基于8位單片機C51的嵌入式顯示系統(tǒng)設計

　　引言

　　嵌入式設備憑借其與使用者之間的親和力、自然的人機交互界面，得到了迅速的發(fā)展，滲透到生活中的各個角落。本文介紹的設計方法是以高性能的8位單片機 C8051F120作為核心處理器，SRAM作為系統(tǒng)的顯存，FPGA實現(xiàn)時序轉換，構建低溫（-10℃）下嵌入式顯示系統(tǒng)。通過PC機鍵盤和觸摸屏實現(xiàn)界面操作，最終在液晶顯示器上顯示國標一/二級漢字、ASCII字符和65 536色的彩色圖形和圖片，并制作了簡單的操作界面。

　　1系統(tǒng)工作原理

　　顯示漢字、英文字符和彩色圖形的過程就是將字符和圖形信息轉換成液晶顯示器可以顯示的點陣信息。為了顯示字符，可以將ASCII碼字符點陣字庫和按區(qū)位碼排列的漢字點陣字庫存儲在單片機外接的Flash ROM中（構成點陣數(shù)據(jù)區(qū)），并且將程序中用到的字符以機內(nèi)碼的形式存儲在Flash ROM中（構成文本數(shù)據(jù)區(qū)）。顯示時，單片機將漢字機內(nèi)碼從文本數(shù)據(jù)區(qū)讀出，轉換成Flash ROM中點陣數(shù)據(jù)區(qū)的字庫地址，通過該地址讀出字符的點陣數(shù)據(jù)，進一步轉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。這樣在操作過程中可以顯示包括國標一/二級漢字、大小寫英文字符、標點和數(shù)字等多種字符。顯示彩色圖形的時候，由于圖片的存儲空間要求比較大，系統(tǒng)中沒有足夠的空間，可以將PC機內(nèi)bmp格式的彩色圖片經(jīng)過格式轉化以后，通過串口送給單片機實時處理并顯示。

　　液晶顯示器工作頻率為4.5～6.8 MHz，并且需要復雜的工作時序?？紤]到單片機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，單片機要完成許多處理工作，即使工作在100 MHz，也將成為系統(tǒng)運行速率的瓶頸。為了解決這個問題，再次加入一塊SRAM作為顯存，加入一塊FPGA實現(xiàn)時序轉換并控制和刷新液晶顯示器。FPGA 分時地讀/寫SRAM，F(xiàn)PGA在時鐘的作用下，一半時間內(nèi)（時鐘信號為高電平時）從SRAM中讀出數(shù)據(jù)，不斷刷新液晶顯示器；另一半時間內(nèi)（時鐘信號為低電平時），如果單片機有送來要顯示的數(shù)據(jù)時，將此數(shù)據(jù)寫入SRAM中。分時操作的使用，能在不間斷地刷新液晶顯示器的同時，接收并存儲單片機的數(shù)據(jù)，使兩方面的工作互不影響，不僅減輕單片機的工作負擔，而且充分發(fā)揮了FPGA的性能。

　　圖1系統(tǒng)框圖

　　選擇附有觸摸屏的液晶顯示器，將觸摸屏外接手寫識別控制器，就可以增加手寫識別功能，可提供友好的人機交互界面。由上述分析可以畫出系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

　　2系統(tǒng)硬件設計

　　在本嵌入式顯示系統(tǒng)中，采用了夏普公司型號為LQ0357DH01的液晶顯示器，工作溫度范圍在-10～70℃，最低工作溫度相對更低一些。

　　顯示模塊由一個彩色主動點陣式LCD模塊和無定形硅TFT構成，因此可稱為ADTFT（Advanced TFT）。它由彩色TFTLCD面板、IC驅動、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262 114種顏色顯示在240×320點陣的顯示屏上。但是考慮單片機的數(shù)據(jù)總線寬度為8位，為了簡化操作過程，可將色彩深度確定為16位，單片機分兩次發(fā)送每個像素的顏色數(shù)據(jù)。這樣的簡化操作也可以滿足顯示65 536色彩色圖形的要求。

　　為了提高整個系統(tǒng)的運行速度，采用型號為C8051F120的高性能8位單片機作為處理器。C8051F120使用Silicon Labs公司的專利CIP51微控制器內(nèi)核。CIP51與MCS51指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。 C8051F120可穩(wěn)定工作的最大系統(tǒng)時鐘頻率為100 MHz，峰值性能達到100 MIPS. Flash采用的是M29W400BB（512K×8位），它是一種可讀、可擦除、可重復編程的Flash.FPGA采用Xilinx公司 SpartanII系列產(chǎn)品XC2S100.XC2S100是一款具有10萬系統(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I/O端口，為系統(tǒng)器件提供足夠的I/O口資源。

　　關于SRAM的選擇，考慮到液晶顯示器的分辨率為240×320像素，每個像素點可顯示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，刷新液晶的過程中可將 SRAM中的每個字與液晶的每個像素對應。

　　手寫識別采用型號為ePH1200AQ的手寫識別微控制器。ePH1200AQ硬件上集成了8位RISC微控制器、觸摸屏驅動器、接口UART、4 KB SRAM、32K字編程ROM和512K字數(shù)據(jù)ROM；軟件上則包含手寫識別內(nèi)核、字符集和筆跡收集軟件。當微控制器與外部觸摸屏相連接的時候，就可以組成手寫識別應用產(chǎn)品，比如SMS、移動電話或者手寫輸入設備。

　　3系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件包括單片機和FPGA兩個部分。本文主要介紹單片機部分的軟件設計。

