基于STM32的人機接口設計與實現

戴軍建， 張傳勝

（1.長春理工大學 光電工程學院，吉林 長春 130022；2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，人機交互技術被廣泛應用于人們的日常生活當中，其中，TFTLCD液晶顯示器件以其體積小、重量輕、低電壓、低功耗、低輻射、全色彩等特點得到廣泛的應用[1－2]。

專用的人機交互界面系統的設計比較復雜，不僅需要軟件的編寫與調試，還需要與硬件電路和液晶屏類型相匹配，需要反復修改調試，如果需要在已經成型的系統中修改功能或更換屏幕，那就需要花費很多的時間去重新設計，所花費的時間不亞于重新設計一套新系統，十分繁瑣。為此，文中設計了一種基于STM32的通用人機交互界面模塊，模塊使用STM32微控制器驅動液晶屏和觸控板，并通過運行人機交互圖像接口軟件模塊，在使用時只需要把要顯示的界面圖像放到FLASH存儲器中，利用一個串口與上位MCU相連接即可，通過實測，通用人機交互界面模塊達到了設計要求。

1 TFT－LCD的顯示驅動原理

TFT－LCD的顯示驅動原理采用逐行掃描方式，即當一行被選通以后，這一行中的各列信號同時加到列上，并維持一個掃描行的時間，當這一時間結束后選通下一行，各列的薄膜晶體管電路施加下一行的顯示電壓。

文中選用STM32F103ZET6微控制器，驅動TFT－LCD和觸控板，該微控制器是ST公司生產的32位RISC處理器，基于ARM公司的CORTEX－M內核，擁有64KRAM、512KB NORFlash、1個USB2.0接口、1個CAN接口、8個定時器、5個USART接口、3個12位ADC模數轉換器、2個12位數模轉換器、112個通用I／O口、2個I2C接口、2個I2S接口、3個SPI接口、12通道DMA控制器、支持8080模式LCD并行接口，可直接支持8080總線接口的LCD控制器。STM32F103ZET6微控制器的工作頻率高達72MHz，運算速率高達1.25MIPS，具有良好的功能和適用性，且價格低廉，在工業控制領域中有著大量的應用[3－6]。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統結構

2 觸摸板模塊驅動設計

觸摸技術是當今最流行的一種人機交互接口。基于原理的不同，觸摸屏可以分為電阻式、電容式、表面聲波式等。電阻式觸摸屏在工業上應用較廣，其原理是通過測量橫向和縱向的電阻值來獲得觸點的坐標，目前比較常見的是四線電阻觸控屏。四線電阻觸控屏由兩層透明金屬層組成，工作時每層均增加5V恒定電壓：一個豎直方向，一個水平方向。總共需4根電纜，當有觸控筆或手指按下時，觸點處的上下兩層金屬層接觸，由于在豎直方向和水平方向電阻都是線性的，可以測得觸點在這兩個方向的分電壓值，進而得到觸點相對于觸屏邊界的相對距離，并轉換成觸控板的坐標，通常觸點坐標的檢測是通過A／D采集轉換來實現的。STM32F103ZET6微控制器有3個12位ADC模數轉換器，所以，把觸控板的4根引腳連接到A／D轉換模塊的四路通道上。

由于觸摸屏和液晶屏是兩種不同的物理器件。對于液晶屏而言，它的坐標以像素為單位。而觸摸屏的觸點數據是觸點的物理坐標，該坐標是通過觸摸屏連接的A／D轉換器采集得到的。要想實現觸摸屏上的物理坐標與液晶屏上的像素點坐標一一對應上，兩者之間就需要一定的轉換，即校正。而且電阻式觸摸屏由于自身的原因，參數會發生變化，因此需要經常性地校正。比較常見的校正方法是三點校正法，它的原理如下：

設液晶屏上每個像素點的坐標為[XD，YD]，觸摸屏上每個觸點的坐標為[XT，YT]。要實現觸摸屏上的坐標轉換為液晶屏上的坐標，需要下列公式進行轉換：

因為其中一共有6個參數（A，B，C，D，E，F），因此只需要3個取樣點就可以求得這6個參數。這6個參數一旦確定下來，只要給出任意觸摸屏上的坐標值，代入上述公式，就可以得到它所對應的液晶屏上像素點的坐標值。如果不更換液晶屏，這幾個參數就不變，為了以后校正方便，把這些參數通過SPI總線保存到外部FLASH中。經過校正的結果如圖2所示。

圖2 經過校正后的觸屏和液晶屏

3 人機交互軟件設計和仿真驗證

目前，有一些商業化的人機交互軟件可以買到，但一般售價都比較昂貴，在本系統中，所有的界面都是由界面開發者自行定義的，因此只用到快速顯示圖片和數據，其它的如漢字、字母等只要事先放到一個界面上，然后截圖，拷貝到模塊中，就可以作為圖片的一部分顯示出來，因此，軟件部分只設計了圖片快速顯示與更新函數和數字快速顯示函數。

由于前面在驅動液晶模塊時設計了顯示緩沖區，只要把待顯示的圖片放到顯示緩沖區中就可以顯示出來。由于顯示緩沖區用32位表示一個像素，而寫入的數據是24位色，需要把高8位屏蔽掉。以顯示一副圖片為例，給出主要的程序代碼：

void PAINT＿BMP （int x0，int y0，int h，int l，unsigned char bmp[]）

｛

int x，y；

U32c；

int p＝0；

for（y＝y0；y＜l；y＋＋ ）

｛

for（x＝x0；x＜h；x＋＋ ）

｛

c＝ （bmp[p]）｜（bmp[p＋1]＜＜8）｜（bmp[p＋2]＜＜16）；

if（（（x0＋x）＜SCR＿XSIZE＿TFT）＆＆ （（y0＋y）＜SCR＿YSIZE＿TFT））

LCD＿BUFFER[y0＋y][x0＋x]＝c；

p＝p＋3；

｝

｝

｝

利用該函數就可以把圖片迅速顯示出來，顯示結果如圖3所示。

圖3 系統顯示效果

把燒入程序的STM32微控制器與320×240分辨率的TFT液晶屏及3.5寸4線電阻觸控板連接好，與一個上位MCU通過串口相連，模塊中已經燒好了要使用的界面，上位MCU通過串口把數據發給STM32，STM32根據設定的顯示參數配置液晶屏，然后接收的這些數據顯示在屏幕相應的位置上，試驗結果如圖4所示。

圖4 系統效果實測

4 結 語

通過實測，文中所述的基于STM32的通用人機交互界面設計方法具有設計簡單、使用方便、成本低廉的特點，并且可以適用于大部分場合，具有良好的應用前景。若能以更高性能ARM處理器代替低廉的STM32微控制器[7－14]，則可以實現高清視頻錄制和播放，具有更好的實用價值。

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