C8051F120核心的嵌入式彩色顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

引言

嵌入式設(shè)備憑借其與使用者之間的親和力、自然的人機(jī)交互界面，得到了迅速的發(fā)展，滲透到生活中的各個(gè)角落。本文介紹的設(shè)計(jì)方法是以高性能的8位單片機(jī)C8051F120作為核心處理器，SRAM作為系統(tǒng)的顯存，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)時(shí)序轉(zhuǎn)換，構(gòu)建低溫(-10℃)下嵌入式顯示系統(tǒng)。通過(guò)PC機(jī)鍵盤(pán)和觸摸屏實(shí)現(xiàn)界面操作，最終在液晶顯示器上顯示國(guó)標(biāo)一/二級(jí)漢字、ASCII字符和65 536色的彩色圖形和圖片，并制作了簡(jiǎn)單的操作界面。

1 系統(tǒng)工作原理

顯示漢字、英文字符和彩色圖形的過(guò)程就是將字符和圖形信息轉(zhuǎn)換成液晶顯示器可以顯示的點(diǎn)陣信息。為了顯示字符，可以將ASCII碼字符點(diǎn)陣字庫(kù)和按區(qū)位碼排列的漢字點(diǎn)陣字庫(kù)存儲(chǔ)在單片機(jī)外接的Flash ROM中(構(gòu)成點(diǎn)陣數(shù)據(jù)區(qū))，并且將程序中用到的字符以機(jī)內(nèi)碼的形式存儲(chǔ)在Flash ROM中(構(gòu)成文本數(shù)據(jù)區(qū))。顯示時(shí)，單片機(jī)將漢字機(jī)內(nèi)碼從文本數(shù)據(jù)區(qū)讀出，轉(zhuǎn)換成FlashROM中點(diǎn)陣數(shù)據(jù)區(qū)的字庫(kù)地址，通過(guò)該地址讀出字符的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成液晶顯示器可顯示的數(shù)據(jù)并送給后續(xù)電路處理和顯示。這樣在操作過(guò)程中可以顯示包括國(guó)標(biāo)一/二級(jí)漢字、大小寫(xiě)英文字符、標(biāo)點(diǎn)和數(shù)字等多種字符。顯示彩色圖形的時(shí)候，由于圖片的存儲(chǔ)空間要求比較大，系統(tǒng)中沒(méi)有足夠的空間，可以將PC機(jī)內(nèi)bmp格式的彩色圖片經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)化以后，通過(guò)串口送給單片機(jī)實(shí)時(shí)處理并顯示。

液晶顯示器工作頻率為4.5～6.8MHz，并且需要復(fù)雜的工作時(shí)序?？紤]到單片機(jī)的工作速度和液晶顯示器的工作頻率，一方面，液晶顯示器在工作頻率下不斷刷新才能工作，需要傳送大量的顯示數(shù)據(jù)和控制信息;另一方面，單片機(jī)要完成許多處理工作，即使工作在100MHZ，也將成為系統(tǒng)運(yùn)行速率的瓶頸。為了解決這個(gè)問(wèn)題，再次加入一塊SRAM作為顯存，加入一塊FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)序轉(zhuǎn)換并控制和刷新液晶顯示器。FP GA分時(shí)地讀/寫(xiě)SRAM，F(xiàn)PGA在時(shí)鐘的作用下，一半時(shí)間內(nèi)(時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí))從SRAM中讀出數(shù)據(jù)，不斷刷新液晶顯示器;另一半時(shí)間內(nèi)(時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí))，如果單片機(jī)有送來(lái)要顯示的數(shù)據(jù)時(shí)，將此數(shù)據(jù)寫(xiě)入SRAM中。分時(shí)操作的使用，能在不間斷地刷新液晶顯示器的同時(shí)，接收并存儲(chǔ)單片機(jī)的數(shù)據(jù)，使兩方面的工作互不影響，不僅減輕單片機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，而且充分發(fā)揮了FPGA的性能。

選擇附有觸摸屏的液晶顯永器，將觸摸屏外接手寫(xiě)識(shí)別控制器，就可以增加手寫(xiě)識(shí)別功能，可提供友好的人機(jī)交互界面。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在本嵌入式顯示系統(tǒng)中，采用了夏普公司型號(hào)為L(zhǎng)Q0357DH01的液晶顯示器，工作溫度范圍在-10～70℃，最低工作溫度相對(duì)更低一些。

顯示模塊由一個(gè)彩色主動(dòng)點(diǎn)陣式LCD模塊和無(wú)定形硅TFT構(gòu)成，因此可稱(chēng)為AD-TFT(ADVANCED TFT)。它由彩色TFT-LCD面板、IC驅(qū)動(dòng)、FPC、背光、電阻式觸摸屏和背部密封盒組成，但是模塊不包括控制電路。顯示屏工作頻率為4.5～6.8 MHz，分辨率為240×320像素，色彩位深為18位。圖形和文本能以262 11 4種顏色顯示在240x 320點(diǎn)陣的顯示屏上。但是考慮單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為8位，為了簡(jiǎn)化操作過(guò)程，可將色彩深度確定為16位，單片機(jī)分兩次發(fā)送每個(gè)像素的顏色數(shù)據(jù)。這樣的簡(jiǎn)化操作也可以滿(mǎn)足顯示65 536色彩色圖形的要求。

