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一，發(fā)展趨勢 隨著(zhù)現代電子技術(shù)的發(fā)展，傳統的儀器儀表/工業(yè)控制系統也面臨著(zhù)技術(shù)升級，產(chǎn)品更新?lián)Q代的考驗。傳統的設計理念已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當今社會(huì )的需要，主要體現在對產(chǎn)品的交互性，易用性和美觀(guān)性的更高要求。蘋(píng)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(hù)體驗提升到了一個(gè)全新的高度。這種革新同樣會(huì )慢慢滲透到工業(yè)領(lǐng)域，儀器儀表/工業(yè)工業(yè)控制系統在保證性能的同時(shí)，其競爭力同樣會(huì )蔓延到用戶(hù)體驗上，因此選擇一款合適的人機界面(液晶屏和用戶(hù)圖像界面GUI)成為了關(guān)鍵。 二，系統架構 儀器儀表/工業(yè)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(gè)部分： 1，主控部分，主要是處理器。處理器的選擇跟整個(gè)系統的功能和人機界面的選擇有直接關(guān)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(lái)說(shuō)，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(mǎn)足數據采集的要求，因此有可能需要外加專(zhuān)門(mén)的AD轉換芯片。 3，驅動(dòng)電路。這部分主要是對主控IO和外設連接的一個(gè)轉換，比如傳感器驅動(dòng)，開(kāi)關(guān)驅動(dòng)，繼電器驅動(dòng)，和電機驅動(dòng)。 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(pán)，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(dòng)簡(jiǎn)單，穩定性好，價(jià)格低廉，可使用主控處理器的IO直接驅動(dòng)，IO有限時(shí)，也可以使用串轉并(移位)芯片比如74HC595間接驅動(dòng)。數碼管顯示基本談不上人機交互和用戶(hù)體驗。 2， 黑白液晶/小尺寸彩色液晶 傳統的儀器儀表/工業(yè)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(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低，功耗低，可視性好(比如戶(hù)外/陽(yáng)光下)，單片機可直接驅動(dòng)。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(shí)用性為主，配以簡(jiǎn)單的按鍵輸入，美觀(guān)性比較差，當然更談不上用戶(hù)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(lái)，隨著(zhù)液晶屏技術(shù)的日臻完善以及大規模使用導致的價(jià)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)域大規模使用，必須解決以下問(wèn)題： A, 驅動(dòng)問(wèn)題。儀表/工業(yè)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(méi)有外置總線(xiàn)，而小尺寸彩色液晶都是采樣8位或16位外部總線(xiàn)讀寫(xiě)，直接連接的話(huà)需要使用IO模擬外部總線(xiàn)，這樣的話(huà)占用了處理器的很多IO，并且速度較低，直接會(huì )導致刷屏效果差。 B，存儲問(wèn)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存FLASH空間，比如一個(gè)16*16的簡(jiǎn)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(huì )導致處理器的選型大受局限，成本大幅度提高。 C，可視性問(wèn)題。彩色液晶屬于被動(dòng)發(fā)光器件，需要其背光亮度比環(huán)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(wèn)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(jià)格也與單片機相差無(wú)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(guò)串口發(fā)送指令即可顯示字和圖形。 例如北京愛(ài)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(shí)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(jiǎn)單的串口指令即可顯示出漂亮的界面。同時(shí)該序列還有陽(yáng)光下可視型號，徹底解決使用彩色液晶屏的諸多問(wèn)題。 使用串口液晶模塊，可以直接使用單片機的串口連接，發(fā)送指令進(jìn)行顯示，因此系統硬件基本不需要做修改，就可以將產(chǎn)品升級到彩色時(shí)代。 3， 大尺寸彩色液晶屏 要想產(chǎn)品真正達到具有良好的易用性和用戶(hù)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(chǎn)品跟上后IPAD時(shí)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)設計能力更新較慢的工業(yè)控制領(lǐng)域，無(wú)疑是一次全新的挑戰： A，驅動(dòng)。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(gè)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(diǎn)成為了單片機等低端處理器無(wú)法逾越的鴻溝，甚至ARM7處理器都無(wú)法滿(mǎn)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(shí)外置大容量高速FLASH和SDRAM存儲，這對硬件設計的穩定性是個(gè)極大的挑戰，特別是工業(yè)領(lǐng)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(gè)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(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系統配以GUI系統，比如MiniGUI、 Microwindows 、OpenGUI 、Qt等等。該方案的優(yōu)點(diǎn)是功能強大，缺點(diǎn)是成本較高，硬件設計比較復雜，對生產(chǎn)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(kāi)發(fā)周期比較長(cháng)。 (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，當然你要是準備用單片機可能稍顯不理智(雖然也能開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品，但效果和性能無(wú)疑大打折扣)。該方案主要是硬件設計會(huì )比第1種方案簡(jiǎn)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(huì )變的異常繁瑣，為設計一個(gè)比較美觀(guān)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(pán)的處理尤其麻煩。筆者曾經(jīng)使用該方案設計過(guò)一款產(chǎn)品，主控處理器選用了STM32F103序列ARM COTEX M3處理器，硬件設計不費周折就圓滿(mǎn)完成，軟件設計歷時(shí)三個(gè)月，大部分時(shí)間都花費在界面設計和觸摸屏處理上。完成之后，發(fā)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(kāi)發(fā)平臺。以筆者使用過(guò)的北京愛(ài)傳科技的AtPAD系列智能液晶面板為例，AtPAD由ARM9處理器驅動(dòng), 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(pán)讀寫(xiě)，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(yè)嵌入式操作系統, 多任務(wù)運行，響應速度極快4M/8M 數據存儲區變量存儲/自動(dòng)恢復7寸真彩液晶屏，800*480分辨率工業(yè)界面(GUI)，效果類(lèi)似電腦，簡(jiǎn)單易開(kāi)發(fā)高精度觸摸屏內置觸摸屏驅動(dòng)/應用，全觸摸操作/輸入8路12位/16位 AD 采樣內置AD驅動(dòng)，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(dòng)，支持輸入/輸出/PWM1路IIC總線(xiàn)內置IIC驅動(dòng)，輕松連接外設2路串口(TTL/232電平)，1路485口內置收發(fā)驅動(dòng)，支持GPRS/GPS等3路指示燈直接使用IO驅動(dòng)蜂鳴器內置驅動(dòng)，觸摸音效，按鍵音效及自定義音效實(shí)時(shí)時(shí)鐘內置接口，支持界面直接顯示時(shí)間USB口連接電腦，USB口讀取U盤(pán)(可選)直接應用，當U盤(pán)使用，讀寫(xiě)U盤(pán)(可選)工業(yè)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(huì )變得非常簡(jiǎn)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(jiǎn)單的一些驅動(dòng)電路。 軟件方面，AtPAD提供PC模擬開(kāi)發(fā)環(huán)境(VC)，以及C語(yǔ)言板級開(kāi)發(fā)包，模塊直接調用；JTAG調試。PC上開(kāi)發(fā)好后可以直接移植到板級開(kāi)發(fā)包。這樣軟件開(kāi)發(fā)變得非常簡(jiǎn)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(gè)界面和界面中的應用。 四，結束語(yǔ) 儀器儀表/工業(yè)控制系統進(jìn)行顯示系統和用戶(hù)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架構對產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和成本起了決定性的作用，好的系統架構選擇對產(chǎn)品的開(kāi)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 |
