彩色液晶模塊的圖文與曲線顯示方法*

秦 剛，段晨東，李 磊，代 杰

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安710061）

傳統(tǒng)的單色智能儀表升級成彩色界面顯示時，彩色顯示字符和圖像的方法與單色不同，且單色顯示時所用的8 bit數(shù)據(jù)總線與低端MCU難以完成彩色液晶顯示，以至于有時必須重新設計電路，嚴重增加了升級產(chǎn)品的成本。另外，智能儀表工作時，往往要求實時曲線動態(tài)顯示以便監(jiān)視設備的工作情況。因此，如何設計友好的人機交互界面的問題日漸突出。

本文以微控制器STC12C5A16S2為核心，使用OCM480272T430液晶模塊開發(fā)了基于彩色TFT液晶模塊的智能儀表界面。在研究彩色圖像轉(zhuǎn)換像素矩陣的原理基礎上，采用8 bit總線方式實現(xiàn)了靜態(tài)與動態(tài)圖像的顯示，可以達到16 bit真彩色的圖像顯示效果。另外還研究了中西文混合字符串的顯示方法。為了更有效地對數(shù)據(jù)實時性監(jiān)控，研究了實時曲線的動態(tài)顯示和刷新方法。并用實例驗證了方法的可行性。

1 MCU與彩色液晶顯示器的接口設計

1.1 MCU的選擇

STC12C5A16S2是宏晶公司推出的一款高性能增強型51系列微控制器，它以單時鐘/機器周期(1T)模式運行，指令系統(tǒng)與傳統(tǒng)8051完全兼容，但運行速度是8051的 8～12倍。其 I/O口兼容傳統(tǒng) 8051的準雙向口/弱上拉模式，同時增加了強推挽/強上拉、單輸入/高阻、開漏等模式，系統(tǒng)設計時，用戶可以根據(jù)需要對I/O模式設定[1]。傳統(tǒng)的智能儀表中MCU主要以C51系列單片機為主，STC12C5A16S2豐富的硬件資源、高速運算性能，向下可以兼容傳統(tǒng)低端51系列單片機，向上可以支持智能儀表功能擴展。其良好的性價比，可以滿足各種智能儀表核心升級的要求。

1.2 OCM480272T430-1B彩屏顯示模塊

OCM480272T430-1B是一款 480×272的TFT彩屏LCM，采用RA8870控制器，支持2D引擎與幾何圖形加速的文字、圖像以及圖文混合模式，僅對寄存器操作就可以繪制直線、矩形以及圓。該模塊內(nèi)置有CGROM可顯示ISO8859-1/2/3/4字形，外掛字庫可顯示中文繁、簡字體。OCM480272T430提供GB-2312及BIG-5編碼的16×16點陣字庫，內(nèi)嵌多種文本顯示效果處理，例如：1～4 倍的水平和垂直方向的獨立放大，90°、180°、270°文字旋轉(zhuǎn)顯示功能。另外，該模塊提供文字光標和32×32像素的圖形光標功能[2]。在OCM480272T430 LCM內(nèi)部，RA8870控制器直接通過 DMA方式[3]，不需要 MCU讀取顯存資料，顯示速度快、畫面流暢，不會產(chǎn)生拖影、“瀑布”等現(xiàn)象干擾，為實時數(shù)據(jù)顯示提供了實時刷新速度，圖像可靠。此外，模塊本身的文字、圖形處理功能可以有效地簡化代碼，使在應用系統(tǒng)中選擇小容量的MCU實現(xiàn)圖文混合的實時數(shù)據(jù)顯示成為可能。因此，OCM480272T430-1B適合用于儀表數(shù)值監(jiān)視和曲線顯示。

1.3 MCU與LCM的接口設計

MCU與LCM的接口電路如圖1所示。LCM以8 bit數(shù)據(jù)總線模式與MCU的P0口相連，此時，P0口作為傳輸數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，P2.0～P2.5以及 P3.2、P3.3作為MCU與LCM的聯(lián)絡控制信號。在系統(tǒng)中，P0口設置為準雙向口模式。

2 字符串的顯示

在智能儀器儀表中，字符顯示（包括漢字和西文字符）常被用于參數(shù)顯示、操作提示、報警、菜單以及幫助信息。LCM提供了漢字和4種西文字庫，支持多種字體及處理效果，西文字型點陣為 8×16半型字，漢字為16×16宋體全型字，其顯示流程如圖2所示。