為了提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度，采用型號(hào)為C8051F120的高性能8位單片機(jī)作為處理器。C8051F120使用SILICON Labs公司的專(zhuān)利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。C8051F120可穩(wěn)定工作的最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為100 MHz，峰值性能達(dá)到100MIPS。

Flash采用的是M29W400BB(512K×8位)，它是一種可讀、可擦除、可重復(fù)編程的Flash。FPGA采用XILINX公司Spartan-II系列產(chǎn)品XC2S1 00。XC2S100是一款具有10萬(wàn)系統(tǒng)門(mén)的FPGA，在邏輯門(mén)數(shù)上能為系統(tǒng)提供足夠的邏輯電路，144引腳封裝形式的XC2S100可提供103個(gè)I/O端口，為系統(tǒng)器件提供足夠的I/O口資源。

關(guān)于SRAM的選擇，考慮到液晶顯示器的分辨率為240×320像素，每個(gè)像素點(diǎn)可顯示65 536色(16位)，因此顯存的大小至少為240×320× 2B=150 KB。加入一塊512 KB的SRAM CY7C1041BV33作為顯存即可。CY7C1041BV33可以工作在字(word)操作模式下，方便顯示數(shù)據(jù)的存取，刷新液晶的過(guò)程中可將SRAM中的每個(gè)字與液晶的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)。

手寫(xiě)識(shí)別采用型號(hào)為ePH1200AQ的手寫(xiě)識(shí)別微控制器。ePH1200AQ硬件上集成了8位RISC微控制器、觸摸屏驅(qū)動(dòng)器、接口UART、4 KB SRAM、32K字編程ROM和512K字?jǐn)?shù)據(jù)ROM;軟件上則包含手寫(xiě)識(shí)別內(nèi)核、字符集和筆跡收集軟件。當(dāng)微控制器與外部觸摸屏相連接的時(shí)候，就可以組成手寫(xiě)識(shí)別應(yīng)用產(chǎn)品，比如SMS、移動(dòng)電話(huà)或者手寫(xiě)輸入設(shè)備。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)和FPGA兩個(gè)部分。本文主要介紹單片機(jī)部分的軟件設(shè)計(jì)。

單片機(jī)完成的功能包括循環(huán)查詢(xún)兩個(gè)串口是否接收到新的數(shù)據(jù)，當(dāng)某個(gè)串口接收到新的數(shù)據(jù)時(shí)，便采取相應(yīng)含義的操作。顯示字符時(shí)，讀出Flash ROM中的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理后送給FPGA;顯示圖形時(shí)，按照沒(méi)定的圖形軌跡畫(huà)出點(diǎn)。

單片機(jī)在主程序中循環(huán)查詢(xún)兩個(gè)串口是否接收到新的數(shù)據(jù)，當(dāng)任意一個(gè)串口產(chǎn)生中斷時(shí)，根據(jù)串口接收到數(shù)據(jù)的含義，采取相應(yīng)的操作。

3.1 字符顯示原理

UCDOS軟件中的文件HZK16與文件ASC16分別為1 6×1 6的國(guó)標(biāo)漢字點(diǎn)陣文件和8×1 6的ASCII碼點(diǎn)陣文件，以二進(jìn)制格式存儲(chǔ)。在文件HZK 16中，按漢字區(qū)位碼從小到大依次存有國(guó)標(biāo)區(qū)位碼表中的所有漢字，每個(gè)漢字占用32個(gè)字節(jié)(16×16的漢字點(diǎn)陣)，每個(gè)區(qū)為94個(gè)漢字。在文件ASC16中按ASCII碼從小到大依次存有8×1 6的ASCII碼點(diǎn)陣，每個(gè)ASCII碼占用1 6個(gè)字節(jié)。

在PC機(jī)的文本文件中，漢字是以機(jī)內(nèi)碼的形式存儲(chǔ)的，每個(gè)漢字占用兩個(gè)字節(jié)。第一個(gè)字節(jié)為區(qū)碼，為了與ASCII碼區(qū)別，范圍從十六進(jìn)制的0A1H開(kāi)始(小于80H的為ASCII碼字符)，對(duì)應(yīng)區(qū)位碼中區(qū)碼的第一區(qū);第二個(gè)字節(jié)為位碼，范圍也是從0A1H開(kāi)始，對(duì)應(yīng)某區(qū)中的第一個(gè)位碼。這樣，將漢字機(jī)內(nèi)碼減去0A0A0H就得該漢字的區(qū)位碼。例如漢字“我”的機(jī)內(nèi)碼為十六進(jìn)制的“CED2”，其中“CE”表示區(qū)碼，“D2”表示位碼。所以“我”的區(qū)位碼為0CED2H-0A0A0H=2E32H。將區(qū)碼和位碼分別轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制得漢字“我”的區(qū)位碼為“4650”，即“房”的點(diǎn)陣位于第46區(qū)的第50個(gè)字的位置，相當(dāng)于在文件HZK16中的位置為第32×[(46-1)×94+(50-1)]=67136 B以后的32個(gè)字節(jié)為“我”的顯示點(diǎn)陣。

