基于STM32的EMS液晶顯示觸摸屏設計方案

摘要：提出一種基于STM32F103單片機的用于電動(dòng)車(chē)電池能量管理系統(EMS)的液晶顯示觸摸屏的設計方案，該方案以STM32F103作為核心控制器。STM32F103通過(guò)I/O口與四線(xiàn)電阻觸摸屏相連，利用自帶的A/D轉換功能檢測觸摸并計算觸點(diǎn)坐標實(shí)現觸摸功能，并通過(guò)自身的I/O接口與TFT液晶屏模塊實(shí)現通信，控制實(shí)現顯示的功能。

0 引 言

電動(dòng)車(chē)一直以清潔環(huán)保而備受關(guān)注，加上能源危機加劇、油價(jià)不斷上漲，電動(dòng)車(chē)也越來(lái)越受到用戶(hù)的青睞。電動(dòng)車(chē)一般采用鋰電池供電，由多個(gè)單體電池串聯(lián)成電池組作為動(dòng)力電源。但由于各個(gè)串聯(lián)單體電池特性不能保證完全一致，因此相同的電流下充電放電速度也會(huì )不同，如果不進(jìn)行均衡干預，電池壽命會(huì )大大縮短，因此需要實(shí)時(shí)監控各個(gè)單體電池的狀態(tài)、總電壓、總電流，根據狀態(tài)適時(shí)進(jìn)行電池充放電均衡，并且充放電均衡時(shí)，均衡狀態(tài)也要實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測，所以就有了電動(dòng)車(chē)電池能量管理系統(EMS)。實(shí)踐證明EMS可以有效延長(cháng)電動(dòng)車(chē)電池使用壽命，是電動(dòng)車(chē)中十分重要的管理系統。

EMS主要包括：信息采集模塊、充放電均衡模塊、信息集中處理模塊以及顯示模塊。圖1為自主研發(fā)的電動(dòng)車(chē)電池能量管理系統(EMS)的結構圖，其中信息采集模塊主要完成實(shí)時(shí)采集電池組以及單體電池的電壓、溫度、電流等狀態(tài)，對電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監控的同時(shí)也為均衡模塊的開(kāi)啟與關(guān)閉提供依據。均衡模塊主要完成對電池特性差異進(jìn)行補償，根據采集模塊采集來(lái)的信息判斷電池狀態(tài)，對單節電池進(jìn)行充放電均衡，來(lái)實(shí)現狀態(tài)特性一致。信息集中處理模塊負責將采集得到的數據進(jìn)行處理、分析、計算(如SOC等)，并監控均衡模塊的工作，對其進(jìn)行控制，同時(shí)與顯示模塊通信，在整個(gè)系統中起著(zhù)承上啟下的作用。顯示模塊作為唯一的人機交互接口，不僅承擔著(zhù)將所有數據、以及設備狀態(tài)實(shí)時(shí)地顯示給用戶(hù)，讓用戶(hù)能夠直觀(guān)地看到電池狀態(tài)和EMS工作效果，而且還為用戶(hù)與EMS的控制交流提供接口，可以讓用戶(hù)設置參數，更改EMS工作狀態(tài)，達到實(shí)時(shí)監管和控制的目的。如果沒(méi)有顯示模塊人們就無(wú)法看到電池和EMS的信息，EMS的報警或提示信息無(wú)法通知到客戶(hù)，一些報警狀態(tài)得不到及時(shí)處理輕則造成電池損壞，重則會(huì )導致電動(dòng)車(chē)工作失控，釀成嚴重事故。同樣客戶(hù)也無(wú)法根據情況來(lái)調整和控制EMS,也不能完全發(fā)揮EMS的作用?？梢?jiàn)顯示模塊的人機交互功能是EMS中不可或缺的組成部分，從顯示模塊所需的功能看觸摸屏是不錯的選擇。但如果購買(mǎi)市面上的觸摸屏，不僅顯示內容會(huì )受觸摸屏本身顯示功能固定的限制而降低顯示設計的靈活度、影響顯示質(zhì)量，并且市面上觸摸屏的價(jià)格也普遍較高，給產(chǎn)品增加了很大一部分成本，這無(wú)疑會(huì )大大降低產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力?；谶@種情況本文提出一種以STM32F103單片機為控制核心的比較通用的液晶觸摸屏的設計方案。

