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一，發展趨勢 隨著現代電子技術的發展，傳統的儀器儀表/工業控制系統也面臨著技術升級，產品更新換代的考驗。傳統的設計理念已經無法滿足當今社會的需要，主要體現在對產品的交互性，易用性和美觀性的更高要求。蘋果iphone/ipad的推出對便攜電子產品產生了革命性的影響，將產品的易用性和用戶體驗提升到了一個全新的高度。這種革新同樣會慢慢滲透到工業領域，儀器儀表/工業工業控制系統在保證性能的同時，其競爭力同樣會蔓延到用戶體驗上，因此選擇一款合適的人機界面(液晶屏和用戶圖像界面GUI)成為了關鍵。 二，系統架構 儀器儀表/工業控制系統典型架構如下： 從框圖中可以看出，系統主要分為四個部分： 1，主控部分，主要是處理器。處理器的選擇跟整個系統的功能和人機界面的選擇有直接關系。如果系統功能不復雜，人機界面選擇黑白液晶屏或小尺寸彩色屏(3.5英寸以下)，則可以選擇單片機做為主控，否則就需要選擇功能更強大，內容更多的DSP/ARM等中高端處理器。 2，AD采集芯片。一般來說，單片機,ARM COTEX等中低端處理器都自帶有AD，但精度和速度都比較低，一般是10位或12位，大部分情況下都不能滿足數據采集的要求，因此有可能需要外加專門的AD轉換芯片。 3，驅動電路。這部分主要是對主控IO和外設連接的一個轉換，比如傳感器驅動，開關驅動，繼電器驅動，和電機驅動。 4，人機界面。主要包括顯示部分，如液晶屏/數碼管；輸入輸出設備，如鍵盤，觸摸，指示燈和聲音等。 三，人機界面選擇 1， 數碼管 主要針對顯示項目單一，并且顯示內容局限于數字的系統。 數碼管驅動簡單，穩定性好，價格低廉，可使用主控處理器的IO直接驅動，IO有限時，也可以使用串轉并(移位)芯片比如74HC595間接驅動。數碼管顯示基本談不上人機交互和用戶體驗。 2， 黑白液晶/小尺寸彩色液晶 傳統的儀器儀表/工業控制系統大部分都采樣黑白液晶作為顯示和交互。黑白液晶優點是價格較低，功耗低，可視性好(比如戶外/陽光下)，單片機可直接驅動。但黑白液晶顯示基本上以單一的文字為主，設計的界面以實用性為主，配以簡單的按鍵輸入，美觀性比較差，當然更談不上用戶體驗。 小尺寸彩色液晶主要是指3.5英寸以下的真彩色液晶屏。近年來，隨著液晶屏技術的日臻完善以及大規模使用導致的價格下降，小尺寸彩色液晶也逐漸在儀器儀表/工業控制領域大行其道，大有全面替代黑白液晶之勢。 小尺寸彩色液晶要想在儀器儀表/工業控制領域大規模使用，必須解決以下問題： A, 驅動問題。儀表/工業控制系統大部分都采樣單片機或低端ARM芯片如COTEX M0/M3, 這些處理器基本上都沒有外置總線，而小尺寸彩色液晶都是采樣8位或16位外部總線讀寫，直接連接的話需要使用IO模擬外部總線，這樣的話占用了處理器的很多IO，并且速度較低，直接會導致刷屏效果差。 B，存儲問題。要想發揮小尺寸彩色液晶的界面優勢，需要有字庫和圖片配合，而字庫和圖片需要占用比較多的內存FLASH空間，比如一個16*16的簡體中文字庫需要至少256K字節FLASH, 一張320*240的圖片需要占用150K字節的FLASH。如果都存儲到處理器的FLASH中，會導致處理器的選型大受局限，成本大幅度提高。 C，可視性問題。彩色液晶屬于被動發光器件，需要其背光亮度比環境亮度強，才能看的清楚。因此，如果是室外使用，需要選特殊型號。 針對上述問題，解決方法主要是從兩方面入手： (1)，更換速度比較快的主控處理器，例如將單片機換成ARM COTEX M3處理器，該處理器跟單片機一樣都內置FLASH和RAM, 容量比單片機的更大，所以編程更方便，價格也與單片機相差無幾；外接SPI的FLASH芯片存儲字庫和圖片(單片容量可以到8M字節)。這種方法由于涉及到更換處理器，所以需要重新設計系統的硬件和軟件。 (2)，采樣成熟的串口彩色液晶模塊。串口彩色液晶模塊一般都內置字庫和存儲器，只需要通過串口發送指令即可顯示字和圖形。 例如北京愛傳科技推出的ATC序列串口液晶模塊，該模塊內置3種不同大小的字庫，以及圖片存儲器，同時內置高效圖片解析器，可以快速地直接顯示多種格式的BMP文件，只需要簡單的串口指令即可顯示出漂亮的界面。同時該序列還有陽光下可視型號，徹底解決使用彩色液晶屏的諸多問題。 使用串口液晶模塊，可以直接使用單片機的串口連接，發送指令進行顯示，因此系統硬件基本不需要做修改，就可以將產品升級到彩色時代。 3， 大尺寸彩色液晶屏 要想產品真正達到具有良好的易用性和用戶能體驗的級別，大尺寸彩色液晶屏將成為必然選擇。5寸~8寸，帶觸摸的真彩色液晶顯示屏，才有可能使我們的產品跟上后IPAD時代的腳步。 