基于Cortex-M3的TFT觸摸屏在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 引言
    觸摸屏是一種新型的電子輸入設(shè)備，是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式，它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備。將ARM Cortex-M3內(nèi)核和TFT觸摸屏結(jié)合在一起，以環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)為應(yīng)用，對ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核進行了分析，并研究了Cortex-M3內(nèi)核驅(qū)動TFT液晶屏幕的可行性。

1 系統(tǒng)工作原理
    無線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體的設(shè)計框圖如圖1所示。以基于第二代Cortex-M3內(nèi)核的LPC1758為核心，以TFT觸摸屏為顯示和控制單元，以2．4 GHz無線模塊為通信單元，合理移植μCOS-II系統(tǒng)，對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測和控制。

2 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 電源方案
    硬件電路降壓穩(wěn)壓電路采用降壓穩(wěn)壓芯片SPXlll7-3．3 V。電路在啟動過程中會產(chǎn)生較大的沖擊電流，會對其他電路造成電磁干擾，系統(tǒng)在電源中增加容值較大的電解電容以滿足系統(tǒng)中各項要求。降壓穩(wěn)壓電路如圖2所示。

    硬件電路升壓穩(wěn)壓電路是為TFT液晶屏提供直流12 V電壓驅(qū)動而設(shè)計的。該電路選用PT4102芯片，PT4102是一款由單節(jié)鋰電池(持續(xù)電流)來驅(qū)動至多個串聯(lián)LED的升壓轉(zhuǎn)換器，采用固定頻率電流模式來調(diào)節(jié)LED電流，并通過一個外部電流監(jiān)測電阻來測量此電流，95 mV的低反饋電壓可降低功耗和提高效率，PT4102還含有電流限制以避免在輸出過載時對器件造成損害。升壓穩(wěn)壓電路如圖3所示。
2．2 MCU方案
    基于CorteX-M3的MCU選用的是荷蘭Philips公司LPCI000系列的LPC1758。運行頻率高達100 MHz，支持8個區(qū)域的存儲器保護單元(MPU)，高達512 KB片內(nèi)FLASH程序存儲器。增強型的FLASH存儲器加速器使能高速的100 MHz操作，而無需等待狀態(tài)(with zero wait states)?；ミB的多層AHB矩陣為每個AHB主機提供獨立的總線。這種互連所提供的通信不會有仲裁延時分開的APB總線允許高吞吐量，幾乎不會在CPU和DMA之間出現(xiàn)中止。
    系統(tǒng)采用12 MHz的無源晶振，為了保證晶振的諧振頻率和輸出幅度，在晶振的兩個引腳上加入了兩個22 pF的負載電容。在不影響電路正常工作的情況下，為了簡化電路設(shè)計，沒有將數(shù)字電路和模擬電路區(qū)分開來，VDDA與VDD直接相連、GNDA與GND直接相連。但是為了追求更優(yōu)秀的模擬性能(ADC和模擬比較器模塊)，可以另外安排一路3．3 V電源，連接到VDDA和GNDA，使其與VDD和GND分開。LPC1758部分電路圖如圖4所示。

    系統(tǒng)采用如圖5所示的RC復(fù)位電路。復(fù)位電路中的二極管是為了解決電源毛刺和電源緩慢下降等問題，而104電容可避免高頻諧波對電路的干擾。
2．3 TFT觸摸屏方案
    TFT液晶顯示方案包括觸摸控制和液晶顯示兩個部分。為了保證顯示的速度要求和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，觸摸屏控制器選用的是TI公司的TSC20 46，該控制器為SPI接口，具有觸摸中斷功能，性價比很高。而液晶屏選用的是SPFD5408A，該屏幕為3．5英寸，具有高速8，9，16，18位并行接口?？梢燥@示16位和18位的RGB色彩。
    觸摸屏控制電路主要是TSC2046的外圍電路。MISO，MOSI是TSC2046與MCU之間的信號線。SCK是時鐘線。X+／-，Y+／-是觸摸屏的信號，INT中觸摸中斷信號。VCC和VCCl是電路的供電信號。在輸入引腳為了保證電源的波形穩(wěn)定性，避免高頻諧波對TSC2046的干擾，加入了1個0．1μF的濾波電容。觸摸屏控制電路如圖6所示。