　　圖2主函數(shù)流程

　　單片機完成的功能包括循環(huán)查詢兩個串口是否接收到新的數(shù)據(jù)，當某個串口接收到新的數(shù)據(jù)時，便采取相應含義的操作。顯示字符時，讀出Flash ROM中的點陣數(shù)據(jù)，進行轉換和處理后送給FPGA；顯示圖形時，按照設定的圖形軌跡畫出點。

　　單片機在主程序中循環(huán)查詢兩個串口是否接收到新的數(shù)據(jù)，當任意一個串口產(chǎn)生中斷時，根據(jù)串口接收到數(shù)據(jù)的含義，采取相應的操作。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16×16的國標漢字點陣文件和8×16的ASCII碼點陣文件，以二進制格式存儲。在文件 HZK16中，按漢字區(qū)位碼從小到大依次存有國標區(qū)位碼表中的所有漢字，每個漢字占用32個字節(jié)（16×16的漢字點陣），每個區(qū)為94個漢字。在文件 ASC16中按ASCII碼從小到大依次存有8×16的ASCII碼點陣，每個ASCII碼占用16個字節(jié)。

　　在PC機的文本文件中，漢字是以機內(nèi)碼的形式存儲的，每個漢字占用兩個字節(jié)。第一個字節(jié)為區(qū)碼，為了與ASCII碼區(qū)別，范圍從十六進制的0A1H開始（小于80H的為ASCII碼字符），對應區(qū)位碼中區(qū)碼的第一區(qū)；第二個字節(jié)為位碼，范圍也是從0A1H開始，對應某區(qū)中的第一個位碼。這樣，將漢字機內(nèi)碼減去0A0A0H就得該漢字的區(qū)位碼。例如漢字“我”的機內(nèi)碼為十六進制的“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)碼和位碼分別轉換為十進制得漢字“我”的區(qū)位碼為“4650”，即“房”的點陣位于第46區(qū)的第50個字的位置，相當于在文件HZK16中的位置為第32×［（46-1）×94+（50-1）］=67136 B以后的32個字節(jié)為“我”的顯示點陣。

　　依次讀出每個字節(jié)，每讀出一個字節(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)對應的像素點送入兩個字節(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)對應的像素點送入兩個字節(jié)的底色數(shù)據(jù)，如（0xffff，白色）。當發(fā)送完32個字節(jié)的點陣數(shù)據(jù)后（總共發(fā)送的顏色數(shù)據(jù)為32B×8dot×2B＝512 B）液晶屏上便會顯示底色為白色，字體顏色為黑色的漢字。漢字“我”的顯示結果如圖3所示。

　　圖3漢字“我”的顯示結果

　　液晶顯示器的色彩深度為16位，每個像素可顯示65 536色。SRAM工作在字（word）操作模式下，將SRAM中的每個字與液晶顯示器的每個像素對應。比如將液晶顯示器第一行第一列的點與SRAM的 0x0000地址對應，第一行第二列的點與0x0001地址對應，依次類推。

　　3.2通過PC機鍵盤進行界面操作

　　通過PC機鍵盤進行界面操作時，使用電腦軟件將鍵盤的操作鍵值通過PC機串口發(fā)送給單片機串口0.單片機串口0每中斷一次接收到一個字節(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，說明該字節(jié)是某漢字兩字節(jié)數(shù)據(jù)中的一個字節(jié)；數(shù)值為0x20～0x7f時，表示該字節(jié)是可打印的ASCII碼字符；數(shù)值小于0x20時，表示該字節(jié)是不可打印的數(shù)值，可用這36個數(shù)值作為界面操作的控制命令字節(jié)。連續(xù)接收完兩個數(shù)值大于0xA0數(shù)據(jù)時，就可以轉換成某個漢字；每接收到一個數(shù)值為0x20～0x7f的數(shù)據(jù)時，就可以轉換成某個ASCII碼字符；每接收到一個數(shù)值小于0x20的數(shù)據(jù)時，就可以翻譯成某個操作命令，進行相應的控制操作。圖4為鍵盤接口操作中斷流程。

　　圖4鍵盤接口操作中斷流程

　　3.3通過觸摸屏進行界面操作

　　通過觸摸屏進行界面操作時，手寫識別微控制器ePH1200AQ將手寫的軌跡封包后發(fā)送到單片機的串口1.操作過程中的數(shù)據(jù)主要包括輸入漢字時，識別輸入的筆畫，向單片機發(fā)送候選字；畫圖時，實時發(fā)送屏幕觸點的坐標；觸控時，發(fā)送觸控點的坐標。ePH1200AQ的通信協(xié)議命令格式如表1所列。

　　表1 ePH1200AQ通信協(xié)議命令格式

　　表1中的識別型態(tài)命令（0x10）的識別型態(tài)定義值定義了可以識別的字集，包括漢字一/二級字庫、大小寫英文字母、數(shù)字、符號、預設手勢、平假名和片假名。

　　ePH1200AQ與單片機串口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，封包長度最長的命令為“發(fā)送候選字陣列”命令（命令代碼為0x18），ePH1200AQ發(fā)送的候選字個數(shù)最多為10個，每個候選字為兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)，該命令的最大長度為25字節(jié)，可創(chuàng)建一個具有25個元素的數(shù)組（uart1_RX_buffer［25］）作為命令緩存。

　　結語

　　本文設計了一種以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)點是實時性強、接口電路簡單、可擴展性強。該系統(tǒng)集成度高，攜帶方便，實用性強，在很多領域都具有應用性，具有一定的研究和應用價值。