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一，發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的儀器儀表/工業(yè)控制系統(tǒng)也面臨著技術(shù)升級，產(chǎn)品更新?lián)Q代的考驗(yàn)。傳統(tǒng)的設(shè)計理念已經(jīng)無法滿足當(dāng)今社會的需要，主要體現(xiàn)在對產(chǎn)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(chǎn)品產(chǎn)生了革命性的影響，將產(chǎn)品的易用性和用戶體驗(yàn)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(yè)領(lǐng)域，儀器儀表/工業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)在保證性能的同時，其競爭力同樣會蔓延到用戶體驗(yàn)上，因此選擇一款合適的人機(jī)界面(液晶屏和用戶圖像界面GUI)成為了關(guān)鍵。 二，系統(tǒng)架構(gòu) 儀器儀表/工業(yè)控制系統(tǒng)典型架構(gòu)如下： 從框圖中可以看出，系統(tǒng)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(tǒng)的功能和人機(jī)界面的選擇有直接關(guān)系。如果系統(tǒng)功能不復(fù)雜，人機(jī)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(jī)做為主控，否則就需要選擇功能更強(qiáng)大，內(nèi)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(jī),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(shù)據(jù)采集的要求，因此有可能需要外加專門的AD轉(zhuǎn)換芯片。 3，驅(qū)動電路。這部分主要是對主控IO和外設(shè)連接的一個轉(zhuǎn)換，比如傳感器驅(qū)動，開關(guān)驅(qū)動，繼電器驅(qū)動，和電機(jī)驅(qū)動。 4，人機(jī)界面。主要包括顯示部分，如液晶屏/數(shù)碼管；輸入輸出設(shè)備，如鍵盤，觸摸，指示燈和聲音等。 三，人機(jī)界面選擇 1， 數(shù)碼管 主要針對顯示項(xiàng)目單一，并且顯示內(nèi)容局限于數(shù)字的系統(tǒng)。 數(shù)碼管驅(qū)動簡單，穩(wěn)定性好，價格低廉，可使用主控處理器的IO直接驅(qū)動，IO有限時，也可以使用串轉(zhuǎn)并(移位)芯片比如74HC595間接驅(qū)動。數(shù)碼管顯示基本談不上人機(jī)交互和用戶體驗(yàn)。 2， 黑白液晶/小尺寸彩色液晶 傳統(tǒng)的儀器儀表/工業(yè)控制系統(tǒng)大部分都采樣黑白液晶作為顯示和交互。黑白液晶優(yōu)點(diǎn)是價格較低，功耗低，可視性好(比如戶外/陽光下)，單片機(jī)可直接驅(qū)動。但黑白液晶顯示基本上以單一的文字為主，設(shè)計的界面以實(shí)用性為主，配以簡單的按鍵輸入，美觀性比較差，當(dāng)然更談不上用戶體驗(yàn)。 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(shù)的日臻完善以及大規(guī)模使用導(dǎo)致的價格下降，小尺寸彩色液晶也逐漸在儀器儀表/工業(yè)控制領(lǐng)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(yè)控制領(lǐng)域大規(guī)模使用，必須解決以下問題： A, 驅(qū)動問題。儀表/工業(yè)控制系統(tǒng)大部分都采樣單片機(jī)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(dǎo)致刷屏效果差。 B，存儲問題。要想發(fā)揮小尺寸彩色液晶的界面優(yōu)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(nèi)存FLASH空間，比如一個16*16的簡體中文字庫需要至少256K字節(jié)FLASH, 一張320*240的圖片需要占用150K字節(jié)的FLASH。如果都存儲到處理器的FLASH中，會導(dǎo)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(fā)光器件，需要其背光亮度比環(huán)境亮度強(qiáng)，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(jī)換成ARM COTEX M3處理器，該處理器跟單片機(jī)一樣都內(nèi)置FLASH和RAM, 容量比單片機(jī)的更大，所以編程更方便，價格也與單片機(jī)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(jié))。這種方法由于涉及到更換處理器，所以需要重新設(shè)計系統(tǒng)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(nèi)置字庫和存儲器，只需要通過串口發(fā)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(nèi)置3種不同大小的字庫，以及圖片存儲器，同時內(nèi)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(jī)的串口連接，發(fā)送指令進(jìn)行顯示，因此系統(tǒng)硬件基本不需要做修改，就可以將產(chǎn)品升級到彩色時代。 3， 大尺寸彩色液晶屏 要想產(chǎn)品真正達(dá)到具有良好的易用性和用戶能體驗(yàn)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(chǎn)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(chǎn)品的形象和競爭力，徹底改變工業(yè)控制領(lǐng)域的呆板形象。