基于S3C2440的總線式遠程工業(yè)操控平臺的設(shè)計

李鵬飛，許金凱，韓文波，宋鴻飛

(1.長春理工大學 光電工程學院，吉林 長春 130022；2.長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022)

1 引 言

目前，由觸摸屏和TFT液晶屏組成的圖像人機交互界面(GUI)在工業(yè)監(jiān)控的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但大多工業(yè)監(jiān)控場合都只能在專用地點使用專用的GUI控制臺，因為GUI系統(tǒng)設(shè)計比較復(fù)雜，既需要編寫軟件，還需要調(diào)試硬件電路，匹配液晶屏。如果在成型的系統(tǒng)中添加或修改功能，則需要用大量時間去重新設(shè)計，十分繁瑣。

本文基于Samsung公司的S3C2440處理器設(shè)計了一種遠程工業(yè)現(xiàn)場參數(shù)的監(jiān)控平臺[1-5]。在使用平臺時把需要顯示的界面燒寫FLASH存儲器中，利用標準串口即可實現(xiàn)遠程工業(yè)現(xiàn)場參數(shù)的監(jiān)控。經(jīng)過實測，該平臺能自定義各種界面和功能，并且只需要工業(yè)現(xiàn)場預(yù)留的串口即可使用，達到了設(shè)計要求。

2 總體設(shè)計

平臺的硬件部分由S3C2440微處理器、480×272分辨率的TFT液晶屏、電阻式觸屏、FLASH存儲器組成?？傮w硬件設(shè)計如圖1所示。

圖1 總體硬件設(shè)計Fig.1 Design of overall hardware

系統(tǒng)通過連接工業(yè)現(xiàn)場的485總線，就可以進行遠程設(shè)定控制參數(shù)和運行方式，也可以獲取遠程現(xiàn)場中的各種參數(shù)。系統(tǒng)只需要485總線和各種界面，如果工業(yè)現(xiàn)場改變了，只要更換界面，就可以適應(yīng)另外的系統(tǒng)，具有很好的實用性和低成本。

由于S3C2440集成了液晶屏連接模塊、觸屏A/D轉(zhuǎn)換模塊、JATG開發(fā)接口、串口通信模塊和NAND FLASH存儲器接口，可以十分方便地實現(xiàn)上述功能。

系統(tǒng)在使用前需要自主設(shè)計適合的界面，如圖2所示，然后通過JATG開發(fā)接口下載到系統(tǒng)的NAND FLASH存儲器中。

圖2 自主設(shè)定的界面Fig.2 Interface of independent setting

在程序中把設(shè)計界面以樹鏈表的方式存儲，如圖3所示，其相互之間的關(guān)系以命令的方式進行銜接。

圖3 界面的樹鏈表式關(guān)聯(lián)Fig.3 Tree list of the interface

3 硬件驅(qū)動設(shè)計

硬件驅(qū)動部分主要包括顯示屏的驅(qū)動和電阻式觸摸屏的驅(qū)動兩部分。

3.1 顯示屏驅(qū)動設(shè)計

為了把各種界面圖像顯示在液晶顯示屏上，需要設(shè)置處理器的顯示接口時序，LCD一般需要3個時序信號：VSYNC、HSYNC和VCLK。

(1)VSYNC是垂直同步信號，在每一個幀(即一個屏)的掃描之前，該信號就有效一次，由該信號可以確定LCD的場頻，即每秒屏幕刷新的次數(shù)(單位Hz)。

(2)HSYNC是水平同步信號，在每一行的掃描之前，該信號就有效一次，由該信號可以確定LCD的行頻，即每秒屏幕從左到右掃描一行的次數(shù)(單位Hz)。

(3)VCLK是像素時鐘信號。

相互關(guān)系如圖4和圖5所示。

圖4 LCD時序信號關(guān)系1Fig.4 Relationship 1 of LCD timing signal

圖5 LCD時序信號關(guān)系2Fig.5 Relationship 2 of LCD timing signal

LCD的時鐘源是HCLK，通過寄存器LCDCON1中的CLKVAL可以調(diào)整VCLK頻率大小，相互關(guān)系為：

VCLK=HCLK/[(CLKVAL+1)×2]

