基于PIC32MX的液晶觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

引 言
    PIC32MX是Microchip公司推出的新型32位高性能系列單片機(jī)。采用改進(jìn)的哈佛架構(gòu)、C編譯器優(yōu)化的指令集、流水線取指令方式，具有實(shí)用、指令集小、體積小、功耗低、速度高、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。除了本文主要介紹的8位／16位并行控制接口模塊和10／12位的A／D轉(zhuǎn)換器(500 Ksps)外，還提供了CAN、UART、SPI、I2C等豐富的外圍接口，可以方便地與其他設(shè)備進(jìn)行通信。彩色液晶觸摸屏不僅可以顯示字符、數(shù)字、圖形、曲線及漢字，還具有觸摸功能，用途十分廣泛。
    工業(yè)上用32位單片機(jī)PIC32MX460F512L來控制帶觸摸屏的液晶顯示器是一種理想的方案。本文使用PIC32MX460F512L的并行接口模塊，按照8080時(shí)序驅(qū)動(dòng)所羅門公司的SSD1926芯片，實(shí)現(xiàn)了5．7 in TFT彩色液晶觸模屏的觸摸和顯示功能。該方案在噴水織機(jī)控制應(yīng)用中，已經(jīng)整體實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)輸入／輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理及傳輸?shù)纫幌盗猩衔粰C(jī)功能，而且用戶界面友好。

1 PIC32MX與SSD1926的接口電路
    SSD1926是一款中小規(guī)模的顯示控制芯片。采用128引腳LQFP封裝，256 KB靜態(tài)存儲(chǔ)空間和2D圖像引擎，可以支持單色和彩色LCD；32位內(nèi)部數(shù)據(jù)通道，可以提供高帶寬的顯示內(nèi)存，以實(shí)現(xiàn)快速的屏幕刷新；擁有MMC／SD接口，可以與SD卡等外部存儲(chǔ)器件方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；采用單電源供電和單時(shí)鐘輸入，具有很短的CPU訪問延遲時(shí)間，可以支持無READY／WAIT信號(hào)的微處理器。這些特點(diǎn)能夠極大地簡(jiǎn)化外圍電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)，SSD1926還具有強(qiáng)大的總線兼容性，可與多種類型的MCU連接，除了支持SRAM接口與ARM系列連接、ISA接口與NEC系列連接外，還支持8／16位8080時(shí)序間接尋址方式，能夠方便地與各種具有并口的MCU連接。本文使用：PIC32MX460F512L的8位／16位并行控制接口模塊與SSD1926接口。硬件接口框圖如圖1所示。

    CS為片選信號(hào)，RS為地址與數(shù)據(jù)選擇信號(hào)，RESET為復(fù)位信號(hào)，都可以由通用I／O口進(jìn)行控制，分別用RC1、RC2和RC3與其連接。數(shù)據(jù)總線DB[15：0]與并行控制接口模塊中的PMD[15：0]引腳分別對(duì)接。WR和RD為讀寫信號(hào)，由并行控制接口模塊中的PMWR和PMRD引腳分別控制。SSD1926對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，再通過與LCD的接口驅(qū)動(dòng)TFT彩色液晶屏進(jìn)行顯示。

2 觸摸功能的軟硬件設(shè)計(jì)
    電阻式觸摸屏處于與外界完全隔離的工作環(huán)境，不怕灰塵和水汽，可以用任何物體來觸摸，可以寫字畫圖，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中。觸摸屏工作時(shí)，上下導(dǎo)體層可以看作電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)某一層電極加上電壓時(shí)，會(huì)在該電阻網(wǎng)絡(luò)上形成電壓梯度。若外力使得上下兩層電極在某一點(diǎn)相接觸，則在電極未施加電壓的另一層可以檢測(cè)出接觸點(diǎn)的電壓，從而換算出接觸點(diǎn)的坐標(biāo)值。本文選用4線電阻式觸摸屏，其電阻網(wǎng)絡(luò)工作原理如圖2所示。