不同于單色顯示，彩色LCM在顯示時，首先要開辟顯示區(qū)域，顯示區(qū)域的大小可以根據(jù)顯示內(nèi)容多少確定，其范圍不可超過 480×272；然后，在已設定的顯示區(qū)域內(nèi)定位字符的顯示位置。

圖2 字符顯示程序流程圖

LCM被復位后，默認為圖形模式，在字符顯示之前，須開啟文本模式，它由LCM內(nèi)存寫入控制寄存器0（MWCR0）設定[3]。LCM背景色設定有 2種形式：一種是BET背景色（64 K色），另一種是文本背景色（256色）。一般情況下使用文本背景色。LCM嵌入了多種文本顯示效果處理方式，通過字型控制寄存器 1（FNCR1）的設定來實現(xiàn)[3]，擬定文本顯示效果一旦設定完畢，LCM自動實現(xiàn)顯示效果處理。

由于在文本模式下，LCM對西文采用ASCII碼方式提取字符編碼，而對漢字字符采用GB-2312內(nèi)碼方式提取漢字字型編碼。因此，字符串顯示時，須檢查被寫入數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)，如果此字節(jié)小于80 H時，則把這次數(shù)據(jù)當成半型字（ASCII碼）來譯碼；如果此字大于80 H時，則當成全型字（漢字）來譯碼，顯示漢字時，需要設定關閉ASCII碼模式。

3 圖形及曲線的顯示

智能儀器儀表參數(shù)常采用曲線方式顯示，以便觀察參數(shù)的變化軌跡。另外，在系統(tǒng)啟動初始化時，常常采用一個引導界面，如廠家名稱和徽記。前一種模式需要根據(jù)參數(shù)值的大小實時修正顯示位置，是一種動態(tài)圖形顯示。而后一種只是把事先準備的圖形映射到顯示模塊上，是一種靜態(tài)顯示。

3.1 圖形靜態(tài)顯示

圖1所示的MCU與LCM連接采用8 bit數(shù)據(jù)總線方式。LCM在8 bit數(shù)據(jù)總線模式下，若以256色格式輸出，像素點的色彩信息可在一個發(fā)送周期內(nèi)完成，如果以多于256色格式輸出，則需分2個周期發(fā)送[3]。在圖片顯示之前必須把圖片轉(zhuǎn)換成像素信息，即把圖片中每一個像素點轉(zhuǎn)換成用RGB表示的色彩編碼信息。以16 bit真彩色80×80像素的圖片為例：1個像素用2 B表示，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的編碼矩陣為 160×80維的單字節(jié)矩陣。在LCM顯示時，從用戶指定存儲位置開始，依次提取矩陣元素至顯示存儲區(qū)。

與字符顯示的文本模式不同，圖像顯示需要使用圖形模式。在圖形模式中，控制器將輸入源開放，即將設置存儲位置與代碼長度的權限交給用戶自行設定。顯示靜態(tài)圖像時，首先開辟顯示區(qū)域，開啟圖形模式，選定顯示的起始坐標，再將編碼矩陣按行方式寫入到選定的工作窗口中顯示。使用靜態(tài)圖文混合方式顯示靜態(tài)畫面的程序流程圖如圖3所示。

在應用程序運行之前要對LCM進行初始化，以保證LCM能處在正常工作中。LCM復位是對LCM內(nèi)部控制器進行一次重啟，使其內(nèi)部寄存器處于缺省的狀態(tài)。初始化液晶是對LCM內(nèi)系統(tǒng)時鐘以及相關內(nèi)部寄存器進行設置。另外，液晶的屏幕亮度可以在PWM背光設定。設定背景色時，把全屏作為一個顯示區(qū)域創(chuàng)建，然后以設定需要的背景色清除顯存。否則，顯示時會出現(xiàn)屏幕背景花屏的現(xiàn)象。

文字處理有2種實現(xiàn)方法：（1）如果開啟文本模式，可不用開啟工作窗口，直接設定起始坐標，給定文本的輸入位置。圖3采用此方法。（2）如果不開啟文本模式，則必須指定顯示區(qū)域，以顯示放大后的字體，同時設定起始坐標、給定文本的輸入位置。此外，對于單圖層與其他窗口無相交面積的情況可以不開背景穿透。

