基于FPGA的無線觸控屏控制器設計*

杜 剛

(中國科學技術大學精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

0 引言

嵌入式微處理器FPGA相比于微機，具有成本低、體積小、速度快的優點，對于中小型設備其處理能力完全可以滿足要求[1]。相比于各種單片機等嵌入式芯片，FPGA采用可編程門陣列，可以根據具體需求構造SOPC(System－on－a－Programmable－Chip，片上可編程系統)、較為便捷地搭建外圍電路，有效提高芯片資源的利用率[2]。

以FPGA為控制核心，設計一種具有無線通訊功能的觸摸屏控制系統。其無線通訊功能，可以實時發送無線控制命令并無線監控設備運行狀況，可以作用于危險環境或操作者難以親自到達的場合。設計中以觸控屏替代實體按鍵，減小了控制裝置的體積。該系統可以脫離微機，獨立操縱控制，減輕微機的工作負擔。整個控制裝置體積小，重量輕，可便攜。

1 系統組成

系統主要由FLASH控制模塊、基于XPT2046的觸摸屏坐標采集模塊、基于ILI9325的LCD顯示控制模塊及NRF24L01無線通訊模塊組成。系統的控制核心采用FPGA芯片EP4CE15F17C8，搭建SOPC核。在LCD觸摸屏繪制用戶控制界面，利用觸摸屏控制芯片采集控制信號，經編碼后交由無線通訊模塊發送至接收終端，實現觸摸屏控制器的無線控制。無線通訊模塊接收到控制端發送的信號經譯碼后被FPGA處理，FPGA將處理后的信號去控制受控設備。在對硬件編程時，主要采用NIOSII類C語言。

1.1 SOPC核和SPI總線

一個基本的SOPC核的組成部分有時鐘(本設計采用50 MHz)、CPU、SDRAM控制器(用于在線調試)、FLASH控制器(用于燒錄程序并實現掉電保存)，JTAG_UART[3]。此外，還需搭建 IO 作為各個模塊的控制接口，具體為:LCD的控制接口 RS、WR、RD、CS、REST及數據線DB7～DB0;觸摸屏控制接口T_CS、T_CLK、T_IN、T_OUT、T_IRQ;無線通訊模塊控制接口 MOSI、MISO、CE、CSN、SCK。

在上述模塊中，觸摸屏坐標采集模塊XPT2046和無線模塊NRF24L01都是基于SPI總線實現的，SPI總線是一種串行接口協議，一般由片選CS、時鐘CLK、主出從入MOSI及主入從出MISO四根數據線組成，分別對應 XPT2046控制總線中的 T_CS、T_CLK、T_IN、T_OUT端口及 NRF24L01中的 CSN、SCK、MOSI、MISO 端口[4]。圖 1 為 SPI時序圖。

圖1 SPI時序

對與NRF24L01與XPT2046，都是MOSI時鐘上升沿有效，MISO時鐘下降沿有效。在NIOSII中使用四個IO口模擬實現SPI接口。

1.2 LCD 觸摸屏

采用的LCD觸摸屏為電阻式，其中的LCD用以繪制并顯示系統的用戶控制界面，觸摸屏用以對觸控點進行捕捉，編碼轉換為該觸控點所表示按鍵的具體指令。該部分主要工作流程如圖2所示。

圖2 LCD顯示及觸摸控制工作流程

1.2.1 LCD 顯示控制

LCD用以繪制控制系統的用戶控制界面，并反映對受控端工作狀態監控的信息。為此，把用戶控制界面分為按鍵區和顯示區兩部分。而ILI9325的作用就是讀入控制界面的顏色數據矩陣，以靜態的方式在LCD屏上繪制出來，同時在顯示區顯示受控設備的工作狀態。

LCD驅動芯片ILI9325最高支持320X240分辨率的圖像顯示，且有18位RGB接口，故最多可支持262144色顯示。芯片內置存儲器大致分為兩個部分:控制寄存器及緩存圖片數據的GRAM(Graphics RAM，GRAM)，通過對控制寄存器寫入控制字，以此設置驅動芯片的工作狀態。圖片存儲區GRAM大小為320X240X18bit，即有320X240個陣列存儲單元，每個單元有18bit空間，GRAM結構與LCD像素排列方式對應。在寫入圖像數據之前，需要設置GRAM的工作范圍，同時也是LCD的顯示范圍，該范圍由對角線上兩點坐標決定。待顯示的圖片數據會暫時存于GRAM中，顯示圖片時，GRAM尋址計數器自動在設定的范圍內累加，以此讀出GRAM中相應存儲單元的圖片數據，在屏幕像素陣列上顯示[5]。LCD顯示控制流程如圖3所示。

圖3 LCD顯示控制流程

ILI9325提供了多種數據讀寫接口，有讀寫速度從快至慢分別為18－/16－/9－/8－bit的并行接口和1－bit的串行接口，綜合考慮速度要求和FPGA的IO資源，本設計采用8－bit并行接口，圖片顏色格式采用RGB565。在此接口模式及顏色格式下，一個像素點的顏色數據為16位，需分兩次傳輸。圖4為8－bit下并行接口顏色數據輸入格式。

圖4 8－bit并行接口顏色數據輸入格式

本設計以FPGA內部資源搭建ROM存儲模塊，用以存放構成用戶控制界面的圖像數據矩陣，在上電后寫入GRAM，這樣，在FPGA資源允許的情況下可以減小外圍電路的規模，有效提高了對FPGA資源的利用率。