同時在每一幀時鐘信號中，還會有一些與屏顯示無關(guān)的時鐘出現(xiàn)，包括在HSYNC信號先后會有水平同步信號前肩(HFPD)和水平同步信號后肩(HBPD)出現(xiàn)，在VSYNC信號先后會有垂直同步信號前肩(VFPD)和垂直同步信號后肩(VBPD)出現(xiàn)，在這些信號時序內(nèi)，不會出現(xiàn)有效像素信號，而且HSYNC和VSYNC信號電平要保持一定的時間，分別叫作水平同步信號脈寬HSPW和垂直同步信號脈寬VSPW，這段時間也沒有有效像素信號。這些值是通過寄存器LCDCON2、LCDCON3和LCDCON4來配置，只要把這些值配置成與所要驅(qū)動的LCD中相關(guān)內(nèi)容的數(shù)據(jù)一致即可。

3.2 四線電阻觸屏驅(qū)動設(shè)計和校正

四線電阻式觸摸屏目前廣范應(yīng)用在各種工業(yè)控制場合，通過測量觸摸屏觸點處橫向縱向的電阻值獲得觸點在觸摸屏位置。

四線電阻觸摸屏在縱向和橫向一共需四根電纜，由上下兩層透明的金屬層構(gòu)成，每個金屬層在工作時都要加5 V電壓。

每當有手指或觸筆等硬物按在觸屏上時，觸點位置上下兩層的金屬層接觸，由于金屬層在縱向和橫向電阻都是線性的，就能測得觸點在這兩個方向的電壓值，該值相對于5 V電壓的比例等價于觸點位置相對于觸摸屏邊界的比例，進而轉(zhuǎn)換成觸摸屏上的坐標。

觸點位置的檢測是通過A/D采集-轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)的。由于S3C2440提供了A/D采集-轉(zhuǎn)換器，并包括了四線電阻式觸摸屏功能，把觸摸屏的4個引線連接到S3C2440處理器A/D轉(zhuǎn)換模塊指定的4個通路上即可。

在實際使用中，需要讓觸點和液晶屏上的像素點一一對應(yīng)，對于液晶屏而言，它的坐標以像素為單位，橫豎兩方向排列；而觸摸屏的橫豎兩方向并不與液晶屏一致，如果不校正，會出現(xiàn)兩者不一致的情況，即，觸點電阻值轉(zhuǎn)換出來的坐標與觸點在屏幕上的位置對應(yīng)不上。

為了實現(xiàn)觸摸屏上的觸點坐標與液晶屏上的觸點處像素點坐標一一對應(yīng)，使用三點對應(yīng)法進行校正，其原理是：在液晶屏上顯示一個亮點，其像素坐標為[X1，Y1]，使用觸筆按在該亮點上，通過A/D采集-轉(zhuǎn)換得到觸點在觸屏上的坐標為[X2，Y2]。依據(jù)下列公式形成兩個6元方程式：

X1=A×X2+B×Y2+C

Y1=D×X2+E×Y2+F

只要算出這6個參數(shù)(A，B，C，D，E，F(xiàn))，就可以實現(xiàn)觸點和液晶屏上的像素點一一對應(yīng)，為了算出這6個參數(shù)，只需要3個取樣點就可以，計算完成，把參數(shù)通過IIC總線保存到FLASH中。經(jīng)過校正的結(jié)果如圖6所示。

圖6 經(jīng)過校正后的觸屏和液晶屏Fig.6 Touch screen and LCD screen after correcting

4 軟件GUI設(shè)計

在本系統(tǒng)中，所有GUI界面都是由使用者自行定義，并且所有的界面按圖2所示的樹鏈表進行數(shù)據(jù)和命令的關(guān)聯(lián)，所有的界面都有惟一一個上級界面(初始界面除外)，有0個或1個或多個下級界面，上下級界面的聯(lián)系靠數(shù)據(jù)或命令，即界面可以輸入?yún)?shù)或命令實現(xiàn)控制功能的設(shè)置，也可以接收數(shù)據(jù)進行顯示，也可以接受命令切換到上下級界面?；リP(guān)聯(lián)算法的流程如圖7所示。

利用該算法把設(shè)置好的界面存入FLASH中，并關(guān)聯(lián)了“啟動”“數(shù)據(jù)輸出”“停止”的3個基本命令，進行實驗驗證，實驗效果如圖8和圖9所示。

