ARM HMS30C7202与触摸屏接口电路的设计

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1.导言
    随着现代计算机技术和互联网技术的飞速发展，嵌入式系统开始占据市场主流。因32位ARM嵌入式处理器具有高性能、低功耗的特性，它已广泛应用于科学研究、工程设计，军事技术，商业文化艺术及消费产品。而触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等优点。主要用于公共信息的查询、工业控制、军事指挥、旅游、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学和房地产预售等场所。因此，本文着重讨论基于嵌入式微处理器HMS30C720与触摸屏控制器的接口设计和底层串口驱动与上层microwindows图形界面结合的编程设计方法，以实现触摸屏对嵌入式设备之间的控制。
2.系统的整体结构
    该系统的整体结构如图1所示：本系统由ARM单元，触摸屏控制单元构成。ARM单元主要接收触摸屏控制单元的位置数据信息并根据位置信息调用ARM的控制和应用程序。我们选用Hynix公司的ARM CPU HMS30C7202作为ARM系统单元的主芯片。它是基于以太网应用系统的高性价比16/32位RISC微控制器，内含一个由ARM公司设计的16/32位ARM7tdMI RISC处理器核[1，4]。触摸屏控制单元主要完成信号放大与处理、A/D。根据数字信号识别用户点击的触摸屏上的图标位置。并调用该图标应执行相应指令。我们选用深圳某公司的触摸屏控制器。该触摸屏控制器具有串行通信接口，分辨力高等特点。




图1 系统的整体结构
3．硬件电路的设计
3.1 LCD接口电路
    HMS30C7202内建LCD显示控制器，并且有专用视频DMA控制器和视频总线连接SDRAM控制器。分开的总线使LCD的刷新不需要ARM的控制，数据传送完全由DMA控制器控制，提高了整个系统的性能。HMS30C7202支持彩色、单色STN液晶显示器和TFT彩色液晶显示器，显示分辨率可达640×480，本系统平台采用16位真彩色，采用565配色方案，5位红色、6位绿色、5位蓝色。而TFT显示器都采用18根数据线，因此，将红色和蓝色数据线最低位接地。除数据线外LCD接口还有行、场同步信号、LCD时钟信号，LCD控制信号，可分别接CPU的LCD控制输出LLP，LFP，LAC。
3.2触摸屏硬件电路
3．2．1四线电阻式触摸屏
   


如图2所示是 四线电阻式触摸屏原理示意图，四线触摸屏包含两个阻性层。其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线，另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线。为了在X轴方向进行测量，将左侧总线偏置为0V，右侧总线偏置为VREF。将顶部或底部总线连接到ADC，当顶层和底层相接触时即可作一次测量。为了 在Y轴方向进行测量，将顶部总线偏置为VREF，底部总线偏置为0V。将ADC输入端接左侧总线或右侧总线，当顶层与底层相接触时即可对电压进行测量。对于四线触摸屏，最理想的连接方法是将偏置为VREF的总线接ADC的正参考输入端，并将设置为0V的总线接ADC的负参考输入端.                             
                                                     
3．2．2 触摸屏串口控制器接口定义
    触摸屏器接口引脚与RS232串口引脚功能关系表如表1所示。RS232串口引脚为9脚，只使用了5个脚，触摸屏电源供给由PS/2接口4脚提供。
表1 触摸屏器接口引脚与RS232串口引脚功能关系表


引脚

1

2

3

4

5


RS232串口各脚功能

数据检测

接收字符

传送字符

数据终端准备

地


触摸屏串口引脚功能

发送

接收





地


PS/2引脚功能







+5v

地

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4．通信协议的确定及软件设计
4．1触摸屏串口控制器的通信协议的具体分析
    由于公司的商业原因，不提供源程序和通信协议，也没有HMS30C7202的驱动程序，我们借助串口调试助手和存储示波器分析，得出了串口触摸屏控制器的通信协议，其传输速率为9600，一帧数据为10位，起始位为1，8位数据位，停止位为0，无校验位。先发低位再发高位。每一个数据包传送5个字节数据，第一个字节为控制位，第二、第三字节为触摸屏得到的X轴坐标值，第四、第五字节为得到的Y轴坐标。这样我们就获得了触摸屏控制器的通信协议，为在linux系统下编写相应的触摸屏程序提供了基础.
4.2  触摸屏串口通信程序的设计
    首先在linux系统下编写一个对应于触摸屏的串口通信程序，用交叉编译器编译后，下载至目标板ARM，运行之后，点击触摸屏得到触摸屏输出数据。在这个程序中，我们的目的是建立触摸屏串口控制器和ARM7 串口1之间的通信，使其读取的数据显示在对应的LCD显示器屏幕上，设置好相应的波特率，数据位，奇偶校验位和停止位，便可对触摸屏串口控制器发送过来的数据进行读取操作。主程序流程图如图3所示[3]。



