及觸屏設(shè)計(jì)

隨著觸摸屏的出現(xiàn)和觸摸屏技術(shù)的飛速發(fā)展及日益成熟，觸摸屏技術(shù)廣泛應(yīng)用于公共服務(wù)領(lǐng)域和電子產(chǎn)品設(shè)備，觸摸屏技術(shù)也日益受到人們的青睞。觸摸屏正在取代鼠標(biāo)、鍵盤等傳統(tǒng)輸入設(shè)備，成為電子產(chǎn)品的重要組成部分。薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)是數(shù)字終端顯示最理想的顯示器件之一，觸摸屏附在顯示器表面，可根據(jù)對(duì)應(yīng)觸摸點(diǎn)字符獲知觸摸者的意圖來顯示內(nèi)容，使得圖形化的人機(jī)交互變得更加簡(jiǎn)單、直觀和人性化[1]。帶有觸摸屏的TFT-LCD以其方便、大容量、高清晰和全彩色視頻等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中[2]。
電梯轎廂內(nèi)顯示系統(tǒng)是電梯乘坐人與電梯進(jìn)行信息交流的重要渠道，為乘坐人提供電梯運(yùn)行信息，使乘坐人可以方便、全面地了解電梯的運(yùn)行狀態(tài)。目前大部分電梯轎廂內(nèi)顯示電梯信息多采用傳統(tǒng)LED顯示，顯示內(nèi)容單調(diào)、有限，而電梯轎廂內(nèi)樓宇廣告，顯示系統(tǒng)多采用獨(dú)立廣告機(jī)，成本高。所以設(shè)計(jì)和開發(fā)一套集顯示和觸摸式樓層選擇一體的電梯轎內(nèi)顯示系統(tǒng)很有必要，可以播放彩色圖片、數(shù)字等綜合信息，可以改善封閉轎廂內(nèi)環(huán)境，降低成本。對(duì)于圖形顯示，StellarisWare圖形庫提供了一套比較完整、快速的MCU圖形顯示方案，該方案移植方便，其強(qiáng)大的繪圖功能可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)內(nèi)容多樣的人機(jī)交互界面，界面美觀大方，可應(yīng)用于高檔電梯。
1 轎內(nèi)顯示器硬件設(shè)計(jì)
轎內(nèi)顯示器主要以微處理器為核心，根據(jù)觸摸者意圖處理并顯示信息，并控制CAN通信模塊與電梯主控器進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，外部存儲(chǔ)器是為了滿足大量圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要，轎內(nèi)顯示器的功能模塊框圖如圖1所示。

1.1 液晶顯示器
LPC2478內(nèi)部集成LCD控制器，支持薄膜晶體管TFT(Thin-Film Transistors)顯示器，并且提供TFT-LCD控制信號(hào)HSYNV（水平同步信號(hào)）、VSYNC（垂直同步信號(hào)）、VDEN（數(shù)據(jù)使能信號(hào)）及LCDCLK（LCD時(shí)鐘信號(hào)）的接口，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。
轎內(nèi)顯示器使用了三菱公司的10.4寸LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接口TFT-LCD AA104SG01，液晶背面驅(qū)動(dòng)電路集成了LVDS接收器。因此需要差分信號(hào)發(fā)送器將LPC2478主控器輸出TTL信號(hào)轉(zhuǎn)為L(zhǎng)VDS信號(hào)，傳送到液晶面板側(cè)的LVDS接收器以驅(qū)動(dòng)TFT-LCD，其中差分信號(hào)發(fā)送器是用視頻接口轉(zhuǎn)換芯片DS90C383。DS90C383可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)結(jié)合控制信號(hào)將16 bit TTL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成混合的3組LVDS數(shù)據(jù)流來驅(qū)動(dòng)LCD，即TxOUT0、TxOUT1、TxOUT2，一組數(shù)據(jù)流包含7 bit數(shù)據(jù)。DS90C383輸入輸出信號(hào)映射關(guān)系以及LPC2478內(nèi)置LCD控制器在RGB(R[4:0]G[5:0]B[4:0])模式下與DS90C383管腳連接如表1所示。

