嵌入式：人机交互接口设计详解

Posted 2023-01-09

键盘和LED的接口原理

HA7279A是一片具有串行接口并可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片。该芯片同时可连接多达64键的键盘矩阵，一片即可完成LED显示及键盘接口的全部功能。

HA7279A一共有28个引脚：

• RESET：复位端。通常，该端接＋5V电源；
• DIG0～DIG7：８个LED管的位驱动输出端；
• SA～SG：LED数码管的Ａ段～Ｇ段的输出端；
• DP：小数点的驱动输出端；
• RC：外接振荡元件连接端。
• HD7279A与微处理器仅需４条接口线:
• CS：片选信号（低电平有效）；
• DATA：串行数据端。
• CLK：数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效。
• KEY:按键信号输出端。该端在无键按下时为高电平；而在有键按下时变为低电平，并一直保持到按键释放为止。

HD7279A与S3C2410A的连接原理图

键盘和LED控制的编程实例

举例：通过按键来控制LED的显示。

1．键盘中断的初始化

void KeyINT_Init(void)
    rGPFCON=(rGPFCON&0xF3FF)|(2<<10);
    rGPECON=(rGPECON&0xF3FFFFFF)|(0x01<<26); //设置GPE13为输出位，模拟时钟输出
    rEXTINT0 &= 0xff8fffff; //外部中断5低电平有效
    if (rEINTPEND & 0x20)   //清除外部中断5的中断挂起位
        rEINTPEND |= 0x20;
    if ((rINTPND & BIT_EINT4_7))
        rSRCPND |= BIT_EINT4_7;
        rINTPND |= BIT_EINT4_7;
    
    rINTMSK  &= ~(BIT_EINT4_7);      //使用外部中断4～7
    rEINTMASK &= 0xffffdf;           //外部中断5使能
    pISR_EINT4_7 = (int)Key_ISR;

2．书写中断服务子程序

void __irq Key_ISR( void ) 
    int j;
    rINTMSK  |= BIT_ALLMSK;   // 关中断
    if (rEINTPEND & 0x20)
        key_number = read7279(cmd_read);//读键盘指令程序
        rINTMSK  &= ~(BIT_EINT4_7);
        switch(key_number) 
          case 0x04 :     key_number = 0x08;   break;
          case 0x05 :     key_number = 0x09;   break;
          case 0x06 :     key_number = 0x0A;   break;
          case 0x07 :     key_number = 0x0B;   break;
          case 0x08 :     key_number = 0x04;   break; 
          case 0x09 :     key_number = 0x05;   break;
          case 0x0A :     key_number = 0x06;   break;
          case 0x0b :     key_number = 0x07;   break;
          default:        break;
         
        Uart_Printf("key is %x \\n", key_number);
    
    rEINTPEND |= 0x20;
    rSRCPND |= BIT_EINT4_7;
    rINTPND |= BIT_EINT4_7;

3．主程序的主要功能是根据按键键值，向HD7279A发送不同的处理命令，程序结构如下。

void Main() 
  char p;
  Target_Init(); //目标初始化
    while(1)  
        switch(key_number)
         case 0:  send_byte(cmd_test); //测试键
            break;
                case 1: for(p=0;p<8;p++)         //右移8位
                  send_byte(0xA0);
                send_byte(0xC8+7);    
                send_byte(p);
                                long_delay();
                                Delay(7000);
                         break;
           //case 2到case14
         case 15://最右两个数码管上显示15
          write7279(decode1+5,key_number/16*8);
                      write7279(decode1+4,key_number & 0x0f);
          break;
           default: break;
         
       key_number = 0xff;
       Delay(50);
  

LCD显示原理

所谓LCD，是Liquid Crystal Display的缩写，即液晶显示器。LCD液晶显示器主要有两类：STN（Super Twisted Nematic,超扭曲向列型）和TFT（Thin Film Transistor，薄膜晶体管型）。对于S3C2410A的LCD控制器，同时支持STN和TFT显示器。

STN与TFT的主要区别在于：

• 从工作原理上看，STN主要是增大液晶分子的扭曲角，而TFT为每个像素点设置一个开关电路，做到完全单独的控制每个像素点；
• 从品质上看，STN的亮度较暗，画面的质量较差，颜色不够丰富，播放动画时有拖尾现象,耗电量小，价格便宜；而TFT亮度高，画面质量高，颜色丰富，播放动画时清晰，耗电量大，价格高。