大尺寸彩色液晶屏，漂亮的圖形界面加上全觸屏操作，必將極大提升產品的形象和競爭力，徹底改變工業控制領域的呆板形象。使用大尺寸彩色液晶屏，對研發設計能力更新較慢的工業控制領域，無疑是一次全新的挑戰： A，驅動。大尺寸彩色液晶屏都使用行列掃描接口，必須外置圖形緩存，比如一個800*480的液晶屏，要求主控處理器提供的緩存至少就是750K字節RAM。這兩點成為了單片機等低端處理器無法逾越的鴻溝，甚至ARM7處理器都無法滿足。因此，我們需要將主控處理器升級到ARM9/DSP級別。 B，硬件設計。彩色液晶屏行列掃描接口要求掃描頻率高達幾十兆HZ，ARM9/DSP系統則運行在幾百兆HZ，同時外置大容量高速FLASH和SDRAM存儲，這對硬件設計的穩定性是個極大的挑戰，特別是工業領域。這種設計復雜度遠非單片機系統可比。 C，軟件設計。ARM/DSP的系統移植，操作系統的運行，圖形界面的設計以及觸摸屏的控制，都將使軟件設計的復雜度連上好幾個臺階，其復雜度幾乎可以媲美手機和平板電腦。 針對上述幾點，我們可以采用以下方案： (1) ARM9+彩色液晶屏+觸摸屏方案。我們需要選擇具有掃描型LCD接口的ARM9序列，例如三星的S3C2410序列。軟件方面可以移植比較成熟的LINUX系統配以GUI系統，比如MiniGUI、 Microwindows 、OpenGUI 、Qt等等。該方案的優點是功能強大，缺點是成本較高，硬件設計比較復雜，對生產的要求也比較高(BGA封裝，多層板)，系統軟件和應用軟件設計也都非常復雜，開發周期比較長。 (2) ARM7/COTEX M3+彩色串口液晶屏方案。目前市面上已經有比較成熟的大尺寸彩色串口液晶屏模塊。該方案對主控處理器要求稍低，當然你要是準備用單片機可能稍顯不理智(雖然也能開發出產品，但效果和性能無疑大打折扣)。該方案主要是硬件設計會比第1種方案簡單，但軟件設計方面卻顯得左右為難，使用GUI系統很難和串口指令配合且效率太低，不使用GUI系統，界面設計又會變的異常繁瑣，為設計一個比較美觀的界面，必須大量使用圖片操作，導致程序可讀性很差，升級困難；并且對鍵盤的處理尤其麻煩。筆者曾經使用該方案設計過一款產品，主控處理器選用了STM32F103序列ARM COTEX M3處理器，硬件設計不費周折就圓滿完成，軟件設計歷時三個月，大部分時間都花費在界面設計和觸摸屏處理上。完成之后，發現想添加一些功能，修改一些界面變的異常麻煩。 (3)使用智能液晶屏。所謂智能液晶屏，是指液晶屏本身除了顯示之外，具備了其他完善的軟硬件功能，以及配備成熟的軟件開發平臺。以筆者使用過的北京愛傳科技的AtPAD系列智能液晶面板為例，AtPAD由ARM9處理器驅動, 集成32MRAM, 128M FLASH, 集成了豐富的硬件資源，包括：觸摸屏，按鍵，通用IO, 多路AD, U盤讀寫，UART/485，GPRS通訊等，內置全套的圖形界面，包括文本框，選擇框，按鍵，自定義控件等，并支持矢量字庫。具體資源如下： 硬件配置： 軟件配置：ARM9處理器，32M SDRAM, 128M FLASH工業嵌入式操作系統, 多任務運行，響應速度極快4M/8M 數據存儲區變量存儲/自動恢復7寸真彩液晶屏，800*480分辨率工業界面(GUI)，效果類似電腦，簡單易開發高精度觸摸屏內置觸摸屏驅動/應用，全觸摸操作/輸入8路12位/16位 AD 采樣內置AD驅動，支持單端/差分模式15路通用IO口，2路外部中斷輸入內置驅動，支持輸入/輸出/PWM1路IIC總線內置IIC驅動，輕松連接外設2路串口(TTL/232電平)，1路485口內置收發驅動，支持GPRS/GPS等3路指示燈直接使用IO驅動蜂鳴器內置驅動，觸摸音效，按鍵音效及自定義音效實時時鐘內置接口，支持界面直接顯示時間USB口連接電腦，USB口讀取U盤(可選)直接應用，當U盤使用，讀寫U盤(可選)工業級器件，寬電壓，防靜電/電磁干擾內置電池管理/充電管理 使用AtPAD首先在硬件設計上會變得非常簡單，系統架構變化如下圖， AtPAD替代了典型架構中的主控制器，顯示屏，輸入輸出，通訊接口，AD芯片等等，外圍只剩下簡單的一些驅動電路。 軟件方面，AtPAD提供PC模擬開發環境(VC)，以及C語言板級開發包，模塊直接調用；JTAG調試。PC上開發好后可以直接移植到板級開發包。這樣軟件開發變得非常簡單且易于調試。下圖是筆者使用AtPAD花了2天即設計出的一個界面和界面中的應用。 四，結束語 儀器儀表/工業控制系統進行顯示系統和用戶交互的升級換代已經是勢在必行，選擇一款合適的顯示產品以及選擇合適的系統架構對產品的開發和成本起了決定性的作用，好的系統架構選擇對產品的開發起到了事半功倍的作用。 作者聯系方式： MSN/EMAIL：zhang8546@hotmail.com QQ：544722884 |
