嵌入式原理設(shè)計課程報告

1、嵌入式系統(tǒng)原理設(shè)計 課程報告 論文題目 基于嵌入式系統(tǒng)LCD觸摸屏的設(shè)計 年 級 13 級 專 業(yè) 學生姓名 學 號 指導(dǎo)教師 目錄摘 要：31前言3 1.1 LCD觸摸屏簡介3 1.2 LCD觸摸屏的應(yīng)用及發(fā)展前景4 1.3 ARM嵌入式處理器42 系統(tǒng)整體方案設(shè)計5 2.1 系統(tǒng)硬件組成及整體功能5 2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案的選擇53 硬件實現(xiàn)6 3.1 處理器的選擇6 3.2 外圍芯片的選用7 3.3 硬件原理圖84 LCD觸摸屏軟件設(shè)計13 4.1 界面的定制與顯示13 4.2 觸摸屏信息的處理13 4.3 主函數(shù)初始化145 結(jié)語15參考文獻15 摘要：如今LCD觸摸屏應(yīng)用已成為生活

2、中很常見的現(xiàn)象，通過利用這種裝置，改變了傳統(tǒng)的較為復(fù)雜呆板的機械人機交互方式，使得人機之間信息的交互變得簡單，快捷，而且更具形象化。本文針對基于ARM系統(tǒng)LCD觸摸屏設(shè)計的介紹，分析LCD 觸摸屏的工作原理及硬件結(jié)構(gòu)，然后進一步開發(fā)出了觸摸屏的驅(qū)動程序。通過軟硬件的結(jié)合，可以實現(xiàn)利用觸摸屏完成人機之間信息的交互，同時也可以將該設(shè)計運用到同類人機交互系統(tǒng)中，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。關(guān)鍵詞：LCD觸摸屏；ARM；人機交換系統(tǒng)1 前言隨著嵌進式系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)設(shè)備產(chǎn)品也越來越現(xiàn)代化，普遍要求可視化操縱。LCD觸摸屏低耗能散熱小，本錢低，纖薄輕巧，外形尺寸小，安裝輕易。使用LC

3、D觸摸屏作為產(chǎn)業(yè)設(shè)備的輸進輸出設(shè)備既能達到可視化的要求，方便現(xiàn)場操縱，又能降低產(chǎn)品的本錢。而在產(chǎn)品的整體設(shè)計過程中，人機交互界面的設(shè)計往往占據(jù)著很大一部分工作，這樣，不但極大地增加了產(chǎn)品的開發(fā)本錢并且延長了產(chǎn)品的上市周期。本文設(shè)計的基于S3C44BOX的人機交互界面是一種可定制、簡單易用、性能優(yōu)良的通用型人機交互界面，能很好地解決上述問題。1.1 LCD觸摸屏簡介觸摸屏起源于20世紀70年代，早期多被裝于工控計算機、POS機終端等工業(yè)或商用設(shè)備之中。2007年iPhone手機的推出，成為觸控行業(yè)發(fā)展的一個里程碑。蘋果公司把一部至少需要20個按鍵的移動電話，設(shè)計得僅需三四個鍵就能搞定，剩余操作則

4、全部交由觸控屏幕完成。除賦予了使用者更加直接、便捷的操作體驗之外，還使手機的外形變得更加時尚輕薄，增加了人機直接互動的親切感，引發(fā)消費者的熱烈追捧，同時也開啟了觸摸屏向主流操控界面邁進的征程。觸摸屏（touch screen）又稱為“觸控屏”、“觸控面板”，是一種可接收觸頭等輸入訊號的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程式驅(qū)動各種連結(jié)裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備

5、。1.2 LCD觸摸屏的應(yīng)用及發(fā)展前景目前，觸摸屏應(yīng)用范圍正在變得越來越廣泛，從工業(yè)用途的工廠設(shè)備的控制操作系統(tǒng)、公共信息查詢的電子查詢設(shè)施、商業(yè)用途的提款機，到消費性電子的移動電話、PDA、數(shù)碼相機等都可看到觸控屏幕的身影。當然，這其中應(yīng)用最為廣泛的仍是手機。2008年采用觸控式屏幕的手機出貨量將超過1億部，如今，安裝觸控界面的手機出貨量已超過5億部。而且有跡象表明，觸摸屏在消費電子產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍正從手機屏幕等小尺寸領(lǐng)域向具有更大屏幕尺寸的筆記本電腦拓展。目前，戴爾、惠普、富士通、華碩等一線筆記本電腦品牌廠商都計劃推出具備觸摸屏的筆記本電腦或UMPC。由此可以看出，觸摸屏市場未來的發(fā)展前景