依次讀出每個(gè)字節(jié)，每讀出一個(gè)字節(jié)，并提取該字節(jié)中的每一位，如果某位是“1”，則給該位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)送入兩個(gè)字節(jié)的字體顏色數(shù)據(jù)，如(0x0000，黑色);如果某位是“0”，則給該位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)送入兩個(gè)字節(jié)的底色數(shù)據(jù)，如(0xffff，白色)。當(dāng)發(fā)送完32個(gè)字節(jié)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)后(總共發(fā)送的顏色數(shù)據(jù)為32B×8dot×2B=512 B)液晶屏上便會(huì)顯示底色為白色，字體顏色為黑色的漢字。液晶顯示器的色彩深度為16位，每個(gè)像素可顯示65 536色。SRAM工作在字(word)操作模式下，將SRAM中的每個(gè)字與液晶顯示器的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)。比如將液晶顯示器第一行第一列的點(diǎn)與SRAM的0x0000地址對(duì)應(yīng)，第一行第二列的點(diǎn)與0x0001地址對(duì)應(yīng)，依次類(lèi)推。

3.2 通過(guò)PC機(jī)鍵盤(pán)進(jìn)行界面操作

通過(guò)PC機(jī)鍵盤(pán)進(jìn)行界面操作時(shí)，使用電腦軟件將鍵盤(pán)的操作鍵值通過(guò)PC機(jī)串口發(fā)送給單片機(jī)串口0，單片機(jī)串口0每中斷一次接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)可分為3種情況：數(shù)值大于0xA0時(shí)，說(shuō)明該字節(jié)是某漢字兩字節(jié)數(shù)據(jù)中的一個(gè)字節(jié);數(shù)值為0x20～0x7f時(shí)，表示該字節(jié)是可打印的ASCII碼字符;數(shù)值小于0x20時(shí)，表示該字節(jié)是不可打印的數(shù)值，可用這36個(gè)數(shù)值作為界面操作的控制命令字節(jié)。連續(xù)接收完兩個(gè)數(shù)值大于0xA0數(shù)據(jù)時(shí)，就可以轉(zhuǎn)換成某個(gè)漢字;每接收到一個(gè)數(shù)值為0x20～0x7f的數(shù)據(jù)時(shí)，就可以轉(zhuǎn)換成某個(gè)ASCII碼字符;每接收到一個(gè)數(shù)值小于0x20的數(shù)據(jù)時(shí)，就可以翻譯成某個(gè)操作命令，進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。

3.3 通過(guò)觸摸屏進(jìn)行界面操作

通過(guò)觸摸屏進(jìn)行界面操作時(shí)，手寫(xiě)識(shí)別微控制器ePH1200AQ將手寫(xiě)的軌跡封包后發(fā)送到單片機(jī)的串口1。操作過(guò)程中的數(shù)據(jù)主要包括輸入漢字時(shí)，識(shí)別輸入的筆畫(huà)，向單片機(jī)發(fā)送候選字;畫(huà)圖時(shí)，實(shí)時(shí)發(fā)送屏幕觸點(diǎn)的坐標(biāo);觸控時(shí)，發(fā)送觸控點(diǎn)的坐標(biāo)。

識(shí)別型態(tài)命令(0x10)的識(shí)別型態(tài)定義值定義了可以識(shí)別的字集，包括漢字一/二級(jí)字庫(kù)、大小寫(xiě)英文字母、數(shù)字、符號(hào)、預(yù)設(shè)手勢(shì)、平假名和片假名。

ePH1200AQ與單片機(jī)串口1通信，發(fā)送的是命令封包，需要考慮封包的幀定位，確定封包的包頭和包尾。表1中的命令格式中，封包長(zhǎng)度最長(zhǎng)的命令為“發(fā)送候選字陣列”命令(命令代碼為0x18)，ePH1200AQ發(fā)送的候選字個(gè)數(shù)最多為10個(gè)，每個(gè)候選字為兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，該命令的最大長(zhǎng)度為25字節(jié)，可創(chuàng)建一個(gè)具有25個(gè)元素的數(shù)組(uartl_RX_buffer[25])作為命令緩存。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種以C8051F120作為核心處理器的嵌入式彩色圖形顯示系統(tǒng)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)、接口電路簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)。該系統(tǒng)集成度高，攜帶方便，實(shí)用性強(qiáng)，在很多領(lǐng)域都具有應(yīng)用性，具有一定的研究和應(yīng)用價(jià)值。