一種用于嵌入式系統(tǒng)的液晶顯示單元設(shè)計(jì)

在自動(dòng)化儀器儀表、工業(yè)測(cè)控裝置等嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，圖形液晶顯示模塊（點(diǎn)陣LCD）以顯示靈活、信息量大、可實(shí)現(xiàn)圖形界面等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的用做顯示終端。這些模塊大多提供并行數(shù)據(jù)接口，少量提供串行接口的模塊也要求通信采用特殊協(xié)議，給系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)都帶來(lái)較大不便。在顯示程序上，可移植通用的嵌入式圖形用戶界面GUI軟件，如MiniGUI，OpenGUI等，以簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)工作。但是，這些GUI軟件移植繁瑣，有些源代碼不公開，一般需要數(shù)百KB的存儲(chǔ)量，對(duì)于一些只要求實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單界面的工控應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)于龐大，有一些功能（如鼠標(biāo)操作、支持漢字輸入法等）也不十分必要。
針對(duì)上述問題，本文結(jié)合LCD顯示模塊STN6448D-4K設(shè)計(jì)了一種滿足工控要求的模塊化圖形液晶顯示單元。硬件上通過(guò)51單片機(jī)搭建轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)模塊并行訪問時(shí)序到串行顯示命令的轉(zhuǎn)換。軟件上結(jié)合串行接口命令和通信協(xié)議，用C語(yǔ)言編寫了具有消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制的簡(jiǎn)單通用圖形用戶界面GUI程序，可以方便地移植到各種工控嵌入式系統(tǒng)。
1．標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展的設(shè)計(jì)
液晶顯示模塊STN6448D-4K支持640×480點(diǎn)陣4096偽彩色顯示，用戶接口為8位并行口。圖1為模塊的RS-232硬件擴(kuò)展接口結(jié)構(gòu)，在AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了一片MAX232。單片機(jī)通過(guò)總線與模塊STN6448D-4K的控制器相連。單片機(jī)接收并分析串口指令，調(diào)用相應(yīng)函數(shù)完成對(duì)LCD的各種顯示控制。為減少串行通信數(shù)據(jù)量，還擴(kuò)展了一片2MB的Flash存儲(chǔ)器AM29F016D，用于存儲(chǔ)BMP圖像和字符庫(kù)、漢字庫(kù)。通常采用的字庫(kù)有漢字庫(kù)文件Hzk16f.bin（16×16點(diǎn)陣）、Hzk24k.bin（24×24點(diǎn)陣），ASCII碼文件ASC16.bin（16×8點(diǎn)陣）、ASC24.bin（24×12點(diǎn)陣）等，位圖文件可以根據(jù)需要自行制作和增減。所有的字庫(kù)和位圖均通過(guò)RS-232接口從PC機(jī)下載到Flash存儲(chǔ)器中，根據(jù)每個(gè)文件的存儲(chǔ)首地址索引可以完成字符、漢字、位圖的顯示。
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2．串口指令和通信軟件設(shè)計(jì)
按照STN6448D-4K的編程格式編寫清屏、畫點(diǎn)、畫線、畫矩形、寫字符（ASCII字符、漢字）、加載位圖等基本繪圖函數(shù)的單片機(jī)程序比較簡(jiǎn)單，這里不作說(shuō)明。單片機(jī)在完成初始化、清屏操作后，將就緒狀態(tài)信息傳遞給嵌入式系統(tǒng)的CPU，并等待從RS-232傳來(lái)的繪圖指令。每一個(gè)繪圖指令，都是一個(gè)繪圖命令幀，與一個(gè)繪圖函數(shù)相對(duì)應(yīng)。
