摘  要： 應用StellarisWare圖形庫技術(shù)實現(xiàn)圖形顯示，以LPC2478 ARM7微處理器為控制核心，設(shè)計了一種由TFT-LCD顯示及觸摸屏組成的電梯轎內(nèi)人機交互界面顯示控制器。介紹了LVDS通信接口的TFT-LCD顯示、觸摸及外部存儲器SDRAM的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了觸摸功能，獲得清晰穩(wěn)定的顯示效果，性能可靠。
關(guān)鍵詞： ARM7；TFT-LCD；觸摸屏技術(shù)；SDRAM；StellarisWare

    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、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)對應觸摸點字符獲知觸摸者的意圖來顯示內(nèi)容，使得圖形化的人機交互變得更加簡單、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)點被廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中[2]。
    電梯轎廂內(nèi)顯示系統(tǒng)是電梯乘坐人與電梯進行信息交流的重要渠道，為乘坐人提供電梯運行信息，使乘坐人可以方便、全面地了解電梯的運行狀態(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)多采用獨立廣告機，成本高。所以設(shè)計和開發(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，其強大的繪圖功能可以根據(jù)具體的應用場合設(shè)計內(nèi)容多樣的人機交互界面，界面美觀大方，可應用于高檔電梯。
1 轎內(nèi)顯示器硬件設(shè)計
    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行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，外部存儲器是為了滿足大量圖像數(shù)據(jù)存儲的需要，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HSYNV（水平同步信號）、VSYNC（垂直同步信號）、VDEN（數(shù)據(jù)使能信號）及LCDCLK（LCD時鐘信號）的接口，簡化了硬件設(shè)計。
    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)動電路集成了LVDS接收器。因此需要差分信號發(fā)送器將LPC2478主控器輸出TTL信號轉(zhuǎn)為LVDS信號，傳送到液晶面板側(cè)的LVDS接收器以驅(qū)動TFT-LCD，其中差分信號發(fā)送器是用視頻接口轉(zhuǎn)換芯片DS90C383。DS90C383可以在一個時鐘周期內(nèi)結(jié)合控制信號將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
    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)動電路，是一個電阻式四線觸摸屏，四線分別是X+（TSXP）、X-（TSXM）、Y+（TSYP）、Y-（TSYM），即X電極和Y電極的正負極，也是觸摸屏接觸點坐標數(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接觸，則在電極未加電壓的一層根據(jù)電壓梯度可以測得接觸點的電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換便可知道接觸點的坐標。由微處理器輸出4個控制信號控制4 個MOS 管的通斷，進而控制觸摸屏4個電極Y+、Y-、X+、X-的通斷。
1.3 外擴同步動態(tài)隨機存儲器
      針對LCD高速圖像顯示過程中大量數(shù)據(jù)暫時存儲的需要，采用了一種高速的圖像存儲方案，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、價格便宜和功耗低等優(yōu)勢[5]，是一種非常有效的方法，真正滿足了高速、實時顯示圖像的要求。
    LPC2478內(nèi)置SDRAM控制器，可以實現(xiàn)SDRAM的邏輯控制[6]，主要信號有片選信號(SCS)、時鐘信號(SCLK)、時鐘使能信號(SCKE)、讀寫信號(WE)、頁地址選擇信號(BA[1:0])、行地址選擇信號(A0~A12)、列地址選擇信號(A0~A8)，采用分時復用的尋址方式，通過RAS和CAS信號來決定是行地址還是列地址，當RAS有效時，A0~A12是行地址；當CAS有效時，A0~A8是列地址信號。數(shù)據(jù)信號DATA[15:0]，其使能受DQM信號控制。SDRAM的地址范圍為0xA000 0000~0xA200 0000（32 MB）。
2 軟件設(shè)計
2.1 StellarisWare圖形庫移植
    對于圖形顯示，StellarisWare圖形庫提供了快速的軟件開發(fā)解決方案，既可以進行基本圖形、文字繪制，也可以輕松實現(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處理
    StellarisWare軟件包含了兩個工具：LMI-button和pnmtoc，圖形的生成及預處理可以通過這兩個工具來完成。
    (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)換為圖形庫可以識別的C文件。運行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別的C數(shù)組文件，默認名字為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)點繪制g_pucImage圖像。
2.1.2 控件定義及繪制
    Stellaris圖形庫可以實現(xiàn)很多控件，其中包括畫布和按鈕控件。畫布控件是一個簡單的繪圖面板，用戶可以在上面進行圖形、文字繪制，也支持顯示圖片。每一個控件都有3個屬性，分別是父控件(Parent)、下一個控件(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，每個控件樹都有一個虛擬的WIDGET_ROOT控件作為最頂層的控件，其他控件都作為它的子節(jié)點或者更下層的子節(jié)點[7]。
    (1)定義畫布控件函數(shù)Canvas()和按鈕控件函數(shù)Rec-
tangularButtonStruct()。定義控件時用戶根據(jù)實際情況配置各參數(shù)，同時要定義事件響應函數(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)繪制整個控件樹。
    (3)消息添加函數(shù)WidgetMessageQueueAdd()可以添加消息到消息隊列，以便進行后續(xù)處理。
2.2 LCD顯示的軟件設(shè)計
    對LPC2478內(nèi)置LCD控制器的軟件操作主要是對各種寄存器進行正確的設(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)計流程如圖2所示，函數(shù)Widget-MessageQueueProcess()處理控件樹信息隊列，刷新LCD。

