一種新型液晶顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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陳 峰 葉一枝 劉家樂(lè)
(上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海200070)
摘要：針對(duì)嵌入式顯示技術(shù)在低成本應(yīng)用場(chǎng)合的需求，設(shè)計(jì)了一套新型的液晶顯示系統(tǒng)。以TIL138 - EVM開(kāi)發(fā)板為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用較低成本的超扭曲向列型液晶顯示器( STN - LCD)，并開(kāi)發(fā)了其在ARM端的驅(qū)動(dòng)程序；利用TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了通信數(shù)據(jù)在液晶屏上的顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)應(yīng)用于低成本場(chǎng)合的可行性，為嵌入式技術(shù)及顯示技術(shù)的應(yīng)用提供了更多參考。
關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)液晶顯示系統(tǒng)微處理單元數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議軟硬件設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TP399；TH6 DOI:10. 16086/j．cnki. issnl000 - 0380. 201604022
0引言
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式技術(shù)已經(jīng)廣泛地滲透到人們生活的各個(gè)方面，各種新型的嵌入式設(shè)備在應(yīng)用數(shù)量和應(yīng)用場(chǎng)合上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了通用計(jì)算機(jī)。在一些需要交互性和內(nèi)存空間的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的基于微處理控制單元(MCU)+液晶顯示模塊的解決方案就不能很好地滿足要求。此外，ARM技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，內(nèi)部采用的Linux操作系統(tǒng)由于擁
有性能優(yōu)良、源碼開(kāi)放、內(nèi)核定制、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，逐漸在對(duì)傳統(tǒng)解決方案的更新?lián)Q代中突顯優(yōu)勢(shì)。
本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于ARM+LCD顯示系統(tǒng)的解決方案，其中采用性價(jià)比較高的STN - LCD代替常見(jiàn)但較貴的TFT - LCD作為顯示模塊。系統(tǒng)中編寫(xiě)的基于GPIO的液晶屏驅(qū)動(dòng)程序的移植性很強(qiáng)，可將其移植到類似的液晶屏顯示系統(tǒng)中，并為一些對(duì)性價(jià)比要求較高的場(chǎng)合提供參考和實(shí)踐價(jià)值。
1硬件平臺(tái)搭建
系統(tǒng)以O(shè)MAP - L138中的ARM9為核心搭建硬件平臺(tái)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)嵌的TCP/IP通信鏈路傳送給基于STN - LCD的液晶屏，并實(shí)時(shí)顯示。此系統(tǒng)采用模塊化獨(dú)立設(shè)計(jì)，從功能上可以分成三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
其中，數(shù)據(jù)采集模塊可以根據(jù)需要和實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)（包括ARM端的程序?qū)崿F(xiàn)和DSP端的程序?qū)崿F(xiàn)）。本實(shí)驗(yàn)中，采用在ARM核運(yùn)行的示例程序進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)。
1.1 0MAP - L138介紹
核心處理模塊采用TI公司推出的雙核低功耗處理器OMAP - L138，其芯片內(nèi)部集成了300 MH的ARM926EJ和300 MHz的TMS320C674X浮點(diǎn)DSP，片上資源也相當(dāng)豐富，包括多種通信接口，芯片的集成度非常高。本實(shí)驗(yàn)主要介紹基于ARM核實(shí)現(xiàn)的顯示系統(tǒng)，包括采集、轉(zhuǎn)發(fā)和顯示。此外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊也可使用DSP實(shí)現(xiàn)。
1.2液晶屏顯示
液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）是一種采用了液晶控制透光度技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)色彩的顯示器。LCD有很多類型，如TN、STN、TFT、OLED等。TN、STN和TFT型顯示器因?yàn)橐壕Х肿优まD(zhuǎn)原理的不同，在彩化、動(dòng)畫(huà)和視角上都有明顯的差異，使得這3類產(chǎn)品的應(yīng)用范圍有所不同。其中，STN較于TN畫(huà)面切換速度快，較于TFT成本低，因此在信息控制設(shè)備中應(yīng)用廣泛�；谛阅芎统杀镜目紤]，本實(shí)驗(yàn)采用STN -LCD來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建相對(duì)簡(jiǎn)單，核心為軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為最小自啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、液晶屏驅(qū)動(dòng)模塊及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和內(nèi)部通信鏈路設(shè)計(jì)3個(gè)部分。首先，搭建一個(gè)自啟動(dòng)的最小系統(tǒng)，讓整個(gè)平臺(tái)能夠自動(dòng)地運(yùn)行；接著，編寫(xiě)液晶屏的驅(qū)動(dòng)程序，以及上層的液晶屏應(yīng)用程序；最后，調(diào)用嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部的TCP/IP協(xié)議，打通程序之間的通信鏈路。