3.2 圖形動態(tài)顯示（實時數(shù)據(jù)的曲線顯示）

在智能儀表中，利用曲線動態(tài)顯示更能方便地對數(shù)據(jù)實時性監(jiān)視、突出樣本曲線的變化規(guī)律。

實時測量值以曲線方式顯示時，由于曲線顯示的坐標與LCM模塊像素坐標不一致，因此需要進行必要的坐標變換。圖4中，x、y為LCM顯示屏幕的水平和垂直方向，數(shù)值按箭頭方向遞增。設開辟曲線顯示區(qū)域的寬為 w、高為 h，水平坐標為 t，垂直坐標為 u，以左下角為(x0，y0)顯示區(qū)域的基準點 O，像素間隔時間為 ΔT，hk為像素與t軸的距離。若測量值在顯示區(qū)域的最大幅值為umax、最小值幅值為 umin，則 Δu=umax-umin。 令 k時刻的采樣值為 uk，則uk在曲線顯示區(qū)域的幅值為uk的 LCM 像素坐標(xk，yk)：

其中，x0＜xk＜w，k=0，1，2…。 將(xk，yk)與前次點(xk-1，yk-1)用直線相連，就可得到測量數(shù)據(jù)曲線。

顯示區(qū)域刷新方法有2種：(1)清屏刷新。當數(shù)據(jù)顯示到達曲線顯示區(qū)域最大邊界時，將顯示區(qū)域內(nèi)的像素全部清除，用于載入新的像素顯示；(2)滾動刷新。將顯示刷新的時間設置成滾動時間，當?shù)竭_滾動時間時，在滾動區(qū)域內(nèi)將原像素按一定的偏移值移動，將滾動后的像素清除同時載入新的像素。這樣，顯示區(qū)域可以逐步得到新的數(shù)據(jù)顯示。與清屏刷新相比，滾動刷新更有利于觀察新舊數(shù)據(jù)的聯(lián)系和對比，因此選取滾動刷新實現(xiàn)曲線的實時顯示。

實現(xiàn)滾動刷新需要設定滾動區(qū)域、滾動偏移值與滾動時間。滾動區(qū)域用于指定滾動的范圍，避免影響其他屏幕信息。滾動的偏移值用于指定滾動的幅度和方向（水平方向和垂直方向）。滾動時間可由定時器定時中斷，或者在滾動區(qū)域內(nèi)設定一個滿幅值，當像素到達該值時，區(qū)域開始滾動刷新。

根據(jù)實際采樣時間，可以設計出對應數(shù)值的網(wǎng)格線以方便對數(shù)據(jù)的監(jiān)測。更改相應的參數(shù)就可以得到任意寬度的網(wǎng)格反映采樣時間的變化。實時曲線顯示的程序流程如圖5所示。圖6為實時數(shù)據(jù)曲線顯示界面，白色為主界面顏色，藍色為顯示區(qū)域工作窗口，滾動區(qū)域與工作窗口大小一致。滾動偏移值為滾動區(qū)域水平方向的一半。

本文以微控制器STC12C5A16S2為智能儀表核心，利用OCM480272T430模塊開發(fā)了基于彩色TFT液晶模塊的智能儀表界面。采用8 bit總線方式實現(xiàn)了基于彩色液晶模塊的靜態(tài)與動態(tài)圖像的顯示方法實現(xiàn)16 bit真彩色圖像的顯示，滿足了傳統(tǒng)智能儀表升級的需要。

字符串顯示時，通過調(diào)用字符庫，可根據(jù)需要添加文本處理功能，實現(xiàn)顯示字符的放大、旋轉(zhuǎn)等；曲線顯示時，通過建立測量參數(shù)與顯示模塊像素之間的坐標轉(zhuǎn)換關系，不斷更新曲線末端坐標，用繪制直線命令實現(xiàn)實時曲線的顯示。另外，利用滾屏方法可實現(xiàn)實時曲線的動態(tài)刷新，為基于彩屏LCM的智能儀表人機交互界面設計提供了有效的實現(xiàn)方法。

[1]STC12C5A60S2系列單片機器件手冊[DB/OL].URL：http://www.stcmcu.com/datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC12C5A-60S2.pdf,2011-10-17.

[2]OCM480272T430-1B彩屏帶觸摸屏說明書[DB/OL].URL：http：//www.gptlcm.cn/CN/list.asp?proname=OCM480272-T430-1B，2011-10-17.

[3]RA8870文字/圖形 TFT LCD控制器規(guī)格書[DB/OL].URL：http：//www.raio.com.tw/S%20version/s_product.8870.htm，2011-10-17.