一種嵌入式顯示系統的軟件設計及應用

摘要：以高性能的8位單片機C8051F120作為核心處理器，接收和處理PC機鍵盤(pán)和觸摸屏的操作信息，并將其轉化成液晶顯示器(TFT)可顯示的點(diǎn)陣數據；用SRAM作為顯存，FPGA接收單片機傳送的顯示數據，控制顯存的讀寫(xiě)操作，并產(chǎn)生液晶顯示器的工作時(shí)序，最終完成在液晶顯示器上顯示字符和65 536色彩色圖形的嵌入式設計方案。其中重點(diǎn)描述了核心處理單元C8051F120的軟件設計。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統；觸摸屏；TFT；彩色圖形；軟件設計

引言

嵌入式設備憑借其與使用者之間的親和力、自然的人機交互界面，得到了迅速的發(fā)展，滲透到生活中的各個(gè)角落。本文介紹的設計方法是以高性能的8位單片機C8051F120作為核心處理器，SRAM作為系統的顯存，FPGA實(shí)現時(shí)序轉換，構建低溫(-10℃)下嵌入式顯示系統。通過(guò)PC機鍵盤(pán)和觸摸屏實(shí)現界面操作，最終在液晶顯示器上顯示國標一／二級漢字、ASCII字符和65 536色的彩色圖形和圖片，并制作了簡(jiǎn)單的操作界面。

1 系統工作原理

顯示漢字、英文字符和彩色圖形的過(guò)程就是將字符和圖形信息轉換成液晶顯示器可以顯示的點(diǎn)陣信息。為了顯示字符，可以將ASCII碼字符點(diǎn)陣字庫和按區位碼排列的漢字點(diǎn)陣字庫存儲在單片機外接的Flash ROM中(構成點(diǎn)陣數據區)，并且將程序中用到的字符以機內碼的形式存儲在Flash ROM中(構成文本數據區)。顯示時(shí)，單片機將漢字機內碼從文本數據區讀出，轉換成FlashROM中點(diǎn)陣數據區的字庫地址，通過(guò)該地址讀出字符的點(diǎn)陣數據，進(jìn)一步轉換成液晶顯示器可顯示的數據并送給后續電路處理和顯示。這樣在操作過(guò)程中可以顯示包括國標一／二級漢字、大小寫(xiě)英文字符、標點(diǎn)和數字等多種字符。顯示彩色圖形的時(shí)候，由于圖片的存儲空間要求比較大，系統中沒(méi)有足夠的空間，可以將PC機內bmp格式的彩色圖片經(jīng)過(guò)格式轉化以后，通過(guò)串口送給單片機實(shí)時(shí)處理并顯示。

液晶顯示器工作頻率為4．5～6．8MHz，并且需要復雜的工作時(shí)序?？紤]到單片機的工作速度和液晶顯示器的工作頻率，一方面，液晶顯示器在工作頻率下不斷刷新才能工作，需要傳送大量的顯示數據和控制信息；另一方面，單片機要完成許多處理工作，即使工作在100MHz，也將成為系統運行速率的瓶頸。為了解決這個(gè)問(wèn)題，再次加入一塊SRAM作為顯存，加入一塊FPGA實(shí)現時(shí)序轉換并控制和刷新液晶顯示器。FP GA分時(shí)地讀／寫(xiě)SRAM，FPGA在時(shí)鐘的作用下，一半時(shí)間內(時(shí)鐘信號為高電平時(shí))從SRAM中讀出數據，不斷刷新液晶顯示器；另一半時(shí)間內(時(shí)鐘信號為低電平時(shí))，如果單片機有送來(lái)要顯示的數據時(shí)，將此數據寫(xiě)入SRAM中。分時(shí)操作的使用，能在不間斷地刷新液晶顯示器的同時(shí)，接收并存儲單片機的數據，使兩方面的工作互不影響，不僅減輕單片機的工作負擔，而且充分發(fā)揮了FPGA的性能。