2.3 觸摸屏的軟件設(shè)計
    觸摸屏附在顯示器表面，利用微處理器實現(xiàn)對液晶屏和觸摸屏的控制，只要測量出觸摸點的位置，就可以根據(jù)對應坐標點上的顯示內(nèi)容或字符獲知觸摸者的意圖，進而處理信息。觸摸屏回調(diào)函數(shù)TouchScreenCallbackSet(WidgetPointerMessage)的作用是將用戶動作事件與用戶定義的事件響應函數(shù)連接在一起，當用戶動作時，用戶輸入驅(qū)動可以調(diào)用WidgetPointerMessage()函數(shù)，傳入動作的信息(如動作的x、y坐標、動作方式等)。圖形輸出驅(qū)動則響應用戶輸入事件，刷新顯示畫面，觸摸屏軟件設(shè)計流程如圖3所示。

2.4 CAN通信軟件設(shè)計
    電梯轎廂控制器與主控制器之間通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，CAN總線是轎廂與主控制器之間進行通信的橋梁，可以同時支持多主節(jié)點，數(shù)據(jù)傳輸速度快，通信距離長。
    轎內(nèi)顯示器消息的格式：目的ID號+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號是為主控制器、轎廂控制器、外呼樓層指示器分配的標志符。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、電梯運行狀態(tài)及登記樓層信息。
3 測試結(jié)果與分析
    將轎廂顯示控制器與電梯主控器連接，進行現(xiàn)場調(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，當用戶按下目的樓層號按鈕時，按鈕控件外觀顏色狀態(tài)發(fā)生變化，LCD顯示所到樓層號和電梯運行狀態(tài)；當電梯到達用戶選通的目的樓層時，所到樓層按鈕將返回未按下狀態(tài)，同時開門按鈕顯示開門狀態(tài)，關(guān)門時關(guān)門按鈕控件也會顯示相應的狀態(tài)。

    本著高效、方便的目的，本文利用StellarisWare圖形庫，簡化了軟件設(shè)計難度，提高了開發(fā)效率。經(jīng)過多次現(xiàn)場測試，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顯示器是一種簡單、方便、自然的人機交互方式，界面美觀大方，可以更好地提高電梯品質(zhì)，具備很好的應用前景。
參考文獻
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