    系統(tǒng)工作時(shí)，首先把AN11／RB11、AN4／RB4復(fù)用引腳設(shè)置為I／O引腳。RB11輸出高電平(+3．3 V)，RB4引腳輸出低電平(0 V)，在頂層的電極X+、X-上即產(chǎn)生了3．3 V的電壓。當(dāng)有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸時(shí)，在底層Y+、Y-引腳上就會(huì)輸出接觸點(diǎn)處的電壓。此時(shí)，AN10／RB10、AN5／RB5設(shè)置為A／D輸入通道。采樣此引腳上的電壓信號(hào)，即可得到Y(jié)+、Y-引腳上的電壓值，根據(jù)下式可以計(jì)算出X坐標(biāo)：
    觸點(diǎn)X坐標(biāo)=X軸分辨率×X相電壓采樣值／1 024
    本文為10位精度A／D采樣，3．3 V輸入時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣值即為1 024。然后，改變4個(gè)引腳的輸出定義，將A／D輸入引腳RB10設(shè)置為I／O引腳輸出高電平，RB5設(shè)置為I／O引腳輸出低電平，將3．3 V電壓切換到底層電極Y+、Y-上，設(shè)置AN11和AN4為A／D輸入引腳。對(duì)X+、X-引腳進(jìn)行A／D采樣，測(cè)量得到接觸點(diǎn)處的Y相電壓，根據(jù)下式可以計(jì)算出Y坐標(biāo)：
    觸點(diǎn)Y坐標(biāo)=y軸分辨率×y相電壓采樣值／1 024
    在工業(yè)應(yīng)用中，由于A／D采樣信號(hào)為模擬量輸入，很容易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的電磁干擾。除了在硬件上設(shè)計(jì)濾波電路等抗干擾措施外，還需要在軟件中設(shè)計(jì)抗干擾算法，具體軟件流程如圖3所示。通過采樣兩次輸入進(jìn)行比較的方法，能夠有效地減少由A／D采樣模擬信號(hào)源帶來的干擾。根據(jù)采樣得到的X、Y坐標(biāo)值，能夠準(zhǔn)確地知道觸摸屏上接觸點(diǎn)的位置，再根據(jù)X、Y坐標(biāo)的歷史值，還能夠分析出接觸點(diǎn)的狀態(tài)是接觸、移動(dòng)，還是放開等狀態(tài)。

3 顯示觸摸功能的綜合實(shí)現(xiàn)
    PIC32MX系列的并行控制接口模塊功能非常強(qiáng)大，只需要對(duì)其寄存器進(jìn)行正確的初始化配置，即可自動(dòng)適應(yīng)各種并行接口的時(shí)序要求。當(dāng)需要進(jìn)行讀寫指令切換時(shí)，只需要改變讀寫狀態(tài)寄存器的值，芯片就會(huì)根據(jù)初始化配置時(shí)設(shè)置的值自動(dòng)產(chǎn)生時(shí)序電平。在進(jìn)行寫操作時(shí)，芯片也會(huì)根據(jù)設(shè)置的值，自動(dòng)使數(shù)據(jù)信號(hào)達(dá)到所要求的建立電平和保持電平的時(shí)間。SSD1926相對(duì)應(yīng)的寄存器配置如下：

   
    并行接口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖4所示。

    圖4中，CS信號(hào)為片選信號(hào)，對(duì)SSD1926進(jìn)行操作時(shí)在整個(gè)操作周期中保持高電平。RS信號(hào)為地址與數(shù)據(jù)選擇信號(hào)，寫地址時(shí)保持低電平，寫數(shù)據(jù)時(shí)保持高電平。PMWR為寫操作使能信號(hào)。當(dāng)寫操作開始時(shí)，首先等待1個(gè)外部時(shí)鐘周期(B)，確保PMD[15：0]上的數(shù)據(jù)或地址信號(hào)已穩(wěn)定建立；然后保持3個(gè)外部時(shí)鐘周期的高電平(M)，確保信號(hào)內(nèi)容完全寫入SSD1926；最后用1個(gè)外部時(shí)鐘周期(E)結(jié)束寫操作。BUSY信號(hào)為PMMODEbits．BUSY寄存器的狀態(tài)。進(jìn)行讀寫操作時(shí)，BUSY信號(hào)自動(dòng)置高；只有讀到BUSY信號(hào)為低時(shí)(表示上一次操作已完成，總線空閑)，程序才能開始下一次讀寫操作。把對(duì)應(yīng)I／O口和寄存器的操作編程集成起來，編寫為子程序，可方便地在主程序中實(shí)現(xiàn)PIC32MX系列單片機(jī)與SSD1926之間的數(shù)據(jù)傳輸。人機(jī)界面主程序框圖如圖5所示。