6、也十分誘人。根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)的預(yù)測，到2017年觸摸屏產(chǎn)值將達到239億美元。1.3 ARM嵌入式處理器RISC嵌入式處理器是目前高中端嵌入式設(shè)計和應(yīng)用的主流，現(xiàn)今比較流行的RISC處理器有PowerPC、MIPS和ARM。其中ARM嵌入式處理器以其小體積、低功耗、低成本和高性能等特點占據(jù)了業(yè)界領(lǐng)先地位，已經(jīng)成為一種事實上的標準。目前市場上常用的基于ARM體系結(jié)構(gòu)的通用嵌入式處理器系列有 ARM7 和ARM9 系列。ARM7系列處理器包括 ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ 等幾種類型的核，是低功耗的32位RISC架構(gòu)處理器，三級流水線，主頻達到 66MHz。

7、ARM9系列處理器包括ARM920TDMI、ARM922T、ARM940T等幾種類型的核，采用五級流水線，主頻達到533MHz。此外，ARM系列處理器還包括ARM9E、ARM10E和ARM11等幾個系列。SAMSUNG公司推出的一系列采用ARM處理器和微控制器的產(chǎn)品，性能良好，數(shù)據(jù)手冊豐富，配套應(yīng)用方案完善，因此迅速在通信產(chǎn)品民用市場上獲得了廣泛的應(yīng)用，在 ARM 處理器產(chǎn)品中極具代表性。本文的設(shè)計將基于SAMSUNG公司的一款A(yù)RM7芯片：S3C44B0X。2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計本系統(tǒng)采用LCD觸摸屏模塊OCMJ15x20D，配以相應(yīng)的外圍硬件，通過ARM芯片S3C44B0X對觸摸屏從外界采集

8、的信息的處理，然后據(jù)此控制受控系統(tǒng)，并給與觸摸屏信息確認及輸出。2.1 系統(tǒng)硬件組成及整體功能系統(tǒng)主要包括三個部分，分別為PC機、S3C4480X微處理器和LCD觸摸屏模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示： 圖2-1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)有三部分組成：PC機，用于定制人機交互界面信息；S3C4480X微處理器，用于控制觸摸模塊接收到的外界信息；LCD觸摸屏模塊，是直接參與人機交互的層面，通過它可以顯示出虛擬按鍵，人們可以對其操作，然后配以處理器及外圍硬件的協(xié)同工作，達到完成對儀器的控制目的。通過該系統(tǒng)可以給產(chǎn)業(yè)設(shè)備提供一個可視化的人機界面。來自PC機的定制好的界面信息存儲在ARM的FLASH存儲器內(nèi)

9、。在應(yīng)用當中，當微處理器接收到觸摸屏按鍵信息時，對產(chǎn)業(yè)設(shè)備進行控制。同時微處理器也對LCD進行界面的刷新，這樣以完成人機交互。2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案的選擇為增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在軟件設(shè)計中將進行操作系統(tǒng)（Operating System，OS）的移植，進而對應(yīng)用程序進行設(shè)計。嵌入式OS負責嵌入式系統(tǒng)全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度，控制和協(xié)調(diào)各部件的工作，與普通OS相比，嵌入式OS在系統(tǒng)實時高效性、硬件依賴性、軟件固化及應(yīng)用的專用性方面具有較為突出的特點。嵌入式OS種類繁多，大體上分為商用型和免費型兩大塊，其中商用型功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但價格昂貴，典型的有VxWor

10、ks、WinCE等。免費型的源代碼公開，性能也較良好，主要有嵌入式Linux和C/OS。隨著開源軟件的迅速發(fā)展，Linux和C/OS已經(jīng)具有非常廣泛的應(yīng)用。基于良好的性價比，本文將采用uClinux作為觸摸屏終端的操作系統(tǒng)。uClinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，它秉承了標準Linux的優(yōu)良特性， 是經(jīng)過各方面的小型化改造，形成的一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux。雖然它的體積很小，但性能穩(wěn)定，有良好的移植性。在操作系統(tǒng)移植完成后，本文將結(jié)合觸摸屏終端所需實現(xiàn)的功能，給出其整體的軟件設(shè)計方案。3 硬件實現(xiàn)3.1 處理器的選擇本系統(tǒng)選擇三星公司基于ARM7TDMI的16/32位微

11、處理器S3C44B0X。該芯片為手持設(shè)備以及一般嵌入式應(yīng)用提供了一個成本低廉、功能強大的微控制器解決方案。有豐富的內(nèi)置部件，包括：8KB cache，內(nèi)部SRAM，LCD控制器，帶自動握手的2通道UART，4通道DMA，系統(tǒng)管理器（片選邏輯，F(xiàn)P/EDO/SDRAM 控制器），代用PWM功能的5通道定制器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，PLL倍頻器。3.1.1 S3C44B0X 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖3-1-1：S3C44B0X結(jié)構(gòu)圖3.1.2 S3C44B0X引腳圖S3C44B0X引腳情況如圖3-1-2所示：3.2 外圍芯片的選擇根據(jù)功能要求，該系統(tǒng)