選擇附有觸摸屏的液晶顯永器，將觸摸屏外接手寫(xiě)識別控制器，就可以增加手寫(xiě)識別功能，可提供友好的人機交互界面。由上述分析可以畫(huà)出系統框圖，如圖1所示。

2 系統硬件設計

在本嵌入式顯示系統中，采用了夏普公司型號為L(cháng)Q0357DH01的液晶顯示器，工作溫度范圍在-10～70℃，最低工作溫度相對更低一些。

顯示模塊由一個(gè)彩色主動(dòng)點(diǎn)陣式LCD模塊和無(wú)定形硅TFT構成，因此可稱(chēng)為AD-TFT(Advanced TFT)。它由彩色TFT-LCD面板、IC驅動(dòng)、FPC、背光、電阻式觸摸屏和背部密封盒組成，但是模塊不包括控制電路。顯示屏工作頻率為4．5～6．8 MHz，分辨率為240×320像素，色彩位深為18位。圖形和文本能以262 11 4種顏色顯示在240x 320點(diǎn)陣的顯示屏上。但是考慮單片機的數據總線(xiàn)寬度為8位，為了簡(jiǎn)化操作過(guò)程，可將色彩深度確定為16位，單片機分兩次發(fā)送每個(gè)像素的顏色數據。這樣的簡(jiǎn)化操作也可以滿(mǎn)足顯示65 536色彩色圖形的要求。

為了提高整個(gè)系統的運行速度，采用型號為C8051F120的高性能8位單片機作為處理器。C8051F120使用Silicon Labs公司的專(zhuān)利CIP-51微控制器內核。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標準803x／805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。C8051F120可穩定工作的最大系統時(shí)鐘頻率為100 MHz，峰值性能達到100MIPS。

Flash采用的是M29W400BB(512K×8位)，它是一種可讀、可擦除、可重復編程的Flash。FPGA采用Xilinx公司Spartan-II系列產(chǎn)品XC2S1 00。XC2S100是一款具有10萬(wàn)系統門(mén)的FPGA，在邏輯門(mén)數上能為系統提供足夠的邏輯電路，144引腳封裝形式的XC2S100可提供103個(gè)I／O端口，為系統器件提供足夠的I／O口資源。

關(guān)于SRAM的選擇，考慮到液晶顯示器的分辨率為240×320像素，每個(gè)像素點(diǎn)可顯示65 536色(16位)，因此顯存的大小至少為240×320× 2B=150 KB。加入一塊512 KB的SRAM CY7C1041BV33作為顯存即可。CY7C1041BV33可以工作在字(word)操作模式下，方便顯示數據的存取，刷新液晶的過(guò)程中可將SRAM中的每個(gè)字與液晶的每個(gè)像素對應。

手寫(xiě)識別采用型號為ePH1200AQ的手寫(xiě)識別微控制器。ePH1200AQ硬件上集成了8位RISC微控制器、觸摸屏驅動(dòng)器、接口UART、4 KB SRAM、32K字編程ROM和512K字數據ROM；軟件上則包含手寫(xiě)識別內核、字符集和筆跡收集軟件。當微控制器與外部觸摸屏相連接的時(shí)候，就可以組成手寫(xiě)識別應用產(chǎn)品，比如SMS、移動(dòng)電話(huà)或者手寫(xiě)輸入設備。

3 系統軟件設計

系統軟件包括單片機和FPGA兩個(gè)部分。本文主要介紹單片機部分的軟件設計。

單片機完成的功能包括循環(huán)查詢(xún)兩個(gè)串口是否接收到新的數據，當某個(gè)串口接收到新的數據時(shí)，便采取相應含義的操作。顯示字符時(shí)，讀出Flash ROM中的點(diǎn)陣數據，進(jìn)行轉換和處理后送給FPGA；顯示圖形時(shí)，按照沒(méi)定的圖形軌跡畫(huà)出點(diǎn)。

單片機在主程序中循環(huán)查詢(xún)兩個(gè)串口是否接收到新的數據，當任意一個(gè)串口產(chǎn)生中斷時(shí)，根據串口接收到數據的含義，采取相應的操作。主函數流程如圖2所示。