1.2.2 觸摸屏的控制

相比于電容屏，電阻屏雖不能支持多點觸控，但具有精度高，價格低廉的特點，可做到一個像素點的精確控制。所以，對于控制器而言，電阻屏更為合適。

圖5 XPT2046采集坐標流程

控制電阻式觸摸屏的核心芯片是XPT2046，其本質上是一款逐次逼近型的數模轉換器，可自由設置為8位或12位精度。觸摸屏不同像素點受到壓力會產生不同的模擬電壓值，該電壓由XPT2046采集后由處理器識別其對應的像素坐標，得到所按屏幕的區域并執行相應按鈕的指令，在采集到像素坐標時，XPT2046同時會產生IRQ中斷，因此，對應的具體命令函數可在中斷中實現[6]。

觸摸屏的像素坐標與具體的模擬電壓值成正比關系，因為不同的屏幕該比例因子可能會略有差別，所以為了使觸摸屏能在更精確的情況下工作，需要對觸摸屏校正，計算出所用屏真實的比例系數。校正主要采用多次采集屏幕上特定像素點(例如一個矩形的四個頂點)的電壓值，平均后得到較為精確的有效值，再結合被采點的幾何關系即可算出比例系數。根據實際驗證，20次左右的采集次數即可保證校正的精度。圖7為XPT2046采集觸摸點坐標的控制流程。

XPT2046的控制接口中T_IN口(即MOSI口)寫入控制字，決定芯片的工作狀態，包括模數轉化的精度(8為或12位)、采集的坐標是橫坐標還是縱坐標、單端采集還是差分采集等，而T_OUT口(即MISO)輸出12位數值，代表在12位精度下采集到電壓值[7]。XPT2046讀寫時序如圖6所示。

圖6 XPT2046讀寫時序

由時序圖可見，在觸動屏幕，產生IRQ中斷信號后開始進行一次有效的電壓采集，在一次采集的數據輸出7位后，可以進行第二次采集的控制字輸入，這樣既可保證下一次的數值不會覆蓋前一次，又可提高采集效率。

1.3 無線通訊模塊

NRF24L01工作頻率為2.4～2.525 GHz的公頻段。NRF24L01有六個收發通道，因此可實現一對多或多對一的相互通訊，一次最多可發送的數據包大小為32 Bytes，在一般室內環境中有效通訊距離可達10 m(在開闊的室外環境可以更高)。

NRF24L01必須至少兩片同時工作，一片發送一片接收。互為收發的兩片芯片需配置相同的收發地址、收發通道、工作頻率、數據長度及發射功率。NRF24L01的收發狀態由CE管腳(激活芯片進入收發狀態)及CONFIG寄存器中的PWR_UP(上電位)位和PRIM_RX(收發選擇位)位共同決定。表1為NRF24L01工作狀態。

具體的發送流程為:①接收端地址及待發送的數據寫入NRF24L01;②配置CONFIG寄存器，進入發送狀態;③置高CE管腳，激發發送;④發送數據包，并得到接收端的應答，完成發送。具體的接收流程為:①配置本機地址(需與發射端地址一致)及需接收的數據包的大小;②配置CONFIG寄存器，進入接收狀態;③置高CE，激發接收;④接收到發射端發來的數據，產生應答;⑤從NRF24L01讀出接收到的數據，置低CE，進入待機模式[9]。圖7為無線模塊工作流程。

表1 NRF24L01工作狀態

圖7 無線模塊工作流程

NRF24L01的工作狀態，可以通過讀取狀態寄存器STATUS實現。STATUS為8位寄存器，其中接收到有效數據后第六位RX_DR置高，發送數據成功接收到應答后第五位TX_DS置高。在收發完成后，必須對STATUS寄存器重置及對數據緩存區清空，否則下次收發可能會出現錯誤。為了提高收發的成功率，應該打開NRF24L01的自動重發功能，NRF24L01最多支持16次數據重發，直至收到接收端成功接收的應答為止。

由于無線通訊模塊用于對控制端控制指令的傳輸，所以需要對控制界面產生的不同指令進行編碼，交由無線模塊發送，在接收端進行譯碼還原原始指令，并執行相應的操作。NRF24L01一次發送的數據包最多可達32bytes，可以滿足控制指令的編碼需求。

2 實驗

以帶有光柵尺反饋系統的二維電控平臺為受控設備，對研制的控制系統進行了測試。圖10為LCD觸摸屏上顯示的用戶控制界面。圖中上下箭頭分別控制X向步進電機的正反轉，左右箭頭分別控制Y向步進電機的正反轉，中間為啟動和暫停鍵。上面的狀態欄顯示反饋的光柵尺測得的X和Y方向位移。一次發送控制指令和返回監控狀態所用時間約為30～50 ms，該系統可用于實時控制和監測。圖8為系統用戶控制界面。

圖8 用戶控制界面

3 總結

本設計基于FPGA搭建SOPC嵌入核，實現LCD顯示、觸摸屏控制、無線通訊模塊的控制，構建了無線觸控系統，并通過無線操控和監測帶光柵尺反饋的二維電控平臺，驗證了該系統運行的準確性、穩定性、可靠性和實時性。該無線觸控系統也可應用于控制和監測其他工業設備或實驗室儀器。

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