2.1最小自啟動(dòng)系統(tǒng)
一個(gè)典型的嵌入式Linux系統(tǒng)按照存儲(chǔ)空間的劃分通常包括引導(dǎo)區(qū)、內(nèi)核區(qū)和文件系統(tǒng)區(qū)。引導(dǎo)區(qū)存放引導(dǎo)加載程序Boot Loader與系統(tǒng)參數(shù)；內(nèi)核區(qū)存放特定嵌入式平臺(tái)定制的Linux內(nèi)核；文件系統(tǒng)區(qū)存放根文件系統(tǒng)，用戶應(yīng)用程序就存放在文件系統(tǒng)區(qū)中。
在本實(shí)驗(yàn)中，使用TI官方提供的通用的BootLoader(U - BOOT)以及Linux3.3.0的內(nèi)核鏡像文件ulmage，主要對(duì)根文件系統(tǒng)中的幾個(gè)文件進(jìn)行修改。一方面，修改/etc/iruttab文件。注釋語(yǔ)句S：2345:respawn:/sbin/getty 115200 ttyS2。增加語(yǔ)句：S:2345:respawn:/sbin/mingetty - autologin=root ttyS2，使之能自動(dòng)進(jìn)入擁有root權(quán)限的系統(tǒng)。另一方面，修改/etc/profle文件。首先在最后一行添加語(yǔ)句：insmod／home/root/lcd. ko，用來(lái)加載編譯的液晶顯示屏的驅(qū)動(dòng)程序。然后添加語(yǔ)句：/home/root/thread_ server&，用來(lái)運(yùn)行上層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序。最后添加以下語(yǔ)句：／home/root/setup/ lcddemo &，以啟動(dòng)LCD屏的上層應(yīng)用程序。自此，通過(guò)串口調(diào)試助手，即可在PC上看到系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程打印的信息，并正常地自動(dòng)運(yùn)行程序。
2.2液晶屏驅(qū)動(dòng)模塊及應(yīng)用程序
2.2.1 XRD G160160D26
欣瑞達(dá)電子的XRD G160160D26，是一款在工業(yè)控制上普遍應(yīng)用的液晶顯示模塊，使用UC1698作為液晶顯示控制器。液晶屏的外形尺寸為83.8mm×78.5 mm×11.6 mm，點(diǎn)陣為160 mm x160 mm，其支持的工作溫度為- 40~+80℃，引腳數(shù)為17個(gè)。引腳的分類主要包括以下三類：控制引腳、數(shù)據(jù)引腳和電源引腳。接口引腳定義如表1所示。
2.2.2液晶屏驅(qū)動(dòng)模塊
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和系統(tǒng)硬件的接口，是嵌入式系統(tǒng)不可或缺的組成部分。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序隱藏了硬件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，使其可以像操作普通文件一樣操作外圍設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)核中的存在方式主要有兩種：一種是直接編譯到內(nèi)核中；另一種是游離于內(nèi)核而不占用系統(tǒng)資源，在需要時(shí)動(dòng)態(tài)加載，不用時(shí)又可以卸載。本實(shí)驗(yàn)中選擇的是第二種，將驅(qū)動(dòng)程序做成一個(gè)模塊，以增加程序的靈活性和可移植性。
在本實(shí)驗(yàn)中，基于GPIO的字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模塊主要包括字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序、對(duì)GPIO管腳的配置文件，以及對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊的編譯文件3個(gè)部分，分別集成在lcd. c、lcd. h和Makefile這3個(gè)文件中。
字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序包括以下幾個(gè)部分：第一，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的加載函數(shù)static int_ _init lcd_init( void)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備號(hào)的申請(qǐng)以及向內(nèi)核注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)使用insmod加載模塊時(shí)被調(diào)用；第二，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的卸載函數(shù)static int 一一exit lcd_ exit( void)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備號(hào)的釋放以及對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的注銷；第三，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的file_ operations結(jié)構(gòu)體及其成員函數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中定義的一個(gè)file_ o perations實(shí)例如下所示：
其中，在static long lcd_ ioctl (struct file*file，unsigned int cmd，unsigned long arg)的I/O控制函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPIO的接口，將對(duì)LCD屏的調(diào)用解析成lcd_ outcmd()和lcd_ outdata()兩個(gè)函數(shù)。
對(duì)GPIO管腳的配置文件包括以下幾個(gè)部分：第一，設(shè)置復(fù)用管腳函數(shù)int pinmux_ seup( unsigned charpinmux_ num)，使液晶顯示模塊的控制引腳和數(shù)據(jù)引腳處于GPIO的功能；第二，設(shè)置管腳數(shù)據(jù)流方向函數(shù)int gpio_ setdir( unsigned char lcd_ pin)，使對(duì)應(yīng)的引腳處于要求的輸入或者輸出狀態(tài)；第三，輸出數(shù)據(jù)函數(shù)intlcd_outdata（unsigned char val），用來(lái)解析字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的lcd_ ioctl函數(shù)中cmd =1時(shí)的情況；第四，輸出命令函數(shù)int lcd_ outcmd( unsigned char val)，用來(lái)解析字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的lcd_ ioctl函數(shù)中cmd =0時(shí)的情況。