圖1 EMS結構框圖

1 觸摸屏的種類(lèi)及工作原理

觸摸屏種類(lèi)眾多，可以分為電阻式、電容式、紅外線(xiàn)式、聲表面波式、矢量壓力傳感器等，其中電阻觸摸屏使用最為普遍。觸摸屏系統一般包括觸摸屏控制器和觸摸檢測裝置兩個(gè)部分。其中，觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點(diǎn)坐標，再送給微控制器，它同時(shí)能接收微控制器發(fā)來(lái)的命令并加以執行，觸摸檢測裝置一般安裝在顯示器的前端，主要作用是檢測用戶(hù)的觸摸位置，并傳送給觸摸屏控制器。觸摸屏的基本原理是，用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏時(shí)，所觸摸的位置(以坐標形式)由觸摸屏控制器檢測，并通過(guò)接口送到微控制器，從而確定輸入的信息。其中觸點(diǎn)坐標的求取方法是：如圖2所示，給觸摸屏的X+加正電壓V,X-接地時(shí)，在X+,X-方向上會(huì )形成均勻的電壓梯度，當屏幕有觸摸時(shí)，可以通過(guò)讀取Y+的電壓，經(jīng)過(guò)A/D轉換后計算求得觸摸點(diǎn)X坐標。同理，在Y+,Y-方向上加電壓，可以通過(guò)X+上的值計算出觸摸點(diǎn)Y坐標。計算坐標的公式如下：

式中，W 為觸摸屏的寬度;H 為觸摸屏的高度。

本方案采用的是四線(xiàn)電阻式觸摸屏并且不使用專(zhuān)用的觸摸屏控制器，直接由STM32F103控制以降低成本，如圖2所示。

圖2 四線(xiàn)電阻觸摸屏示意圖

2 方案用到的主要器件介紹

2.1 STM32F103介紹

方案中主控器件STM32F103單片機使用的是ARM 公司為要求性能高、成本低、功耗低的嵌入式應用專(zhuān)門(mén)設計的32位的ARMCortex-M3內核。

擁有可達128KB的嵌入式閃存、20kB的SRAM 和十分豐富的外設：兩個(gè)1μs的12位ADC,一個(gè)全速USB(OTG)接口，一個(gè)CAN 接口，三個(gè)4 M/S的UART,兩個(gè)18 M/S的SPI,兩個(gè)I2 C等。內部還集成了復位電路、低電壓檢測、調壓器、精確的RC振蕩器等，大大方便了用戶(hù)的開(kāi)發(fā)。該系列單片機不僅功能強大而且功耗相當低，在72 MHz時(shí)消耗36 mA(所有外設處于工作狀態(tài))，相當于0.5 mA/MHz,待機時(shí)下降到2μA ,是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品。綜上STM32F103系列單片機的性能完全可以滿(mǎn)足液晶觸摸顯示屏的所有控制需要，內置A/D可以用于觸摸屏控制，豐富的I/O 接口可以用于與TFT液晶屏模塊的通信，并且其本身自帶CAN控制器可以作為與外界通信接口，用STM32F103做主控制器可以減少使用器件從而簡(jiǎn)化使整體電路，很好地達到降低EMS成本的目標。

2.2 TFT液晶屏模塊

本方案選用的是3.5寸的TFT液晶屏模塊，工作電壓3.3 V,最大工作電流70 mA.支持320×240分辨率，內置230K內存顯示可到256K色，可顯示文字和圖形，采用LED背光設計，使用軟件即可對背光亮度進(jìn)行調節，內置簡(jiǎn)體中文字庫，支持2D的BTE引擎，同時(shí)建幾何圖形加速引擎，可以對顯示對象進(jìn)行復雜的操作如畫(huà)面旋轉功能、卷動(dòng)功能、圖形Pattern、雙層混合顯示和文字放大等等。這些功能將可節省用戶(hù)在TFT屏應用的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提升MCU軟件的執行效率并且使畫(huà)面更加絢麗，顯示功能更加豐富，使顯示屏顯示能力大大增強。提供8位或16位總線(xiàn)接口，方便與MCU的連線(xiàn)，適應性強，連接設計靈活。