摘 要： 應用StellarisWare圖形庫技術實現圖形顯示，以LPC2478 ARM7微處理器為控制核心，設計了一種由TFT-LCD顯示及觸摸屏組成的電梯轎內人機交互界面顯示控制器。介紹了LVDS通信接口的TFT-LCD顯示、觸摸及外部存儲器SDRAM的硬件設計和軟件設計。測試結果表明，系統實現了觸摸功能，獲得清晰穩定的顯示效果，性能可靠。
關鍵詞： ARM7；TFT-LCD；觸摸屏技術；SDRAM；StellarisWare
隨著觸摸屏的出現和觸摸屏技術的飛速發展及日益成熟，觸摸屏技術廣泛應用于公共服務領域和電子產品設備，觸摸屏技術也日益受到人們的青睞。觸摸屏正在取代鼠標、鍵盤等傳統輸入設備，成為電子產品的重要組成部分。薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)是數字終端顯示最理想的顯示器件之一，觸摸屏附在顯示器表面，可根據對應觸摸點字符獲知觸摸者的意圖來顯示內容，使得圖形化的人機交互變得更加簡單、直觀和人性化[1]。帶有觸摸屏的TFT-LCD以其方便、大容量、高清晰和全彩色視頻等優點被廣泛應用于嵌入式系統設計中[2]。
電梯轎廂內顯示系統是電梯乘坐人與電梯進行信息交流的重要渠道，為乘坐人提供電梯運行信息，使乘坐人可以方便、全面地了解電梯的運行狀態。目前大部分電梯轎廂內顯示電梯信息多采用傳統LED顯示，顯示內容單調、有限，而電梯轎廂內樓宇廣告，顯示系統多采用獨立廣告機，成本高。所以設計和開發一套集顯示和觸摸式樓層選擇一體的電梯轎內顯示系統很有必要，可以播放彩色圖片、數字等綜合信息，可以改善封閉轎廂內環境，降低成本。對于圖形顯示，StellarisWare圖形庫提供了一套比較完整、快速的MCU圖形顯示方案，該方案移植方便，其強大的繪圖功能可以根據具體的應用場合設計內容多樣的人機交互界面，界面美觀大方，可應用于高檔電梯。
1 轎內顯示器硬件設計
轎內顯示器主要以微處理器為核心，根據觸摸者意圖處理并顯示信息，并控制CAN通信模塊與電梯主控器進行數據發送和接收，外部存儲器是為了滿足大量圖像數據存儲的需要，轎內顯示器的功能模塊框圖如圖1所示。
1.1 液晶顯示器
LPC2478內部集成LCD控制器，支持薄膜晶體管TFT(Thin-Film Transistors)顯示器，并且提供TFT-LCD控制信號HSYNV（水平同步信號）、VSYNC（垂直同步信號）、VDEN（數據使能信號）及LCDCLK（LCD時鐘信號）的接口，簡化了硬件設計。
轎內顯示器使用了三菱公司的10.4寸LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接口TFT-LCD AA104SG01，液晶背面驅動電路集成了LVDS接收器。因此需要差分信號發送器將LPC2478主控器輸出TTL信號轉為LVDS信號，傳送到液晶面板側的LVDS接收器以驅動TFT-LCD，其中差分信號發送器是用視頻接口轉換芯片DS90C383。DS90C383可以在一個時鐘周期內結合控制信號將16 bit TTL數據轉換成混合的3組LVDS數據流來驅動LCD，即TxOUT0、TxOUT1、TxOUT2，一組數據流包含7 bit數據。DS90C383輸入輸出信號映射關系以及LPC2478內置LCD控制器在RGB(R[4:0]G[5:0]B[4:0])模式下與DS90C383管腳連接如表1所示。
1.2 觸摸屏接口設計
從工作原理上可以把觸摸屏分為電阻式、電容式、紅外線式、聲表面波式等，這里采用目前最為普遍的四線電阻式觸摸屏[3]。液晶顯示器背面附有觸摸屏驅動電路，是一個電阻式四線觸摸屏，四線分別是X+（TSXP）、X-（TSXM）、Y+（TSYP）、Y-（TSYM），即X電極和Y電極的正負極，也是觸摸屏接觸點坐標數據輸入端。