12、還需配置其他外圍芯片，用于輔助完成要求功能。此處選用的外圍芯片為FM7843，不過它已被集成在觸摸屏模塊OCMJ15x20D中，它主要用來對觸摸點進行檢測，并把檢測到的信息送出轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的坐標，以供S3C44BOX處理器讀取。下面對該芯片結(jié)構(gòu)及原理作簡要介紹。FM7843簡介：模塊FM7843是四線電阻式觸摸屏輸進控制芯片。它是一款具有同步串行接口的12位采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在125kHz吞吐速率和2.7V電壓下的功耗為750W而在封閉模式下的功耗僅為05W。它具有低功耗和高速等特性，因此被廣泛應(yīng)用。引腳X+、Y+、X-、Y-是轉(zhuǎn)換器模擬輸進端，DCLK是外部時鐘輸進；CS是片選端：DIN是串行輸

13、進，其控制數(shù)據(jù)通過該引腳輸進；DOUT是串行數(shù)據(jù)輸出用于輸出轉(zhuǎn)換后的觸摸位置數(shù)據(jù)。最大數(shù)為二進制的4095；IN3、IN4是輔助輸進；PENIRQ是PEN中斷引腳。其中，S3C44BOX共使用6條與FM7843接口相連。其結(jié)構(gòu)如圖3-2-1所示： 圖3-2-1：FM7843結(jié)構(gòu)圖3.3 硬件原理圖圖3-3-2：觸屏模塊OCMJ15x20D外形尺寸上圖為觸屏模塊OCMJ15x20D的實體圖和外形尺寸圖，本系統(tǒng)顯示部分采用的正是該模塊系列中文液晶濕示模塊，其中OCMJ表示奧可拉中文集成模塊。這是一個中英文文字與繪圖模式的點陣液晶屁示模塊，內(nèi)建512KByte的ROM字形碼，可以顯示中文字型、數(shù)字符

14、號、英日歐文等字母，并且內(nèi)建雙圖層(Two Page)的顯爪內(nèi)存。在文字模式中，可接收標準中文文字內(nèi)碼直接顯示中文，而不需要進進繪圖模式以繪圖方式描繪中文，提升液晶顯示中文之效率。該模塊整合了多項的實用界面，包含內(nèi)建的10-Bit ADC提供觸控屏接口。OCMJ15X20D(V3.2)的觸摸屏是用FM7843控制的，該控制器已集成在模塊上，模塊已留出FM7843的控制線供客戶使用(OCMJ15X20D上的J5腳)，可直接使用3V供電而不需外接負電壓。該模塊同時支持支持文字與繪圖兩種混和顯示模式。支持2 Page 顯示模式(And, Or, Nor, Xor)，內(nèi)建兩個4.8K / 9.6 K（

15、15x20D） Byte 的顯示RAM (Display Data RAM)，共9.6K / 19.2 K（15x20D） Byte RAM，并且可做成4 階的顯示效果。內(nèi)建512KByte ROM，控制IC 分帶繁體字庫IC 和帶簡體字庫IC，其中標準繁體中文BIG5 碼，包含13,094個常用與次常用字型、408 個特殊字與兩組ASCII CODE，簡體字庫儲存7602 個標準GB 碼的簡體中文。提供全角(16x16)與半角(8x16)文字顯示模式。支持4/8 位之6800/8080 MCU 接口。內(nèi)建8x8 鍵盤掃瞄界面(Key Scan)。帶光標、反白、閃爍功能，且光標高度與寬度可調(diào)。

16、支持屏幕水平卷動及垂直卷動功能。內(nèi)建512Byte SRAM 可自行造字。提供中/英文文字對齊功能。顯示字型可放大到32x32、48x48 或64x64，以及混合顯示模式。支持可將字型由ROM 直接讀出使用。內(nèi)建粗體字形與行距設(shè)定。內(nèi)建10-Bit ADC 支持觸控屏幕應(yīng)用（OCMJ4X15D 和OCMJ5X10D 屏蔽了此功能）。OCMJ4X15D 和OCMJ5X10D 當為黃綠屏而不使用背光時，或者為藍屏使用背光時，可使用3V 供電而。不需外接負電壓。OCMJ8X10D 和OCMJ8X15D 也可使用3V 供電但需外接負電壓，除OCMJ8X10D 的藍屏背光可使用。3V 供電外，其他背光都

