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

　　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。考慮到單片機(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，將觸摸屏外接手寫識(shí)別控制器，就可以增加手寫識(shí)別功能，可提供友好的人機(jī)交互界面。由上述分析可以畫出系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

　　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)門的FPGA，在邏輯門數(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)。

　　手寫識(shí)別采用型號(hào)為ePH1200AQ的手寫識(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，就可以組成手寫識(shí)別應(yīng)用產(chǎn)品，比如SMS、移動(dòng)電話或者手寫輸入設(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)定的圖形軌跡畫出點(diǎn)。

　　單片機(jī)在主程序中循環(huán)查詢兩個(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。主函數(shù)流程如圖2所示。

　　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。漢字“我”的顯示結(jié)果如圖3所示。

　　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)，依次類推。

　　3．2 通過(guò)PC機(jī)鍵盤進(jìn)行界面操作

　　通過(guò)PC機(jī)鍵盤進(jìn)行界面操作時(shí)，使用電腦軟件將鍵盤的操作鍵值通過(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；