使用大尺寸彩色液晶屏，對研發(fā)設(shè)計能力更新較慢的工業(yè)控制領(lǐng)域，無疑是一次全新的挑戰(zhàn)： A，驅(qū)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(jié)RAM。這兩點(diǎn)成為了單片機(jī)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(shè)計。彩色液晶屏行列掃描接口要求掃描頻率高達(dá)幾十兆HZ，ARM9/DSP系統(tǒng)則運(yùn)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(shè)計的穩(wěn)定性是個極大的挑戰(zhàn)，特別是工業(yè)領(lǐng)域。這種設(shè)計復(fù)雜度遠(yuǎn)非單片機(jī)系統(tǒng)可比。 C，軟件設(shè)計。ARM/DSP的系統(tǒng)移植，操作系統(tǒng)的運(yùn)行，圖形界面的設(shè)計以及觸摸屏的控制，都將使軟件設(shè)計的復(fù)雜度連上好幾個臺階，其復(fù)雜度幾乎可以媲美手機(jī)和平板電腦。 針對上述幾點(diǎn)，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(tǒng)配以GUI系統(tǒng)，比如MiniGUI、 Microwindows 、OpenGUI 、Qt等等。該方案的優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大，缺點(diǎn)是成本較高，硬件設(shè)計比較復(fù)雜，對生產(chǎn)的要求也比較高(BGA封裝，多層板)，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件設(shè)計也都非常復(fù)雜，開發(fā)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(jīng)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(dāng)然你要是準(zhǔn)備用單片機(jī)可能稍顯不理智(雖然也能開發(fā)出產(chǎn)品，但效果和性能無疑大打折扣)。該方案主要是硬件設(shè)計會比第1種方案簡單，但軟件設(shè)計方面卻顯得左右為難，使用GUI系統(tǒng)很難和串口指令配合且效率太低，不使用GUI系統(tǒng)，界面設(shè)計又會變的異常繁瑣，為設(shè)計一個比較美觀的界面，必須大量使用圖片操作，導(dǎo)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(jīng)使用該方案設(shè)計過一款產(chǎn)品，主控處理器選用了STM32F103序列ARM COTEX M3處理器，硬件設(shè)計不費(fèi)周折就圓滿完成，軟件設(shè)計歷時三個月，大部分時間都花費(fèi)在界面設(shè)計和觸摸屏處理上。完成之后，發(fā)現(xiàn)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(fā)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(qū)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(nèi)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(yè)嵌入式操作系統(tǒng), 多任務(wù)運(yùn)行，響應(yīng)速度極快4M/8M 數(shù)據(jù)存儲區(qū)變量存儲/自動恢復(fù)7寸真彩液晶屏，800*480分辨率工業(yè)界面(GUI)，效果類似電腦，簡單易開發(fā)高精度觸摸屏內(nèi)置觸摸屏驅(qū)動/應(yīng)用，全觸摸操作/輸入8路12位/16位 AD 采樣內(nèi)置AD驅(qū)動，支持單端/差分模式15路通用IO口，2路外部中斷輸入內(nèi)置驅(qū)動，支持輸入/輸出/PWM1路IIC總線內(nèi)置IIC驅(qū)動，輕松連接外設(shè)2路串口(TTL/232電平)，1路485口內(nèi)置收發(fā)驅(qū)動，支持GPRS/GPS等3路指示燈直接使用IO驅(qū)動蜂鳴器內(nèi)置驅(qū)動，觸摸音效，按鍵音效及自定義音效實(shí)時時鐘內(nèi)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(yīng)用，當(dāng)U盤使用，讀寫U盤(可選)工業(yè)級器件，寬電壓，防靜電/電磁干擾內(nèi)置電池管理/充電管理 使用AtPAD首先在硬件設(shè)計上會變得非常簡單，系統(tǒng)架構(gòu)變化如下圖， AtPAD替代了典型架構(gòu)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(qū)動電路。 軟件方面，AtPAD提供PC模擬開發(fā)環(huán)境(VC)，以及C語言板級開發(fā)包，模塊直接調(diào)用；JTAG調(diào)試。PC上開發(fā)好后可以直接移植到板級開發(fā)包。這樣軟件開發(fā)變得非常簡單且易于調(diào)試。下圖是筆者使用AtPAD花了2天即設(shè)計出的一個界面和界面中的應(yīng)用。 四，結(jié)束語 儀器儀表/工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行顯示系統(tǒng)和用戶交互的升級換代已經(jīng)是勢在必行，選擇一款合適的顯示產(chǎn)品以及選擇合適的系統(tǒng)架構(gòu)對產(chǎn)品的開發(fā)和成本起了決定性的作用，好的系統(tǒng)架構(gòu)選擇對產(chǎn)品的開發(fā)起到了事半功倍的作用。 作者聯(lián)系方式： MSN/EMAIL：zhang8546@hotmail.com QQ：544722884 |