17、要4.1V 以上供電。OCMJ15X20D 可直接使用3V 供電而不需外接負電壓，但其背光為CCFL 背光，需另外供電，一般要45V。對于觸摸屏模塊OCMJ15X20D ，其直接參與人機交互的結(jié)構(gòu)為電阻式觸摸面板。電阻式觸摸面板是由兩層極薄的電阻面板組成，如圖2-3-3 所示，兩層面板之間有一個很小的間距，當有外力在面板上的某一點壓下去時，會在施力點造成兩層電阻接觸，也就是短路(Short)，而兩層電阻面板的端點都各有電極，如圖3-3-4所示YU, YD, XL, XR，因此配合一些開關(guān)就可偵測出面板上哪一相對位置被Touch。 圖3-3-3：電阻式觸摸面板結(jié)構(gòu) 圖3-3-4：觸摸面板與偵測開

18、關(guān)在圖3-3-5 中，設(shè)定開關(guān)SW2 與SW3 是OFF(Open)，SW0 與SW1 是ON(Close)，當有外力在面板上的某一點壓下去時，由YU 點取得電壓接到ADC(Analog to Digital Converter)，就可以得到被Touch 點的X 坐標相對位置。 圖3-3-5：讀取X坐標在圖3-3-5 中，因為開關(guān)SW2 與SW3 是OFF，因此YD 點是Floating，所以當有外力在面板上的某一點壓下去時，YU 上的電壓事實上就是X 的Panel(也就是電阻)上的分壓結(jié)果，壓在面板上的不同一點，就會得到不同的分壓值，如圖2-3-6所示。 圖3-3-6：Resistor-X

19、的分壓同理，在圖3-3-7中，設(shè)定開關(guān)SW0 與SW1 是OFF(Open)，SW2 與SW3 是ON(Close)，當有外力在面板上的某一點壓下去時，由XL 點取得電壓接到ADC(Analog to Digital Converter)，就可以得到被Touch 點的Y 坐標相對位置。一般說來許多觸摸面板都是貼在LCD 面板上面，因此在程序設(shè)計上如果重復(fù)圖3-3-5 與3-3-7的讀取步驟就可以順利得知被Touch 的點是在屏幕上的哪一位置。 圖3-3-7：讀取Y坐標 圖3-3-8：Resistor-Y 的分壓在圖3-3-7 中，因為開關(guān)SW0 與SW1 是OFF，因此XR 點是Floatin

20、g，所以當有外力在面板上的某一點壓下去時，XL 上的電壓事實上就是Y 的Panel(也就是電阻)上的分壓結(jié)果，壓在面板上的不同一點，就會得到不同的分壓值，如圖3-3-8所示。4 LCD觸摸屏軟件設(shè)計4.1 界面的定制與顯示 界面的定制是通過建立網(wǎng)絡(luò)鏈表的方式實現(xiàn)的。構(gòu)建好鏈表網(wǎng)絡(luò)后就進進應(yīng)用程序階段，即系統(tǒng)進進正常運行狀態(tài)。通過系統(tǒng)中設(shè)定當前屏指針、當前項指針及已構(gòu)建的鏈表網(wǎng)絡(luò)等來實現(xiàn)人機交互界面的操縱。同一屏幕的項構(gòu)成雙向循環(huán)鏈表、鏈接屏幕構(gòu)成單向循環(huán)鏈表。實現(xiàn)方法：先以屏為單位建立每屏的橫向雙向循環(huán)鏈表； 再遍歷各屏的雙向鏈表，為各屏的項建立鏈接關(guān)系，進而構(gòu)成一個鏈表網(wǎng)絡(luò)。通過遍歷當前屏幕

21、的橫向雙向循環(huán)鏈表來逐一顯示屏幕的項。其巾對各類項的處理如下：當屏幕項是文本時，直接讀取并顯示。當屏幕項為整型、浮點時通過向控制系統(tǒng)索取其值并顯示。當屏幕項為枚舉時，通過向控制系統(tǒng)索取其值，再按值讀取對應(yīng)的字符串并顯示。4.2 觸摸屏信息的處理 觸摸屏按鍵分為數(shù)字鍵、換屏鍵、確認鍵和選擇鍵。數(shù)字鍵用于鍵進所按的數(shù)字。換屏鍵用于切換屏幕內(nèi)容，進進所選中項的鏈接屏幕，若當前屏幕沒有選中項，則進進首項鏈接的屏幕。選擇鍵主要是使下拉菜單的內(nèi)容顯示到屏幕上來。確認鍵是用于選擇下拉菜單內(nèi)容。4.3 主函數(shù)初始化該軟件系統(tǒng)主函數(shù)采用的是等待觸摸鍵值的死循環(huán)結(jié)構(gòu)。代碼如下：main()unsigned char KeyCount = 0; /按鍵個數(shù)System_Init(); /系統(tǒng)初始化程序SPortInit(); /串口初始化Lcd_Init(); /LCD 初始化KeyValue0 = 20; /REFRESHSend_Info(1);while(1) /主