LCD控制器概述

市面上出售的LCD有两种类型：

一种是带有驱动控制电路的LCD显示模块，这种LCD可以方便地与各种低档单片机进行接口；

另一种是LCD显示屏，没有驱动控制电路，

大部分ARM处理器中都集成了LCD控制器，所以对于采用ARM处理器的系统，一般使用不带驱动电路的LCD显示屏。

嵌入式处理器与LCD的连接

S3C2410A的LCD控制器

S3C2410A中的LCD控制器可支持STN和TFT两种液晶显示屏。 LCD控制器支持单色、4级、16级灰度LCD显示，以及8位彩色（256色）、12位彩色（4096色）LCD显示。LCD控制器由REGBANK、LCDCDMA、VIDPRCS、TIMEGEN和LPC3600组成。

（1）STN LCD

— 支持 3 种STN LCD 显示: 4-bit 双扫描, 4-bit 单扫描, 和8-bit 单扫描
— 支持二值, 4 级灰度, 16 级灰度，256色 和 4096 色的 STN LCD
— 典型屏幕尺寸为：640×480, 320×240, 160×160等。256色模式虚拟屏幕尺寸为：4096×1024, 2048×2048, 1024×4096等等

（2）TFT LCD

— 支持 1位、2位、4位和8位 调色板模式的TFT LCD 显示
— 支持16位、24位（16M）非调色板模式的TFT LCD显示
— 典型实际屏幕尺寸为 640×480, 320×240, 160×160等。64K 彩色模式下支持的最大虚拟屏幕尺寸为 2048×1024

LCD控制器的框图

• REGBANK：寄存器组，由17个寄存器和一个256×16的调色板构成，用来设置LCD控制器。
• LCDCDMA：专用DMA，用来自动将存储器中的视频数据传送到LCD驱动器中。无需CPU干涉。
• VIDPRCS：视频数据产生，用来从LCDCDMA接收视频数据，并且转换成适当的格式（如：4/8比特单扫描或4比特双扫描），然后从端口VD[23:0] 发送到LCD驱动器。
• TIMEGEN: 时序产生，用来产生视频控制信号。
• LPC3600：定时控制生成逻辑单元。

LCD接口信号

S3C2410A中的LCD控制器一共有33个输出端口，其中24个数据信号端口，9个控制信号端口。

• VFRAME/VSYNC/STV : LCD控制器发往驱动器的帧同步信号 ，它表示新的一帧的开始。LCD控制器在一个完整的帧显示后发出该信号，开始新的一帧的显示。
• VLINE/HSYNC/CPV : LCD控制器发往驱动器的行同步脉冲信号 ，LCD驱动器在收到该信号后，将水平移位寄存器的内容显示到LCD屏上。LCD控制器在一整行数据全部传输到LCD驱动器后，发出一个VLINE信号。
• VCLK/LCD_HCLK : LCD控制器发往驱动器的像素时钟信号 ，LCD控制器在VCLK的上升沿发送数据，LCD驱动器在VCLK的下降沿采样数据。
• VD[23:0] : LCD 像素数据输出端口 ，也就是平时所说的RGB信号线，采用的是5：6：5的模式。
• VM/VDEN/TP : LCD 驱动器所使用的的AC 偏置信号 。LCD驱动器使用该信号改变行电压和列电压的极性，进而打开或者关闭像素，使像素点显示或熄灭。VM信号可以与帧同步信号或者行同步信号进行同步。
• LEND/STH : 行终止信号 (TFT)/SEC TFT信号 STH
• LCD_PWREN : LCD 电源使能信号
• LCDVF0 : SEC TFT OE信号
• LCDVF1 : SEC TFT REV信号
• LCDVF2 : SEC TFT REVB信号

STN LCD控制器操作

定时发生器 (TIMEGEN)

TIMEGEN产生LCD驱动器所需要的各种控制信号，如：VFRAME, VLINE, VCLK, 和VM。 这些信号是与REGBANK 里面的寄存器LCDCON1/2/3/4/5 的配置密切相关的。可以通过改变这些寄存器的配置使得这些控制信号能够满足各种LCD驱动器的要求。比如：

（1）VM的切换速率

VM 的切换速率由LCDCON1寄存器的 MMODE位和LCDCON4寄存器的MVAL 字段来决定。如果MMODE = 0,则VM信号每帧切换一次。如果MMODE =1 ，则VM 每MVAL[7:0]个VLINE切换一次，即：

