一種嵌入式顯示系統(tǒng)的工作原理及軟件設(shè)計

　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(shè)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(zhuǎn)換，構(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)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(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(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)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(dān)，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(shè)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(gòu)成，因此可稱為ADTFT（Advanced TFT）。它由彩色TFTLCD面板、IC驅(qū)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(fù)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(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(yīng)。
　　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(qū)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(yīng)用產(chǎn)品，比如SMS、移動電話或者手寫輸入設(shè)備。
　　3系統(tǒng)軟件設(shè)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(shè)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(yīng)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(zhuǎn)換和處理后送給FPGA；顯示圖形時，按照設(shè)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(yīng)的操作。主函數(shù)流程如圖2所示。