    TFT液晶顯示電路包括模式選擇，16位接口，觸摸屏接口三個部分。SPFD5408A接口模式有7種模式，本設(shè)計中用的是16位并行接口模式。X+／-，Y+／-是四線電阻式觸摸屏的輸出線。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)
    為了提高系統(tǒng)的性能和滿足多任務(wù)處理的要求，系統(tǒng)中合理地移植了μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)。
    μCOS-Ⅱ可以簡單地看作是一個多任務(wù)的調(diào)度器，在這個任務(wù)調(diào)度器之上完善并添加了很多任務(wù)操作系統(tǒng)相關(guān)的一些系統(tǒng)服務(wù)。μCOS-Ⅱ 90％的代碼用C語言編寫，具有可移植性。移植工作的絕大部分都集中在多任務(wù)切換的實現(xiàn)上，因為這部分代碼主要是用來保存和恢復(fù)處理器現(xiàn)場(即相關(guān)寄存器)，因此不能用C語言，只能使用特定的處理器匯編語言完成。為了使適時內(nèi)核μCOS-Ⅱ能在Cortex-M3處理器上運行，同時為了保證代碼不依賴于編譯器和良好的擴展性。采用了不依賴于編譯器的數(shù)據(jù)類型，使用軟中斷SWI作為底層接口。移植μCOS-Ⅱ到Cortex-M3內(nèi)核需要3個文件：C語言頭文件(OS_CPU．H)，C程序源文件(OS_CPU_C．C)，匯編程序源文件(OS_CPU_A．ASM)。除此之外，還有一個文件定義的匯編宏也是移植的重點，它是μCOS-Ⅱ為Cortex-M3通用的中斷服務(wù)程序的匯編和C函數(shù)的接口代碼。

    OS_CPU．H中包含兩部分的代碼，數(shù)據(jù)類型定義代碼和與處理器相關(guān)的代碼。其中數(shù)據(jù)類型重定義代碼是用C語言中short，int，long等，數(shù)據(jù)類型是與特定的處理器相關(guān)的，因此在μCOS-Ⅱ重新定義為移植性很強的定義方式。在OS_CPU．H剩下的部分是移植必須定義底層函數(shù)的聲明。在LPC1758的移植中為了使底層接口函數(shù)與處理器的狀態(tài)無關(guān)，同時使任務(wù)調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)不需要知道函數(shù)的位置。在本移植中使用軟中斷指令SWI作為底層接口，使用不同的功能號來區(qū)分各函數(shù)。調(diào)用這些底層函數(shù)，只需要使用一條SWI指令并跟上一個功能號來區(qū)別你要調(diào)用那個函數(shù)即可。任務(wù)切換函數(shù)為OS_TASK_SW(void)，并使用軟中斷0x00。CPU_C．C中主要是軟中斷的實現(xiàn)和底層函數(shù)的實現(xiàn)及初始化任務(wù)堆棧函數(shù)的實現(xiàn)，其偽代碼如下：

    處理器能支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲硬件堆棧；用C語言可以開中斷／關(guān)中斷，根據(jù)不同的Num值跳轉(zhuǎn)到不同的底層服務(wù)函數(shù)地址。
    系統(tǒng)的應(yīng)用程序包括三個任務(wù)：實時顯示屏幕數(shù)據(jù)任務(wù)，采集數(shù)據(jù)函數(shù)，觸摸屏響應(yīng)任務(wù)。設(shè)計中采用了任務(wù)嵌套的方式，將數(shù)據(jù)采集和觸摸屏響應(yīng)嵌套到實時顯示屏幕數(shù)據(jù)任務(wù)之中，這樣數(shù)據(jù)在各個任務(wù)之間的傳遞很有邏輯性，整個系統(tǒng)比較健壯。任務(wù)間的通信如圖8所示。

    移植μCOS-Ⅱ是為了在自己系統(tǒng)中使用μ肛COS-Ⅱ，要在自己的系統(tǒng)中使用μCOS-Ⅱ編寫應(yīng)用程序。應(yīng)用程序包括相應(yīng)的頭文件，任務(wù)堆棧的宏文件和任務(wù)相關(guān)的文件。由于每個任務(wù)都是獨立的，所以堆棧部分的宏定義的代碼是應(yīng)用程序必須要有的。建立任務(wù)之前必須初始化任務(wù)并建立一個空閑的任務(wù)。在建立多任務(wù)時，必須通過OSTaskCreat()函數(shù)建立至少一個用戶任務(wù)。建立好任務(wù)后，利用OSStart()函數(shù)開始任務(wù)。應(yīng)用函數(shù)主函數(shù)如下：


4 結(jié)語
    利用LPC1758處理器成功驗證了采用ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的MCU驅(qū)動TFT觸摸屏的可能，包括以上硬件方案的提出和軟件系統(tǒng)移植的實現(xiàn)，TFT觸摸屏單元提供友好的人機界面，且具有堅固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點。隨著多媒體查詢的與日遞增，在未來的電子產(chǎn)品中，觸摸屏無疑將成為輸入設(shè)備的主流。