VM Rate = VLINE Rate / ( 2 * MVAL) ，如下图所示：

（2）VFRAME 和VLINE脉冲

VFRAME 和VLINE脉冲的产生依赖于LCDCON2/3寄存器的HOZVAL字段和LINEVAL 字段。这两个字段的值由LCD的显示尺寸和显示模式决定：

HOZVAL = (水平显示尺寸 / 有效 VD 数据行数)- 1

（在彩色显示模式水平显示尺寸= 3 ×水平像素数；在4位单扫描和4位双扫描模式，有效 VD 数据行数为4，在8位单扫描模式，有效 VD 数据行数为8. ）

LINEVAL = (垂直显示尺寸) -1  //单扫描模式下

LINEVAL = (垂直显示尺寸/2) -1  //双扫描模式下

（3）VCLK 信号速率

VCLK 信号的速率依赖于LCDCON1寄存器的CLKVAL 字段的设置。VCLK与 CLKVAL（最小为2）的对应关系为：
​​VCLK(Hz)=HCLK/(CLKVAL x 2)​​

如下表所示：

（4）帧速率

帧速率即是VFRAM 信号的频率. 帧速率与LCDCON1/2/3/4寄存器中的WLH​​1:0​​,WDLY[1:0] (VLINE脉冲之后的VCLK延时长度)，HOZVAL，LINEBLANK和LINEVAL等字段，以及VCLK和HCLK有关。帧速率的计算公式为：
​​frame_rate(Hz) = 1/[(1/VCLK)×(HOZVAL+1)+(1/HCLK)×(A+B+(LINEBLANK×8))]×(LINEVAL+1)​​

其中：

​​A = 2(4+WLH)，B = 2(4+WDLY)​​

视频操作

（1）查找表

S3C2410 LCD控制器支持单色、2位（4级灰度）、4位（16灰度级）、8位（256级彩色）和12位（4096级彩色） LCD显示。

为了便于用户选择不同的显示模式， S3C2410 LCD控制器采用了调色板。通过这个调色板，用户可以在4灰度级模式下从16级灰度中选择4级灰度，构成查找表。在256级彩色中，8位彩色由3位红（8色）、3位绿（8色）、2位蓝（4色）构成(8×8×4= 256)，这些红绿蓝色级也是分别在自己的16级中进行选择构成查找表。在16级灰度显示模式下，不需要查找表，16个灰度级都需要。在4096级彩色中不需要查表（红、绿、蓝都是16级， 16×16×16= 4096）。

（2）灰度模式操作

S3C2410 LCD控制器支持两种灰度模块：2位（4级灰度）、4位（16灰度级）。其中，4级灰度模式使用查找表，并且该查找表和彩色中的蓝色共用BLUELUT寄存器中的BLUEVAL[15:0]。

0级灰度用BLUEVAL[3:0]来表示（如：这四位的值是3，则表示用16级灰度中的3级来表示4级灰度中的0级）、 1级灰度用BLUEVAL[7:4]来表示， 2级灰度用BLUEVAL[11:8]来表示， 3级灰度用BLUEVAL[15:12]来表示。

（3）256级彩色模式操作

S3C2410 LCD控制器支持每像素8位的256色彩色模式。每个象素的8位有3位表示红，3位表示绿，2位表示兰，分别利用自己的查找表。各个表分别用REDLUT寄存器中的REDVAL[31:0]、GREENLUT寄存器中的GREENVAL[31:0]和BLUELUT寄存器中的BLUEVAL[15:0]作为查找表的入口。