在Linux中，驅(qū)動(dòng)程序的編譯和鏈接規(guī)則由Makefile指定，在基本的框架下改動(dòng)一部分關(guān)鍵信息即可。程序如下所示：
其中，lcd.o是實(shí)際設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的模塊，KDIR表示內(nèi)核所在目錄，PWD為內(nèi)核的版本。最后將lcd.c、lcd.h和Makefile文件放于同一目錄下，執(zhí)行make指令就可以得到相應(yīng)的lcd. ko文件，這個(gè)文件就是要用于目標(biāo)板的液晶屏驅(qū)動(dòng)模塊。
2.2.3液晶屏應(yīng)用程序
液晶屏應(yīng)用程序主要用來(lái)接收其他客戶端程序發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后將其按指定格式在液晶屏上顯示。其軟件流程圖如圖2所示。
由圖2可知，應(yīng)用程序在軟件代碼上面的實(shí)現(xiàn)主要由以下3個(gè)部分組成：第一，對(duì)LCD設(shè)備的操作，包括使用open(“/dev/lcd”，0)語(yǔ)句來(lái)打開(kāi)LCD設(shè)備，其中/dev/lcd就是液晶屏驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)備名，并使用init()函數(shù)來(lái)完成對(duì)LCD屏的復(fù)位、配置及使能；第二，遵循TCP/IP的套接字規(guī)范，進(jìn)行基于客戶端的創(chuàng)建、設(shè)置及連接套接字操作，并向內(nèi)部的TCP Server注冊(cè)ID，便于區(qū)分不同的客戶端；第三，多線程部分操作，包括調(diào)用pthread_create()函數(shù)來(lái)創(chuàng)建子線程，并實(shí)現(xiàn)子線程的接收函數(shù)void*recv_msg(void*arg)，在接收函數(shù)中實(shí)現(xiàn)對(duì)接收數(shù)據(jù)的判斷，并調(diào)用驅(qū)動(dòng)模塊的ioctl函數(shù)實(shí)現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)在LCD屏上的顯示。
2.3內(nèi)部通信鏈路
在Linux中，基于TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用程序通常都采用UNIX BSD的套接字(Socket)，來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的通信。Socket是Internet網(wǎng)絡(luò)編程中通用的API，最基本的Socket通信模型即客戶端一服務(wù)器(C -S)模型。通常，客戶端應(yīng)用程序的數(shù)量比服務(wù)器應(yīng)用程序要多，而服務(wù)器較于客戶端程序則要復(fù)雜得多，需要考慮并發(fā)、執(zhí)行效率、網(wǎng)絡(luò)狀況等。因此，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信程序的關(guān)鍵在于服務(wù)器應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。
本實(shí)驗(yàn)中，需要有兩個(gè)以上的程序作為客戶端與服務(wù)器程序通信。所以，服務(wù)器程序需要考慮并發(fā)性，使用多線程的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在Linux中，就需要在程序的開(kāi)頭增加以下語(yǔ)句：#include<pthread.h>。
通信的軟件框架如圖3所示。在圖3中，中間是TCP Server的軟件流程，用來(lái)將從左側(cè)lcdtest客戶端程序接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給右側(cè)的lcddemo客戶端程序，以顯示在LCD屏上。在實(shí)際應(yīng)用中，右側(cè)的lcddemo客戶端程序就接收其他客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的要顯示在LCD屏上的數(shù)據(jù)。其中，在TCP Server的Accept()階段，服務(wù)器程序一直在while(1)循環(huán)等待客戶端的連接，每連接一個(gè)客戶端，就為該客戶端分別建立一個(gè)接收線程，并將該客戶端的注冊(cè)ID保存到內(nèi)部數(shù)組中。最后，以TCP Server來(lái)示例涉及多線程通信程序的編譯：arm -arago - linux - gnueabi - gcc server.c -o server -lpthread，就可以生成server的可執(zhí)行文件。
3 系統(tǒng)驗(yàn)證及測(cè)試
首先，將編譯好的液晶屏驅(qū)動(dòng)模塊lcd. ko和應(yīng)用程序（包括TCP Server程序thread_server、液晶屏應(yīng)用程序lcddemo以及液晶屏測(cè)試程序lcdtest）載人OMAP - L138開(kāi)發(fā)板，放于/home/root目錄下；其次，在當(dāng)前目錄下執(zhí)行命令insmod lcd. ko，加載驅(qū)動(dòng)模塊；接著，執(zhí)行命令，/thread _server&，后臺(tái)運(yùn)行TCP Server程序；然后，執(zhí)行命令./lcddemo&，后臺(tái)運(yùn)行液晶屏應(yīng)用程序；最后，執(zhí)行命令，/lcdtest，運(yùn)行液晶屏測(cè)試程序，即可在STN - LCD液晶屏上看到數(shù)據(jù)顯示。
4結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了一種基于OMAP - L138和STN - LCD的液晶顯示系統(tǒng)，主要完成了STN - LCD的液晶驅(qū)動(dòng)模塊、驅(qū)動(dòng)程序以及內(nèi)部通信的鏈路。驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)控制GPIO來(lái)實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部通信的鏈路使用基于Linux的多線程Socket來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可移植性及可操作性。本設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)顯示設(shè)備提供了一種新的方案，可應(yīng)用于工控等領(lǐng)域。