1.2 觸摸屏接口設(shè)計(jì)
從工作原理上可以把觸摸屏分為電阻式、電容式、紅外線式、聲表面波式等，這里采用目前最為普遍的四線電阻式觸摸屏[3]。液晶顯示器背面附有觸摸屏驅(qū)動(dòng)電路，是一個(gè)電阻式四線觸摸屏，四線分別是X+（TSXP）、X-（TSXM）、Y+（TSYP）、Y-（TSYM），即X電極和Y電極的正負(fù)極，也是觸摸屏接觸點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入端。
四線電阻式觸摸板由兩塊透明的電阻層組成，分別是X板和Y板[4]。如有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，則在電極未加電壓的一層根據(jù)電壓梯度可以測(cè)得接觸點(diǎn)的電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換便可知道接觸點(diǎn)的坐標(biāo)。由微處理器輸出4個(gè)控制信號(hào)控制4 個(gè)MOS 管的通斷，進(jìn)而控制觸摸屏4個(gè)電極Y+、Y-、X+、X-的通斷。
1.3 外擴(kuò)同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器
針對(duì)LCD高速圖像顯示過程中大量數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)的需要，采用了一種高速的圖像存儲(chǔ)方案，即中間緩存。SDRAM（Synchronous Dynamic RAM）作為數(shù)據(jù)中間緩存具有容量大、速度高、價(jià)格便宜和功耗低等優(yōu)勢(shì)[5]，是一種非常有效的方法，真正滿足了高速、實(shí)時(shí)顯示圖像的要求。
LPC2478內(nèi)置SDRAM控制器，可以實(shí)現(xiàn)SDRAM的邏輯控制[6]，主要信號(hào)有片選信號(hào)(SCS)、時(shí)鐘信號(hào)(SCLK)、時(shí)鐘使能信號(hào)(SCKE)、讀寫信號(hào)(WE)、頁地址選擇信號(hào)(BA[1:0])、行地址選擇信號(hào)(A0~A12)、列地址選擇信號(hào)(A0~A8)，采用分時(shí)復(fù)用的尋址方式，通過RAS和CAS信號(hào)來決定是行地址還是列地址，當(dāng)RAS有效時(shí)，A0~A12是行地址；當(dāng)CAS有效時(shí)，A0~A8是列地址信號(hào)。數(shù)據(jù)信號(hào)DATA[15:0]，其使能受DQM信號(hào)控制。SDRAM的地址范圍為0xA000 0000~0xA200 0000（32 MB）。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 StellarisWare圖形庫移植
對(duì)于圖形顯示，StellarisWare圖形庫提供了快速的軟件開發(fā)解決方案，既可以進(jìn)行基本圖形、文字繪制，也可以輕松實(shí)現(xiàn)常見的消息控件(Widget)的繪制。
2.1.1 按鈕控件圖形生成及圖形預(yù)處理
StellarisWare軟件包含了兩個(gè)工具：LMI-button和pnmtoc，圖形的生成及預(yù)處理可以通過這兩個(gè)工具來完成。
(1)LMI-button工具可以把其他格式的圖像保存為圖形庫可以識(shí)別的pnm格式，并且結(jié)合GIMP圖像處理程序可以生成各種類型控件。
(2)pnmtoc工具壓縮圖像為C文件，主要是把pnm格式圖像轉(zhuǎn)換為圖形庫可以識(shí)別的C文件。運(yùn)行Windows服務(wù)管理器并且輸入命令：pnmtoc Image.pnm>Image.c，即可把Image.pnm圖像生成圖形庫可以識(shí)別的C數(shù)組文件，默認(rèn)名字為const unsigned char g_pucImage[]，在主函數(shù)中調(diào)用函數(shù)GrImageDraw(&MyContext,g_pucImage,0,0)就是從(0,0)點(diǎn)繪制g_pucImage圖像。
2.1.2 控件定義及繪制
Stellaris圖形庫可以實(shí)現(xiàn)很多控件，其中包括畫布和按鈕控件。畫布控件是一個(gè)簡(jiǎn)單的繪圖面板，用戶可以在上面進(jìn)行圖形、文字繪制，也支持顯示圖片。每一個(gè)控件都有3個(gè)屬性，分別是父控件(Parent)、下一個(gè)控件(Next)、子控件(Child)。為了方便管理，圖形庫將眾多控件以樹狀的形式管理，每個(gè)控件樹都有一個(gè)虛擬的WIDGET_ROOT控件作為最頂層的控件，其他控件都作為它的子節(jié)點(diǎn)或者更下層的子節(jié)點(diǎn)[7]。
(1)定義畫布控件函數(shù)Canvas()和按鈕控件函數(shù)Rec-
tangularButtonStruct()。定義控件時(shí)用戶根據(jù)實(shí)際情況配置各參數(shù)，同時(shí)要定義事件響應(yīng)函數(shù)。
(2)繪制控件樹函數(shù)。使用WidgetAdd()添加控件到控件樹WIDGET_ROOT，然后調(diào)用函數(shù)WidgetPaint(WIDGET_ROOT)繪制整個(gè)控件樹。
(3)消息添加函數(shù)WidgetMessageQueueAdd()可以添加消息到消息隊(duì)列，以便進(jìn)行后續(xù)處理。
2.2 LCD顯示的軟件設(shè)計(jì)
對(duì)LPC2478內(nèi)置LCD控制器的軟件操作主要是對(duì)各種寄存器進(jìn)行正確的設(shè)置。首先要初始化LCD，LCD初始化包括設(shè)置LCD寄存器、LCD工作模式為BGR 5:6:5、顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址為SDRAM地址、LCD背光等，LCD顯示的過程也就是控件定義、添加、繪制和消息處理的過程。LCD顯示的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示，函數(shù)Widget-MessageQueueProcess()處理控件樹信息隊(duì)列，刷新LCD。