（4）4096级彩色模式操作

S3C2410 LCD控制器支持每像素12位的4096色彩色模式。每个象素的12位有4位表示红，4位表示绿，4位表示兰，不再使用查找表。

（5）扫描模式支持

S3C2410 LCD控制器支持3种显示：4位单扫描、4位双扫描和8位单扫描。扫描方式通过PNRMODE（LCDCON1[6:5]）来设置：

PNRMODE	00	01	10	11
模式	4位双扫描	4位单扫描	8位单扫描	TFT LCD

（A）4位单扫描

从VD[3：0]1次移动4位数据，直到一帧数据移位完毕。如下图所示：

（B）4位双扫描

显示控制器分别使用两条扫描线进行数据显示，显示数据从VD[3:0]获得高扫描数据， VD[7:4]获得低扫描数据。如下图所示：

（C）8位单扫描

显示数据从VD[7:0]获得扫描数据，一次输入8位行数据。如下图所示：

（6）显示数据的存放

在4级灰度模式，2bit视频数据对应一个像素

在16级灰度模式，4bit视频数据对应一个像素

在256色彩色模式，8bit视频数据对应一个像素。8位彩色数据格式如下：

在4096色彩色模式，12bit视频数据对应一个像素，以字为单位的彩色数据格式如下（注意：这时彩色视频数据必须3字对齐，即8像素对齐）：

与LCD相关的寄存器

• LCD控制寄存器1（LCDCON1）
• LCD控制寄存器2（LCDCON2）
• LCD控制寄存器3（LCDCON3）
• LCD控制寄存器4（LCDCON4）
• LCD控制寄存器5（LCDCON5）
• 帧缓冲起始地址寄存器1（LCDSADDR1）
• 帧缓冲起始地址寄存器2（LCDSADDR2）
• 帧缓冲起始地址寄存器3（LCDSADDR3）
• RGB查找表寄存器（REDLUT、GREENLUT 、BLUELUT ）
• 抖动模式寄存器（DITHMODE）

LCD显示的编程实例

举例：在LCD上填充一个蓝色的矩形，并画一个红色的圆。

1．定义与LCD相关的寄存器

#define   M5D(n)    ((n) & 0x1fffff)
#define MVAL    (13)
#define MVAL_USED   (0)
#define MODE_CSTN_8BIT   (0x2001)
#define LCD_XSIZE_CSTN  (320)
#define LCD_YSIZE_CSTN  (240)
#define SCR_XSIZE_CSTN  (LCD_XSIZE_CSTN*2)   //虚拟屏幕大小
#define SCR_YSIZE_CSTN  (LCD_YSIZE_CSTN*2) 
#define HOZVAL_CSTN  (LCD_XSIZE_CSTN*3/8-1)  //有效的VD数据行号是8
#define LINEVAL_CSTN    (LCD_YSIZE_CSTN-1)
#define WLH_CSTN          (0)
#define WDLY_CSTN   (0)
#define LINEBLANK_CSTN    (16 &0xff)
#define CLKVAL_CSTN   (6)   
//130hz @50Mhz,WLH=16hclk,WDLY=16hclk,LINEBLANK=16*8hclk,VD=8
#define LCDFRAMEBUFFER 0x33800000  //帧缓冲区起始地址

2．初始化LCD，即对相关寄存器进行赋初值。其中参数type用于传递显示器的类型，如STN8位彩色、STN12位彩色等。

void  LCD_Init(int type)
      rIISPSR=(2<<5)|(2<<0); //IIS_LRCK=44.1Khz @384fs,PCLK=50Mhz.
      rGPHCON = rGPHCON & ~(0xf<<18)|(0x5<<18);
      switch(type)
        case MODE_CSTN_8BIT:  //STN8位彩色模式
          frameBuffer8Bit=(U32 (*)[SCR_XSIZE_CSTN / 4])LCDFRAMEBUFFER;
          rLCDCON1=(CLKVAL_CSTN<<8)|(MVAL_USED<<7)|(2<<5)|(3<<1)|0;
                       // 8-bit单扫描，8bpp CSTN,ENVID=关闭
          rLCDCON2=(0<<24)|(LINEVAL_CSTN<<14)|(0<<6)|0;
          rLCDCON3=(WDLY_CSTN<<19)|(HOZVAL_CSTN<<8)|(LINEBLANK_CSTN<<0);
          rLCDCON4=(MVAL<<8)|(WLH_CSTN<<0);
          rLCDCON5= 0;
          rLCDSADDR1=(((U32)frameBuffer8Bit>>22)<<21)|M5D((U32)frameBuffer8Bit>>1);
          rLCDSADDR2=M5D(((U32)frameBuffer8Bit+((SCR_XSIZE_CSTN)*LCD_YSIZE_CSTN))>>1);
          rLCDSADDR3=(((SCR_XSIZE_CSTN-LCD_XSIZE_CSTN)/2)<<11)|(LCD_XSIZE_CSTN / 2);
          rDITHMODE=0;
     rREDLUT  =0xfdb96420;
     rGREENLUT=0xfdb96420;
     rBLUELUT =0xfb40;
     break;
        default:  break;
      

3．书写常用的绘图函数。函数_PutCstn8Bit()实现了在LCD的（x，y）处打点的功能。

void _PutCstn8Bit(U32 x,U32 y,U32 c)
    if(x<SCR_XSIZE_CSTN&& y<SCR_YSIZE_CSTN)
        frameBuffer8Bit[(y)][(x)/4]=( frameBuffer8Bit[(y)][x/4]
        & ~(0xff000000>>((x)%4)*8) ) | ( (c&0x000000ff)<<((4-1-((x)%4))*8) );