單片機(jī)收到一個(gè)完整的繪圖指令后根據(jù)指令碼識(shí)別不同的繪圖操作，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成顯示控制。由于各個(gè)函數(shù)的指令長(zhǎng)短不一，單片機(jī)需要判斷出一條指令的結(jié)束；而且單片機(jī)完成LCD操作需要時(shí)間，硬件上又沒有一個(gè)“BUSY”信號(hào)來(lái)指示單片機(jī)暫時(shí)不能接收指令。故程序設(shè)計(jì)上需保證傳輸同步和可靠性。
2．1 顯示命令幀的封裝
每一個(gè)繪圖指令都封裝成一個(gè)繪圖命令幀，封裝時(shí)依據(jù)以下3條規(guī)則：
(1)在每一個(gè)繪圖指令的結(jié)尾加上標(biāo)志字節(jié)END，封裝成一個(gè)繪圖命令幀。一個(gè)完整的繪圖命令幀包括繪圖指令碼、繪圖函數(shù)參數(shù)以及END標(biāo)志。標(biāo)志字節(jié)END的編碼為0x55；
(2)在幀數(shù)據(jù)（指令的有效數(shù)據(jù)）中的某一個(gè)字節(jié)如果與END（0x55）相同，則將這個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)換為（0xDE，0xCF）的2字節(jié)序列。其中0xDE稱為轉(zhuǎn)義字符TRANS，0xCF為數(shù)據(jù)與END標(biāo)志相同時(shí)轉(zhuǎn)義后的替換符TRANS_REP。
(3)如果幀數(shù)據(jù)中某個(gè)字節(jié)與轉(zhuǎn)義字符（0xDE）本身相同，則將其更換為（0xDE，0xDE）2字節(jié)序列。
    如果不考慮轉(zhuǎn)義字符，一個(gè)完整的繪圖命令幀格式如下：

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其中：CMD指令碼，P1－Pn為n個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。例如畫水平線函數(shù)對(duì)應(yīng)的命令幀中的字符依次為：0xCA, X0_H, X0_L, Y_H, Y_L, X1_H, X1_L, CLR。其中0xCA為指令碼（對(duì)每個(gè)函數(shù)唯一），之后的6個(gè)為坐標(biāo)參數(shù)，CLR為顏色。
2．2 接收狀態(tài)機(jī)
單片機(jī)的接收中斷處理采用接收狀態(tài)機(jī)機(jī)制，狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。
三個(gè)狀態(tài)的含義為：
狀態(tài)0: 準(zhǔn)備接收一幀數(shù)據(jù)
狀態(tài)1: 正在接收一幀數(shù)據(jù),且上一次接收到的字節(jié)不是轉(zhuǎn)義字符
狀態(tài)2: 正在接收一幀數(shù)據(jù),且上一次接收到的字節(jié)是轉(zhuǎn)義字符
接收一個(gè)字節(jié)后，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和接收到的字符a，進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并舍棄轉(zhuǎn)義字符等多余字節(jié)，將有效數(shù)據(jù)放入接收緩沖數(shù)組。當(dāng)接收到有效的結(jié)束符END后，單片機(jī)將置緩沖滿標(biāo)志。單片機(jī)讀到該標(biāo)志，即可分析緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)顯示操作，并在操作后，清除緩沖滿標(biāo)志并向嵌入式系統(tǒng)的主CPU發(fā)出可以接收數(shù)據(jù)的應(yīng)答字符（0x55）。
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3．圖形用戶界面（GUI）程序設(shè)計(jì)
前述設(shè)計(jì)已能滿足簡(jiǎn)單的顯示要求。在此基礎(chǔ)上本文使用C語(yǔ)言編寫了通用的GUI程序，設(shè)計(jì)出類VB的包含窗體和簡(jiǎn)單控件的界面，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的可視化的操作：如按鈕按壓、文本輸入、標(biāo)簽顯示、選擇框選擇、軟件菜單、窗體加載、位圖顯示、控件的Tab聚焦等。程序采用分層和模塊化的思想，其分層結(jié)構(gòu)如圖3所示。這樣，可以減少程序間的耦合，便于程序的完善和升級(jí)。
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3．1 邏輯設(shè)備層基本繪圖函數(shù)（LD.C）