圖8 初始界面Fig.8 Initial interface

圖9 運行界面Fig.9 Running interface

圖8表示系統(tǒng)的初始界面，此時系統(tǒng)尚未開始工作，點擊“啟動”處，界面變化成圖9，系統(tǒng)開始接受收據(jù)并顯示在各自的位置上。

5 結(jié) 論

實驗證明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程通用的工業(yè)操控平臺解決方案，系統(tǒng)采用S3C2440處理器驅(qū)動TFT液晶屏和觸摸屏，使用者把設(shè)計的界面與數(shù)據(jù)和命令進行交聯(lián)，再利用JATG開發(fā)接口把界面圖像存入FLASH，可以適用于多種工業(yè)監(jiān)控場合，具有成本低、開發(fā)難度低、實用性強、可定制、可修改的優(yōu)點，特別是隨著參數(shù)個數(shù)增加，其成本可減少到傳統(tǒng)方法的5%以下。

[1] 但永平，彭紅濤，王東云，等.EDMA在圖像數(shù)據(jù)快速傳輸中的應(yīng)用[J]. 液晶與顯示，2013，28(1)： 99-104.

Dan Y P，Peng H T，Wang D Y，etal. Application of EDMA in rapid transmission of image data [J].ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplays，2013，28(1)：99-104. (in Chinese).

[2] 趙星，王芳，楊勇，等. 集成成像三維顯示系統(tǒng)顯示性能的研究進展[J]. 中國光學，2012，5(3)：209-221.

Zhao X，Wang F，Yang Y，etal. Research progress of display performance of integral imaging three-dimensional display system [J].ChineseOptics，2012，5(3)：209-221.(in Chinese)

[3] 姜漫，吳志勇，曹騰.基于SOPC技術(shù)的VGA字符和圖像顯示系統(tǒng)[J]. 液晶與顯示，2013，28(1)：120-126.

Jiang M，Wu Z Y，Cao T. Characters and images VGA display system based on SOPC technology [J].ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplays，2013，28(1)：120-126. (in Chinese)

[4] 鄧春健，安源，呂燚，等. 顯示信息高速串行傳輸?shù)牟铄e控制[J]. 光學 精密工程，2012，20(3)：632-642.

Deng C J，An Y，Lv Y，etal. Error control of high speed serial display data transmission [J].OpticsandPrecisionEngineering，2012，20(3)：632-642.(in Chinese)

[5] 劉希佳，陳宇，王文生，等. 小目標識別的小波閾值去噪方法[J]. 中國光學，2012，5(3)：248-256.

Liu X J，Chen Y，Wang W S，etal. De-noising algorithm of wavelet threshold for small target detection [J].ChineseOptics，2012，5(3)：248-256.(in Chinese)

[6] 王健，陳洪斌，周國忠，等.改進的Brenner圖像清晰度評價算法[J].光子學報，2012，41(7)：855-858.

Wang J，Chen H B，Zhou G Z，etal. An improved brenner algorithm for image definition criterion [J].ActaPhotonicaSinica，2012，41(7)：855-858.(in Chinese)

[7] 張傳勝，鄭寒雨，鄧江東.基于SOPC的通用液晶觸摸屏控制器的設(shè)計[J]. 液晶與顯示，2013，27(5)：638-641.

Zhang C S，Zheng H Y，Deng J D. Control unit design for TFT touching screen based on SOPC [J].ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplays，2013，27(5)：638-641. (in Chinese)

[8] 程少園，胡立發(fā)，曹召良，等. 液晶自適應(yīng)光學在人眼眼底高分辨率成像中的應(yīng)用[J].中國激光，2009，36(10)：2524-2527.

Cheng S Y，Hu L F，Cao Z L，etal. Application of liquid crystal adaptive optics system on human eye fundus imaging with high spatial resolution [J].ChineseJournalofLasers，2009，36(10)：2524-2527.(in Chinese)

[9] 熊根良，陳初海，梁發(fā)云，等. 物理性人-機器人交互研究與發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 光學 精密工程，2013，21(2)：356-370.

Xiong G L，Chen C H，Liang F Y，etal. Research and development statue of physical human-robot interaction [J].OpticsandPrecisionEngineering，2013，21(2)：356-370.(in Chinese)

[10] 韓瑞雨，王晉疆，聶凱，等.不同對比度下自適應(yīng)的自動調(diào)焦新算法[J].光子學報，2012，41(2)：222-227.

Hah R Y，Wang J K，Nie K，etal. Adaptive autofocus technique under different contrast [J].ActaPhotonicaSinica，2012，41(2)：222-227.(in Chinese)