摘 要： 介紹了基于TMS320F2812 DSP控制液晶顯示的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法。結(jié)合HX8309-A液晶控制器與DSP芯片的特點(diǎn)設(shè)計了兩者的硬件接口電路，給出了字符、24 bit BMP圖像與振動數(shù)據(jù)波形顯示的軟件設(shè)計思路與部分程序。在此基礎(chǔ)上對液晶顯示模塊的功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,如減少液晶模塊功耗、加快液晶刷新速率、考慮突發(fā)情況等，增強(qiáng)用戶體驗與系統(tǒng)的人性化，為一些手持設(shè)備的圖像顯示與管理提供了一種可借鑒的方法。
關(guān)鍵詞： 手持振動分析儀；液晶顯示模塊；HX8309-A；TMS320F2812；優(yōu)化設(shè)計
隨著生產(chǎn)設(shè)備的日益大型化、復(fù)雜化、綜合化，工業(yè)生產(chǎn)對設(shè)備的依賴程度越來越高。在設(shè)備出現(xiàn)故障前及時發(fā)現(xiàn)問題并采取有效的措施，不僅可減少工廠生產(chǎn)損失，更可以減少或避免人員傷亡與環(huán)境污染。對于一般設(shè)備，其出現(xiàn)的故障不會造成工廠大面積停產(chǎn)，可以采用離線監(jiān)測設(shè)備對其進(jìn)行周期或非周期性檢測。本文的手持振動分析儀就是專為完成該功能而設(shè)計的。
該手持振動分析儀配有相應(yīng)的液晶顯示模塊，直觀給出當(dāng)前工作溫度與振動信息，方便用戶對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。由于本手持振動分析儀具有信號頻譜顯示功能，綜合考慮采用高速信號處理器TMS320F2812（以下簡稱F2812） DSP作為系統(tǒng)處理器。本文著重介紹了在手持振動分析儀中應(yīng)用的一種基于DSP的液晶顯示模塊，并對其進(jìn)行了優(yōu)化。
1 系統(tǒng)介紹
手持振動分析儀的硬件主要包括電源管理模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、F2812 DSP微處理器模塊、液晶顯示模塊和接口模塊。鍵盤和液晶屏作為該手持設(shè)備人機(jī)接口的輸入、輸出設(shè)備。
圖1給出了該設(shè)備數(shù)據(jù)采集、處理與顯示部分結(jié)構(gòu)圖。具體工作過程為：由傳感器采集的信號經(jīng)過調(diào)理電路進(jìn)行濾波與適度放大，送入AD芯片，再經(jīng)過F2812 DSP進(jìn)行FFT變換與頻譜分析，最終在液晶屏上顯示時域波形或頻域波形。
2 硬件設(shè)計
2.1 HX8309-A特點(diǎn)簡介
本系統(tǒng)液晶顯示模塊為自定制。液晶屏采用晶采光電的2.0寸176×220點(diǎn)陣式TFT彩色液晶AM-176220JTNQW-00H-B，具有亮度高、分辨率適中、色彩飽和度好等特點(diǎn)。其控制器采用Himax公司的TFT彩屏控制器HX8309-A，主要特點(diǎn)[1]如下：(1)內(nèi)部擁有一個87 120 B圖形顯示緩存RAM； (2)支持低功率消耗結(jié)構(gòu),供電電壓在2.4 V~3.3 V范圍內(nèi)也能正常工作； (3)通過配置寄存器，可設(shè)置為向液晶GRAM寫入數(shù)據(jù)，并且地址寄存器沿X地址或Y地址自動加1（或減1）。如設(shè)置為地址沿X方向自動加1，到行尾時將自動跳到下一行行首，無需每次都寫入地址，從而大大提高了液晶刷圖速度；(4)支持軟件節(jié)能功能，可選擇待機(jī)模式、睡眠模式或8色模式以減少液晶顯示模塊的功耗。
2.2 液晶顯示模塊與F2812硬件接口
F2812具有外部接口XINTF，而液晶顯示模塊的工作電壓范圍是從2.4 V~3.3 V，兩者電平相容，可直接相連而無需任何電平轉(zhuǎn)換電路。如圖2所示，液晶顯示模塊數(shù)據(jù)線與F2812的外圍數(shù)據(jù)接口XD[0]~XD[15]相連；液晶顯示模塊的復(fù)位管腳、片選、讀寫控制線分別與F2812的復(fù)位腳、外部接口區(qū)選擇信號線、讀寫選通信號相連，液晶顯示模塊的RS引腳與F2812通用輸入/輸出GPIOF9相連，該引腳控制向寄存器寫命令（RS=1）或者向寄存器寫數(shù)據(jù)（RS=0）。當(dāng)F2812的外部接口區(qū)選擇信號線被選中時，該引腳自動變低，因此液晶顯示模塊與其無需地址信號線,大大簡化了系統(tǒng)間的硬件連接。
2.3 系統(tǒng)外部存儲與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊
系統(tǒng)通過F2812外部接口擴(kuò)展兩片512 KB×16 SRAM，通過SPI接口外接兩片F(xiàn)lash芯片以完成大量信號數(shù)據(jù)與圖形用戶界面圖片的數(shù)據(jù)處理、顯示與存儲。需要在系統(tǒng)掉電后也能保存的數(shù)據(jù)（如圖形用戶界面圖片和需要上傳到上位機(jī)的信號數(shù)據(jù)等）均保存在Flash芯片中，系統(tǒng)臨時性數(shù)據(jù)可以放入SRAM，這樣既提高了讀寫數(shù)據(jù)的速度，也確保了有用數(shù)據(jù)的安全性。
3 軟件設(shè)計
考慮程序編寫的規(guī)范性，與液晶顯示模塊相關(guān)的程序都放入一個C文件中，編寫相應(yīng)函數(shù)模塊，并供系統(tǒng)軟件全局調(diào)用。
3.1字符的顯示
可使用取字模軟件或網(wǎng)上現(xiàn)成的字符數(shù)組得到對應(yīng)的數(shù)組數(shù)據(jù)。將該數(shù)組存入F2812的存儲器中，再逐位讀入，1對應(yīng)填充前景色，0對應(yīng)背景色。其中，字寬不是8的倍數(shù)的用0填充，補(bǔ)齊至8的倍數(shù)。具體顯示字符的代碼如下：
將要顯示的字符寫入目標(biāo)地址中，待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好液晶全屏顯示
Input FromBuff: 字符數(shù)組源地址
Input ToBuff: 目標(biāo)地址
Input beg_x, beg_y: 液晶顯示的起始X、Y坐標(biāo)
Input nWidth, nHeight: 字寬與字高
Input backcolor: 背景色
Input fontcolor: 前景色
void Show(Uint16 *FromBuff,Uint16 *ToBuff, int16 beg_x, int16 beg_y, int16 nWidth, int16 nHeight , Uint16 backcolor, Uint16 fontcolor)
{
Uint16 i,j,l,width;
Uint16 bit[16]; // 1~16 bit字寬均可
width = nWidth;
while(width % 8 != 0) //字寬不是8的倍數(shù)要補(bǔ)0
width++;
for(j=beg_x+nWidth; j>beg_x;j--)
{
for(l = 0; l < width / 8; l++)
{
for(i = 0; i < 8; i++)
{
bit[i+l*8]=((*FromBuff)>>(7-i)) & 0x01;
if(bit[i+l*8]==0) bit[i+l*8]=backcolor;
else bit[i+l*8]=fontcolor;
}
FromBuff++;
}
for(i=0; i<nHeight; i++)
*(ToBuff + 176*(220-i-beg_y) + j ) = bit[i];
//將需要顯示的字符信息寫入SRAM目標(biāo)地址中，等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好液晶全屏顯示
}
}
3.2 BMP圖形顯示
本設(shè)計用戶界面使用24 bit BMP文件，而數(shù)據(jù)接口采用16 bit，為方便數(shù)據(jù)處理并節(jié)省存儲空間，在儲存數(shù)據(jù)時就先將24 bit數(shù)據(jù)按照rgb565格式轉(zhuǎn)為16 bit數(shù)據(jù)儲存到Flash中，再對其進(jìn)行讀出、修改。需要注意的是，大多BMP文件都是倒向的位圖，即圖像的第一行數(shù)據(jù)是儲存在BMP文件的最后一行，因此在讀取圖像數(shù)據(jù)時需要與其他類型數(shù)據(jù)的顯示區(qū)別開。
3.3 波形顯示
先從Flash中將波形顯示圖像數(shù)據(jù)讀取到SRAM中，再將波形數(shù)據(jù)寫入SRAM相應(yīng)位置，待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后再在液晶屏上整體顯示。舉例說明，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到一組數(shù)字信號共1 024點(diǎn)，液晶上代表時間軸坐標(biāo)顯示范圍為17~113，故在該范圍內(nèi)需1 024/(113-17)=10，即每10點(diǎn)在同一時間點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行顯示，多余的點(diǎn)予以舍棄。接下來的描點(diǎn)畫線可以有兩種處理方法：一種是在每組的10個點(diǎn)中分別找出最大與最小值，再對這兩點(diǎn)進(jìn)行描線；另一種是在同一時間刻度點(diǎn)上將這10點(diǎn)進(jìn)行兩兩描點(diǎn)畫線，得到在該時刻的最大與最小值。經(jīng)實(shí)驗，兩種方法耗時相近。前種方法得到的波形相對光滑，但由于每組數(shù)據(jù)均需找到最小與最大，會增加軟件的長度與復(fù)雜度；后一種方法思路簡單，軟件復(fù)雜度降低，只需重復(fù)描點(diǎn)畫線。因此本設(shè)計采用后一種波形顯示方法。
