STM32處理器的便攜式人機界面系統(tǒng)設計

　　摘要：設計應用于全站儀測量計算的基于STM32處理器的便攜式人機界面系統(tǒng)。采用了處理器IO口模擬總線時序和外掛SPI接口Flash存儲字庫的方法，將字庫存儲在外部的SPI接口Flash中，在使用時再從字庫中查詢調出，有效地減少了內部存儲器的消耗。完成了基于ARM最新Cortex—M3處理器漢字顯示系統(tǒng)的硬件電路設計和軟件程序設計。實現了可以自定義漢字字庫的人機界面系統(tǒng)。

　　在全站儀應用于飛機的測量過程中，常會涉及到計算，以滿足不同的應用環(huán)境與測量要求，以往的方式是測量后期編輯軟件在計算機上實現，現代測量迫切需要一種便攜式手持計算系統(tǒng)，來完成實時的測量要求，而這一系統(tǒng)中中文人機界面成為一種事實上的行業(yè)標準。實現顯示漢字的TFT液晶和可輸入數字的小鍵盤已成為智能設備必不可少的組成部分。同時作為便攜式設備基本要求的低功耗特性也貫穿于中文人機界面的設計始終。這種低功耗中文人機交互界面需要在選取處理器和具體元器件上有特殊考慮。微功耗、高性能應作為選擇相關器件的首要要求。本文選用了意法半導體公司基于ARM最新Cortex—M3內核的STM32F103RB作為主控芯片，通過選擇合適的液晶模塊，構建了一個高性能低功耗的中文人機界面系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)的工作原理

　　本系統(tǒng)以STM32F103RBT6為核心，采用晶彩光電的AM240320TFT液晶屏作為顯示器，完成內容的顯示，由于STM32F103RBT6內部Flash為128 K，如果用來儲存漢字字庫，對芯片資源是一種極大的浪費，所以本文中采用微控制器外掛SPI接口Flash的設計思路，將不用重復改變的中文字庫存放在外部Flash芯片里面，需要時再通過SPI口調入處理器。由于STM32F103RBT6不帶有FSMC，所以采用軟件模擬總線的方法，完成對液晶模塊的驅動。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 供電部分電路

　　由于整個系統(tǒng)采用3.3 V供電，所以必須外部穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定到3.3 V，本設計中采用三端穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3，將外部電池電壓穩(wěn)定為3.3 V位系統(tǒng)提供電源，為處理器、液晶顯示器、SPI Flash供電，采用二極管IN4007串接在電源正極，為系統(tǒng)提供電源反接保護。供電部分原理圖如圖1所示。

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　　2.2 液晶顯示部分電路設計

　　液晶顯示部分主要由微控制器驅動液晶顯示模塊完成人機界面狀態(tài)的顯示，通過發(fā)送命令字，完成液晶模塊的初始化以及漢字的顯示。

　　2.2.1 STM32F系列ARM微控制器的特點

　　STM32處理器采用ARM公司最新的V7體系架構的內核Cortex—M3，它的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三，同時集成了分支預測，單周期乘法，硬件除法等功能，大大地提高了處理器的數據處理能力，同時采用最新的Thumb-2指令集，有效地降低了代碼的密度，提高了程序的執(zhí)行效率，通過對功耗和性能的分析，本文中采用的處理器為STM32F103RBT6，該處理器工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器(高達128 K字節(jié)的閃存和20 K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯接到2條APB總線的外設。供電電壓2.0～3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求，達到了性能和功耗的平衡。

　　2.2.2 TFT液晶顯示模塊的特點

　　TFT液晶顯示屏是薄膜晶體管型液晶顯示屏。TFT液晶為每個像素都設有一個半導體開關，每個像素都可以通過點脈沖直接控制，因而每個節(jié)點都相對獨立，并可以連續(xù)控制。不僅提高了顯示屏的反應速度，同時可以精確控制顯示色階，所以TFT液晶的色彩更真。

　　由于大多數帶有LCD控制器的ARM處理器都沒有內部的程序存儲器和數據存儲器，而一般的Cortex—M3內核微控制器都不帶有專門的LCD控制器，對于不帶有LCD控制器的系統(tǒng)，一般長常用Intel 8080接口或者Motorola的6800接口，本系統(tǒng)中采用STM32高速的IO口模擬8080接口時序。綜上所述，選用的TFT液晶必須滿足兩個條件，第一，帶有獨立的顯存。第二，帶有8080接口。設計中采用了臺灣采用晶彩光電的AM2403 20TFT液晶屏，它的主控制芯片為ILI9320，自帶總大小為172 820(24Ox320x18/8)的顯存，模塊的16位數據線與顯寸的對應關系為565方式，它支持包括8080接口在內多種控制輸入信號。

　　STM32采用外部8 MHz的晶振作為輸入時鐘，內部鎖相環(huán)將時鐘倍頻到72MHz作為系統(tǒng)時鐘，采用GPIO口模擬8080時序并行驅動2.8寸TFT屏，顯示部分的處理器和液晶顯示器的硬件電路接口電路如圖2所示。

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　　2.3 SPI接口Flash存儲疊的特點

　　由于在本系統(tǒng)中整個的漢字字庫需要存儲在外部Flash中，所以需要選擇一種Flash存儲芯片，Flash芯片選擇需要滿足以下要求。第一，盡量占用少的IO口，因為液晶顯示器已經采用了并行接口，如果繼續(xù)選用并行接口的Flash，對芯片的IO消耗較大，這樣勢必要選用IO更多的芯片，對于便攜式設備來說，這是不合理的，所以本系統(tǒng)的設計過程中選用的Flash為SST公司的SST25VF080B，它采用SPI接口，SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現在越來越多的芯片集成了這種通信協議，本文中的SPI Flash采用美國SST公司的SST25VF080B芯片，容量為8 M位，它工作電壓范圍為2.7～3.6 V，工作在SPI模式0或者模式3，最高工作在50MHz，最小擦除單位為4K字節(jié)的扇區(qū)，可擦寫10萬次，數據保持100年以上。而STM32F103RBT6帶有高速的硬件SPI接口，可以很方便與SST25VF080B連接通信。所以我們采用SPI Flash來完成對漢字字庫的存儲，字庫存儲部分的硬件電路接口圖如圖3所示。