四線電阻式觸摸板由兩塊透明的電阻層組成，分別是X板和Y板[4]。如有外力使得上下兩層在某一點接觸，則在電極未加電壓的一層根據電壓梯度可以測得接觸點的電壓，經過A/D轉換便可知道接觸點的坐標。由微處理器輸出4個控制信號控制4 個MOS 管的通斷，進而控制觸摸屏4個電極Y+、Y-、X+、X-的通斷。
1.3 外擴同步動態隨機存儲器
針對LCD高速圖像顯示過程中大量數據暫時存儲的需要，采用了一種高速的圖像存儲方案，即中間緩存。SDRAM（Synchronous Dynamic RAM）作為數據中間緩存具有容量大、速度高、價格便宜和功耗低等優勢[5]，是一種非常有效的方法，真正滿足了高速、實時顯示圖像的要求。
LPC2478內置SDRAM控制器，可以實現SDRAM的邏輯控制[6]，主要信號有片選信號(SCS)、時鐘信號(SCLK)、時鐘使能信號(SCKE)、讀寫信號(WE)、頁地址選擇信號(BA[1:0])、行地址選擇信號(A0~A12)、列地址選擇信號(A0~A8)，采用分時復用的尋址方式，通過RAS和CAS信號來決定是行地址還是列地址，當RAS有效時，A0~A12是行地址；當CAS有效時，A0~A8是列地址信號。數據信號DATA[15:0]，其使能受DQM信號控制。SDRAM的地址范圍為0xA000 0000~0xA200 0000（32 MB）。
2 軟件設計
2.1 StellarisWare圖形庫移植
對于圖形顯示，StellarisWare圖形庫提供了快速的軟件開發解決方案，既可以進行基本圖形、文字繪制，也可以輕松實現常見的消息控件(Widget)的繪制。
2.1.1 按鈕控件圖形生成及圖形預處理
StellarisWare軟件包含了兩個工具：LMI-button和pnmtoc，圖形的生成及預處理可以通過這兩個工具來完成。
(1)LMI-button工具可以把其他格式的圖像保存為圖形庫可以識別的pnm格式，并且結合GIMP圖像處理程序可以生成各種類型控件。
(2)pnmtoc工具壓縮圖像為C文件，主要是把pnm格式圖像轉換為圖形庫可以識別的C文件。運行Windows服務管理器并且輸入命令：pnmtoc Image.pnm>Image.c，即可把Image.pnm圖像生成圖形庫可以識別的C數組文件，默認名字為const unsigned char g_pucImage[]，在主函數中調用函數GrImageDraw(&MyContext,g_pucImage,0,0)就是從(0,0)點繪制g_pucImage圖像。
2.1.2 控件定義及繪制
Stellaris圖形庫可以實現很多控件，其中包括畫布和按鈕控件。畫布控件是一個簡單的繪圖面板，用戶可以在上面進行圖形、文字繪制，也支持顯示圖片。每一個控件都有3個屬性，分別是父控件(Parent)、下一個控件(Next)、子控件(Child)。為了方便管理，圖形庫將眾多控件以樹狀的形式管理，每個控件樹都有一個虛擬的WIDGET_ROOT控件作為最頂層的控件，其他控件都作為它的子節點或者更下層的子節點[7]。
(1)定義畫布控件函數Canvas()和按鈕控件函數Rec-
tangularButtonStruct()。定義控件時用戶根據實際情況配置各參數，同時要定義事件響應函數。
(2)繪制控件樹函數。使用WidgetAdd()添加控件到控件樹WIDGET_ROOT，然后調用函數WidgetPaint(WIDGET_ROOT)繪制整個控件樹。
(3)消息添加函數WidgetMessageQueueAdd()可以添加消息到消息隊列，以便進行后續處理。
2.2 LCD顯示的軟件設計