采用小振動臺測得對象溫度與速度信號時域波形的顯示效果如圖3所示。
以上內(nèi)容只介紹了液晶模塊的基本操作與應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上還可以考慮對液晶模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如對液晶顯示模塊在硬件及軟件方面進(jìn)行低功耗設(shè)計。另外，液晶刷新速率慢則效率低下；太快不僅耗能，而且可能會使DSP對其他響應(yīng)變慢，因此其刷新速率也是需要著重考慮的地方。再有，增加人性化的設(shè)計，讓用戶更輕松、貼心地使用產(chǎn)品。
4 液晶顯示模塊的優(yōu)化
4.1系統(tǒng)低功耗設(shè)計
硬件方面，主要是對液晶背光方面進(jìn)行考慮。液晶背光源使用的驅(qū)動電源有一定的工作電壓范圍，在這個范圍內(nèi)液晶背光的亮度與工作電流配比最佳。當(dāng)小于工作電壓范圍的最小值時，工作電流雖小但背光亮度差；大于這個工作電壓范圍的最大值，背光亮度無明顯變化而工作電流卻會以直線形式增加[2]，不僅增加功耗，也會使液晶工作一段時間后發(fā)熱發(fā)燙，影響液晶顯示效果。因此需要選擇合適的背光電阻將工作電壓調(diào)整好以達(dá)到最佳的液晶背光亮度與電流配比。
軟件方面，由于液晶顯示模塊支持待機(jī)模式與休眠模式，在設(shè)計中考慮，若系統(tǒng)在一段設(shè)定時間內(nèi)無操作，F(xiàn)2812向液晶控制寄存器發(fā)送命令，啟動待機(jī)模式、休眠模式或8色顯示模式以達(dá)到節(jié)能的目的；一旦有新的操作，再喚醒液晶顯示模塊。
4.2 液晶屏刷新速率的提高
本液晶顯示模塊所選用的液晶控制器速度足以滿足需求，所用處理芯片F(xiàn)2812的處理速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比液晶屏控制器快，因此在兩者都選定后，軟件的設(shè)計就成為提高液晶屏刷新速率的關(guān)鍵。
采用液晶突發(fā)模式，每次只需要設(shè)定起始地址，液晶地址寄存器便在每次讀寫數(shù)據(jù)后按所設(shè)置的方式，地址自動加1或減1，刷新速率較快。
液晶全屏顯示一幅176×220的24 bit BMP圖像需要先將圖像數(shù)據(jù)從Flash讀取到RAM中，再將數(shù)據(jù)傳送到液晶顯示模塊予以顯示。采用F2812內(nèi)部定時器進(jìn)行定時，前一步驟耗時約839 ms，而液晶顯示只需41 ms。這樣用戶在菜單選擇時，按下一個鍵至少需等待880 ms下一幅圖才顯示完全，遠(yuǎn)不能滿足人眼需求。
由此看出，圖像顯示的耗時主要在圖像數(shù)據(jù)從Flash讀取到SRAM過程中。在此基礎(chǔ)之上，考慮增加顯示緩存，即在將當(dāng)前界面數(shù)據(jù)從Flash讀至SRAM并在液晶上予以顯示時，考慮下一步所有可能的按鍵操作，在后臺將可能出現(xiàn)的下幾幅圖像數(shù)據(jù)讀至SRAM的后續(xù)地址中，再根據(jù)實(shí)際的按鍵操作確定SRAM的相應(yīng)圖像數(shù)據(jù)起始地址。這樣就避免了后續(xù)操作中圖像數(shù)據(jù)從Flash向SRAM傳遞的過程，使圖像顯示速度加快，用戶體驗得到了很好的改善。
4.3系統(tǒng)人性化考慮
除了基本設(shè)計外，還需盡可能多地考慮某些突發(fā)狀況。當(dāng)儀器的某個鍵被長久按壓時（如異物的擠壓），可視為是對儀器的誤操作。但如果不在軟件方面對這種情況進(jìn)行考慮，系統(tǒng)會對儀器的操作進(jìn)行響應(yīng)，出現(xiàn)不希望的結(jié)果的同時也增加了耗能。
針對這種情況，可以在軟件設(shè)計中考慮，在某個鍵被持續(xù)按下超過系統(tǒng)設(shè)定的時間后，液晶屏上彈出一個窗口，詢問用戶是否選擇長按該鍵以進(jìn)行操作。如果是被某個東西壓住某個鍵，則在一段時間內(nèi)不會有對此詢問的回應(yīng)，液晶顯示模塊將進(jìn)入待機(jī)模式或者休眠模式以節(jié)能；如果是用戶的真實(shí)操作，用戶此時只需按照菜單進(jìn)行選擇便可進(jìn)行下一步的操作。
參考文獻(xiàn)
[1] HX8309-A 176RGB×220 dot, 262, 144-Color TFT controller Driver with Internal RAM[EB/OL](2005-11-xx)
[2012-02-26]．http://www.mcuchina.com/tft_doc/HX8309-A_2.0.pdf．
[2] 李維諟，郭強(qiáng)．液晶顯示應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2000：213-214．