2.3 觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)
觸摸屏附在顯示器表面，利用微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶屏和觸摸屏的控制，只要測(cè)量出觸摸點(diǎn)的位置，就可以根據(jù)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)上的顯示內(nèi)容或字符獲知觸摸者的意圖，進(jìn)而處理信息。觸摸屏回調(diào)函數(shù)TouchScreenCallbackSet(WidgetPointerMessage)的作用是將用戶動(dòng)作事件與用戶定義的事件響應(yīng)函數(shù)連接在一起，當(dāng)用戶動(dòng)作時(shí)，用戶輸入驅(qū)動(dòng)可以調(diào)用WidgetPointerMessage()函數(shù)，傳入動(dòng)作的信息(如動(dòng)作的x、y坐標(biāo)、動(dòng)作方式等)。圖形輸出驅(qū)動(dòng)則響應(yīng)用戶輸入事件，刷新顯示畫面，觸摸屏軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

2.4 CAN通信軟件設(shè)計(jì)
電梯轎廂控制器與主控制器之間通過CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，CAN總線是轎廂與主控制器之間進(jìn)行通信的橋梁，可以同時(shí)支持多主節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速度快，通信距離長(zhǎng)。
轎內(nèi)顯示器消息的格式：目的ID號(hào)+命令字節(jié)+數(shù)據(jù)字節(jié)1+數(shù)據(jù)字節(jié)2+…+數(shù)據(jù)字節(jié)6。ID號(hào)是為主控制器、轎廂控制器、外呼樓層指示器分配的標(biāo)志符。命令字節(jié)是協(xié)議的核心，通常與數(shù)據(jù)字節(jié)配合使用，有開關(guān)門命令、樓層顯示命令、到站提示命令、登記樓層命令等。數(shù)據(jù)字節(jié)主要有所到樓層號(hào)、電梯運(yùn)行狀態(tài)及登記樓層信息。
3 測(cè)試結(jié)果與分析
將轎廂顯示控制器與電梯主控器連接，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，圖4為電梯從10樓到5樓、再到1樓的LCD顯示過程，從圖中看到，按鈕控件有開關(guān)門和樓層按鈕，按鈕控件有按下和未按下兩種不同顏色狀態(tài)屬性，當(dāng)用戶按下目的樓層號(hào)按鈕時(shí)，按鈕控件外觀顏色狀態(tài)發(fā)生變化，LCD顯示所到樓層號(hào)和電梯運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)電梯到達(dá)用戶選通的目的樓層時(shí)，所到樓層按鈕將返回未按下狀態(tài)，同時(shí)開門按鈕顯示開門狀態(tài)，關(guān)門時(shí)關(guān)門按鈕控件也會(huì)顯示相應(yīng)的狀態(tài)。

本著高效、方便的目的，本文利用StellarisWare圖形庫，簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)難度，提高了開發(fā)效率。經(jīng)過多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，轎廂顯示控制器與電梯主控制器之間通信可靠、穩(wěn)定，顯示界面清晰、效果良好。帶有觸摸功能的電梯轎內(nèi)TFT-LCD顯示器是一種簡(jiǎn)單、方便、自然的人機(jī)交互方式，界面美觀大方，可以更好地提高電梯品質(zhì)，具備很好的應(yīng)用前景。
參