最底層的硬件設(shè)備層的繪圖函數(shù)（HD.C）是顯示命令幀的發(fā)送，采用液晶屏的絕對(duì)坐標(biāo)（屏左上角為坐標(biāo)零點(diǎn)）繪圖，邏輯設(shè)備層的函數(shù)則是基于用戶定義的當(dāng)前“窗口”相對(duì)坐標(biāo)（窗口左上角為坐標(biāo)零點(diǎn)）繪圖，窗口的位置任意。這里說(shuō)的“窗口”就是當(dāng)前顯示的可操作范圍，也稱為“窗口上下文”。
繪圖工具函數(shù)是一些內(nèi)聯(lián)函數(shù)和宏定義，創(chuàng)建當(dāng)前的窗口上下文，完成絕對(duì)坐標(biāo)與相對(duì)坐標(biāo)相互轉(zhuǎn)換，進(jìn)行繪圖元素的移動(dòng)、復(fù)制，設(shè)置字間距、行間距等。基于窗口裁減的繪圖函數(shù)調(diào)用各種繪圖工具函數(shù)和硬件設(shè)備層的繪圖函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、線、漢字、字符、平面和3D矩形框的繪制，位圖加載等,并將超出窗口范圍的部分裁減掉（忽略不畫）。
3．2 窗體/控件的設(shè)計(jì)
窗體（Form）和控件全部由結(jié)構(gòu)體來(lái)定義。簡(jiǎn)單控件的共性是均為矩形框（平面的或3D的），所以都可以由公共結(jié)構(gòu)體Gwidget加上各自的個(gè)性化屬性和行為方式派生得到。控件屬性（或狀態(tài)）包括：按下/彈起（對(duì)Button控件）、聚焦/失去焦點(diǎn)、允許/禁止接受用戶輸入（區(qū)分Label和Text）等。基于GWidget可以派生Button、Label、Text、SelBox、menu等控件。Gwidget結(jié)構(gòu)體成員包括“窗口”信息、控件ID(唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)控件)、控件屬性/狀態(tài)、控件邊界寬度（實(shí)現(xiàn)3D顯示）、默認(rèn)的控件消息響應(yīng)函數(shù)指針(如ButtonOnMsg)。
窗體（Form）既是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，又是控件的容器，用于管理屬于它的所有控件并傳遞和響應(yīng)消息。其結(jié)構(gòu)體成員主要有：窗口上下文、消息響應(yīng)函數(shù)指針、標(biāo)題字符串指針、所含的控件數(shù)組指針、所含控件數(shù)、當(dāng)前聚焦的控件ID等。
3．3 GUI消息響應(yīng)機(jī)制
針對(duì)具體的應(yīng)用要求，可以設(shè)計(jì)出各種各樣的窗體（界面），每一個(gè)窗體包含多個(gè)控件。有的控件可以接受用戶字符串和數(shù)字輸入（Text控件）。這些窗體通過(guò)軟件菜單組織起來(lái)。菜單為多叉樹結(jié)構(gòu)，最下一級(jí)菜單指向一個(gè)窗體或執(zhí)行某個(gè)功能。同一級(jí)菜單包含并管理一個(gè)或多個(gè)菜單項(xiàng)。菜單結(jié)構(gòu)體成員主要有：包含各菜單項(xiàng)的數(shù)組指針、菜單項(xiàng)個(gè)數(shù)、指向上級(jí)菜單的指針（可以為空）等，而菜單項(xiàng)結(jié)構(gòu)體則包含指向下一級(jí)菜單的指針（可以為空）、指向一個(gè)窗體的指針（可以為空）、消息響應(yīng)函數(shù)指針等。主程序和GUI之間的消息傳遞（或函數(shù)調(diào)用）機(jī)制如圖4所示，虛線空心箭頭指示消息的傳遞方向。
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4．結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的液晶顯示單元具有RS-232接口，不僅在接入嵌入式系統(tǒng)方面提供了方便，也為在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，使用PC機(jī)并行地進(jìn)行顯示軟件設(shè)計(jì)提供了途徑。用C語(yǔ)言編寫的GUI程序可以方便地移植到各種基于嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用中，占用空間小，使用簡(jiǎn)單，通用性好，能滿足一些較復(fù)雜界面顯示的要求，其已經(jīng)在筆者開發(fā)的多個(gè)嵌入式系統(tǒng)中得到應(yīng)用。