    當(dāng)A／D采樣得到的接觸點(diǎn)X、Y坐標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，消息處理函數(shù)根據(jù)得到的消息發(fā)出相應(yīng)的指令。除了進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入／輸出和與下位機(jī)通信外，當(dāng)需要進(jìn)行頁面切換時(shí)，就更改頁面狀態(tài)，調(diào)用“新頁面建立”函數(shù)，切換到新的頁面；當(dāng)需要進(jìn)行頁面內(nèi)容更新時(shí)，就調(diào)用“頁面更新”函數(shù)，更新當(dāng)前頁面的狀態(tài)。
    為了簡(jiǎn)化編程，軟件中定義了幾種常用的圖形模塊，如按鍵、靜態(tài)圖片、靜態(tài)文字段、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示框等。每個(gè)模塊都具有模塊創(chuàng)建、模塊更新和消息響應(yīng)3個(gè)子程序。模塊創(chuàng)建子程序根據(jù)模塊的上下左右坐標(biāo)、模塊的顏色、模塊的內(nèi)容及狀態(tài)等參數(shù)，在液晶顯示器的對(duì)應(yīng)位置上顯示出模塊的圖案，并在對(duì)應(yīng)的內(nèi)存空間中記錄下模塊的狀態(tài)。模塊更新子程序定義了模塊不同狀態(tài)下圖案的變化，比如按鍵模塊當(dāng)被觸摸時(shí)即顯示出3D效果的凹陷圖案，未被觸摸時(shí)即顯示3D效果的凸出圖案。消息響應(yīng)子程序則根據(jù)A／D采樣得到的接觸點(diǎn)X、Y坐標(biāo)，判斷模塊是處于觸摸過程的接觸、移動(dòng)還是放開狀態(tài)，并對(duì)狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)。Microchip公司特別針對(duì)PIC32MX系列還開發(fā)了圖形軟件庫(graphics library)。該軟件可以方便地把各種語言、各種字體的文字以及位圖格式的圖片轉(zhuǎn)化為能夠在軟件中直接使用的數(shù)組矩陣，極大地方便了用戶。

4 應(yīng)用情況
    該方案已經(jīng)成功應(yīng)用在了某公司自主開發(fā)的噴水織機(jī)上。圖6為該噴水織機(jī)上本系統(tǒng)的實(shí)物圖。

    噴水織機(jī)是采用噴射水柱牽引緯紗穿越梭口的無梭織機(jī)。為了完成開口、引緯、打緯、卷取、送經(jīng)過程，需要多單元高精度的協(xié)同配合工作。舊式的噴水織機(jī)完全靠機(jī)械齒輪齒條傳動(dòng)的方式，一旦更換織造品種，就得更換大．量齒輪齒條，改變傳動(dòng)比；而且由于機(jī)械精度及強(qiáng)度的限制，很難提高織造的速度。
    采用CAN總線電氣一體化控制策略的電控噴水織機(jī)，能夠利用CAN總線高速傳輸?shù)哪芰σ约敖涣麟姍C(jī)伺服系統(tǒng)的高精度，實(shí)現(xiàn)多單元的高度協(xié)同工作，大幅度提高織造速度和質(zhì)量；并且更換織造品種時(shí)只需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，無需改變機(jī)械傳動(dòng)比。
    由于電氣單元和交流伺服電機(jī)的引入，需要設(shè)置大量的參數(shù)，而且需要及時(shí)、準(zhǔn)確的故障報(bào)警，以監(jiān)測(cè)織機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)并方便織機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了人機(jī)界面。它以PIC32MX460F512L芯片和液晶觸摸屏為核心，具有精度高、價(jià)格低、抗干擾能力強(qiáng)、簡(jiǎn)化了輸入輸出設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)通過I2C總線與片外EEPROM接口，能夠方便地保存用戶由界面輸入的數(shù)據(jù)；通過I2C總線與日歷時(shí)鐘芯片接口，能夠得到準(zhǔn)確的時(shí)間信息；采用CAN通信方式與電機(jī)控制器通信，將設(shè)置的參數(shù)及時(shí)傳輸42給主控制器，并把用戶需要的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上；具備故障監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)了電氣智能化控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

5 結(jié) 論
    本文介紹了帶觸摸屏的液晶控制器SSD1926與數(shù)字信號(hào)處理器PIC32MX460F512L的接口電路，并行接口時(shí)序的模塊化實(shí)現(xiàn)，以及電阻式觸摸屏的觸摸功能。實(shí)踐證明，這種方案具有完善的漢字顯示和圖形顯示功能，占用引腳少，程序模塊化強(qiáng)，編寫方便；觸摸功能可以取代應(yīng)用系統(tǒng)中的鍵盤模塊，具有良好的人機(jī)交互功能。該方案已經(jīng)用于噴水織機(jī)中，效果良好。