4．书写主函数，通过调用初始化函数及绘图API函数，实现在LCD上填充一个蓝色的矩形，并画一个红色的圆。

void Main(void)
       int Count = 3000;
  Target_Init();   //硬件初始化
  GUI_Init();      //图形用户接口初始化，包括对LCD的初始化
    Set_Color(GUI_BLUE);
    Fill_Rect(0,0,319,239);
    Delay(Count);
    Set_Color(GUI_RED);
    Draw_Circle(100,100,50);
    Delay(Count);
       while(1);

触摸屏工作原理

触摸屏按其工作原理的不同可分为电阻式触摸屏、表面声波触摸屏、红外式触摸屏和电容式触摸屏几种。

最常见的是电阻式触摸屏，其屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜。触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络。当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在另一层未加电压的电极上可测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。

四线电阻触摸屏原理

在触摸点X、Y坐标的测量过程中，测量电压与测量点的等效电路图所示，图中P为测量点

S3C2410A的触摸屏接口

S3C2410A支持触摸屏接口，它由一个触摸屏面板、四个外部晶体管、一个外部电压源、信号AIN[7]和信号AIN[5]组成。

CPU与触摸屏连接图

触摸屏编程实例

举例：在触摸屏上按下的位置画一个点 。

1．对与触摸屏相关的寄存器进行初始化

void Touch_Init(void)
    rADCDLY   = (0x5000);             // ADC启动或间隔延时
    rADCTSC   = (0<<8)|(1<<7)|(1<<6)|(0<<5)|(1<<4)|(0<<3)|(0<<2)|(3);
                                      //设置成为等待中断模式：1101
    rADCCON = (1<<14)|(49<<6)|(7<<3)|(0<<2)|(1<<1)|(0);
                                      //设置ADC控制寄存器

2．对触摸屏中断进行初始化

void TouchINT_Init(void)
    if ((rSRCPND & BIT_ADC))                //清除中断挂起位
        rSRCPND |= BIT_ADC;
    if ((rINTPND & BIT_ADC))
        rINTPND |= BIT_ADC;
    if ((rSUBSRCPND & BIT_SUB_TC))
        rSUBSRCPND |= BIT_SUB_TC;
    if ((rSUBSRCPND & BIT_SUB_ADC))
        rSUBSRCPND |= BIT_SUB_ADC;
    rINTMSK &= ~(BIT_ADC);      //相关中断屏蔽位置0,使能中断
    rINTSUBMSK &= ~(BIT_SUB_TC);
    pISR_ADC = (unsigned)Touch_ISR;             //设置中断向量

3．书写触摸屏中断服务程序，当有触笔按下时，转到中断服务程序执行。

void __irq  Touch_ISR(void)
  int AD_XY,yPhys,xPhys;
  //关中断
  rINTMSK |= (BIT_ADC);
  rINTSUBMSK |= (BIT_SUB_ADC | BIT_SUB_TC); // 关闭子中断(ADC和TC) 
  //获取位置
  AD_XY  = GetTouch_XY_AD();     //得到阿A/D转换后的X/Y值
  yPhys = (AD_XY) & 0xffff;      //获取Y的AD值
      xPhys = (AD_XY >> 16) & 0xffff;//获取X的AD值
      TOUCH_X = AD2X(xPhys);
      TOUCH_Y = AD2Y(yPhys);
      Touch_Show(TOUCH_X,TOUCH_Y);//实现在触摸点位置画点
      //开中断,清空挂起位
      rSUBSRCPND |= BIT_SUB_TC;
      ClearPending(BIT_ADC);
      rINTMSK  &= ~(BIT_ADC);
      rINTSUBMSK &= ~(BIT_SUB_ADC);
      rINTSUBMSK &= ~(BIT_SUB_TC);

4．书写主程序，首先对硬件及图形用户界面进行初始化，接下来通过一个while循环语句等待触摸屏中断的发生，一旦有触摸屏中断发生，则转到触摸屏中断服务程序执行。

void Main(void)
    Target_Init(); //初始化硬件
    GUI_Init();    //初始化图形用户界面
    //背景填充为蓝色
    Set_Color(GUI_BLUE);
    Fill_Rect(0,0,319,239);
    //设置当有触笔按下时，在LCD上画点的颜色为黄色
    Set_Color(GUI_YELLOW);
    //等待触摸屏中断
    while (1)