對LPC2478內置LCD控制器的軟件操作主要是對各種寄存器進行正確的設置。首先要初始化LCD，LCD初始化包括設置LCD寄存器、LCD工作模式為BGR 5:6:5、顯示數據緩沖區地址為SDRAM地址、LCD背光等，LCD顯示的過程也就是控件定義、添加、繪制和消息處理的過程。LCD顯示的軟件設計流程如圖2所示，函數Widget-MessageQueueProcess()處理控件樹信息隊列，刷新LCD。
2.3 觸摸屏的軟件設計
觸摸屏附在顯示器表面，利用微處理器實現對液晶屏和觸摸屏的控制，只要測量出觸摸點的位置，就可以根據對應坐標點上的顯示內容或字符獲知觸摸者的意圖，進而處理信息。觸摸屏回調函數TouchScreenCallbackSet(WidgetPointerMessage)的作用是將用戶動作事件與用戶定義的事件響應函數連接在一起，當用戶動作時，用戶輸入驅動可以調用WidgetPointerMessage()函數，傳入動作的信息(如動作的x、y坐標、動作方式等)。圖形輸出驅動則響應用戶輸入事件，刷新顯示畫面，觸摸屏軟件設計流程如圖3所示。
2.4 CAN通信軟件設計
電梯轎廂控制器與主控制器之間通過CAN總線實現數據傳輸，CAN總線是轎廂與主控制器之間進行通信的橋梁，可以同時支持多主節點，數據傳輸速度快，通信距離長。
轎內顯示器消息的格式：目的ID號+命令字節+數據字節1+數據字節2+…+數據字節6。ID號是為主控制器、轎廂控制器、外呼樓層指示器分配的標志符。命令字節是協議的核心，通常與數據字節配合使用，有開關門命令、樓層顯示命令、到站提示命令、登記樓層命令等。數據字節主要有所到樓層號、電梯運行狀態及登記樓層信息。
3 測試結果與分析
將轎廂顯示控制器與電梯主控器連接，進行現場調試，圖4為電梯從10樓到5樓、再到1樓的LCD顯示過程，從圖中看到，按鈕控件有開關門和樓層按鈕，按鈕控件有按下和未按下兩種不同顏色狀態屬性，當用戶按下目的樓層號按鈕時，按鈕控件外觀顏色狀態發生變化，LCD顯示所到樓層號和電梯運行狀態；當電梯到達用戶選通的目的樓層時，所到樓層按鈕將返回未按下狀態，同時開門按鈕顯示開門狀態，關門時關門按鈕控件也會顯示相應的狀態。
本著高效、方便的目的，本文利用StellarisWare圖形庫，簡化了軟件設計難度，提高了開發效率。經過多次現場測試，轎廂顯示控制器與電梯主控制器之間通信可靠、穩定，顯示界面清晰、效果良好。帶有觸摸功能的電梯轎內TFT-LCD顯示器是一種簡單、方便、自然的人機交互方式，界面美觀大方，可以更好地提高電梯品質，具備很好的應用前景。
參考文獻
[1] 郭本振，李聲晉，盧剛，等.基于DSP和LCD觸摸屏的車載信息系統設計[J].液晶與顯示，2011，26(1)：83-87.
[2] 郭瑞玲，鄒向陽，黑銳.基于觸摸屏的某型雷達干擾機的人機接口設計[J].電測與儀表，2010，47(536A)：149-141.
[3] 宋成，孫廣富.觸摸屏在S3C2410 上的應用實例[J].單片機與嵌入式系統應用，2005(1)：35-38.
[4] 陳世利，孫墨杰，栗大超，等.觸摸屏的工作原理及典型應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2002(2)：11-13.
[5] 潘光榮，王沁，齊悅.面向邏輯設計的SDRAM 控制器性能度量模型[J].計算機應用研究，2009，26(9)：3432-3435.
[6] 劉妍妍，李國寧，金龍旭.遙感圖像采集中的SDRAM圖像緩存技術[J].電視技術，2012，36(17)：52-54.
[7] Texas Instruments.StellarisWare?誖graphics library user′s Guide[S].[2013-03-01].