图3  主程序流程图
4．3 触摸屏与LCD显示器坐标的换算和Microwindows编程实现
    本设计采用microwindows0.90版本，编写程序时,不必关心底层的驱动，直接调用上层的API.而不需编写底层的驱动.这里采用的方法是在microwindows中编写对应于触摸屏串口接收程序,然后比较microwindows窗口坐标和串口数据中的坐标值,如果在一定范围内,则产生一个相应的事件[2]。 用一个数组来接收串口送过来的数据，再从数组中取出触摸屏的位置信息。触摸屏的坐标原点及分辨率都不同，这也需要进行转换。具体转换的公式为：
我们设触摸屏如下：右下角为原点坐标（x1,y1），横轴为x轴，竖轴为y轴，右上角坐标（x1,y2），左上角坐标（x2,y2），右上角坐标（x2,y1），分辨率为4096×4096；ARM7所接LCD的坐标原点在左上角，横轴为x轴，竖轴为y轴分辨率为640×480，则我们的坐标转换公式为：
    xLCD=640-[640×(x-x1)/(x2-x1)]       （4-1）
    yLCD=480-[480×(y-y1)/(y2-y1)]        （4-2）
    因触摸屏的分辨率为4096×4096，则x2-x1和y2-y1的值均为4096；坐标转换公式为：
XLCD=640-640×z1/4096;        （4-3）
YLCD=480-480×z2/4096;        （4-4）
    其中，公式中的z1,z2坐标为触摸屏坐标，它的获取方法：由数组buffer[ ]接收串口送来的数据，我们要从数组中取出有用的坐标信息。
    x1=buffer[6];    x2=buffer[7];       x3=buffer[3];     x4=buffer[4];
    这里我们用四个8位元素来获得两个16位坐标信息。那么就需要将两个8位的坐标数据，转换为一个16位的数据，具体转换如下：
     y1=x1<<8;         y1 |=x2;      /*两个8位数据移位成16位数据*/
     y2=x3<<8;         y2 |=x4;
    那么此时的y1,y2便是我们触摸屏的坐标信号了。转换之后，显示器和触摸屏的坐标就对应起来了，在microwindows下建立一个窗口，设定它的坐标值及大小，这时在用microwindows的消息处理函数，如果触摸范围（触摸屏在屏幕上对应坐标）在窗口的坐标范围内，则产生一个相应的事件，我这是在窗口上打印一条Touched信息的事件，在窗口范围外触摸触摸屏时，打印Nottouched信息。编写一个程序点触触摸屏上相应的位置，就会在屏幕上的对应位置上输出一个新的窗口，且位置比较准确。如图4-9所示为点触摸屏时LCD显示器显示的触点响应位置。         
                        


图7  点触摸屏时LCD显示器显示的位置
结论
    通过调试和测试，完全达到设计要求。本设计创新之处是：成功将深圳某公司的触摸屏控制器运用到HMS32C7202嵌入式控制系统中，在对方没有提供通信协议和驱动程序情况下，分析了该控制器的通信协议，编写了ARM的驱动程序。分析了LCD与触摸屏的物理换算关系，然后编写上层程序，通过microwindows的API进行相关调用，使底层数据与上层图形界面建立了联系。最后编写相应的事件处理和响应程序，通过点触触摸屏的图形界面完成对ARM的操作。该接口已应用于本人开发的基于Internet网络通信的嵌入式系统平台中。
参考文献
[1] Hynix Semiconductor Inc.HMS30C7202·www.hynix.com
[2]吴明晖等.基于ARM的嵌入式系统开发与应用.人民邮电出版社.2004.6
[3]李中奇.嵌入式Linux系统中触摸屏控制的研究与实现.现代显示.2005.2.19-22[4]杨光友等.嵌入式微处理器ARM7202触摸屏接口设计.微计算机信息.2004.4,2004.4.75-76
作者简介：王洪、男、1963.4、高级工程师、湖南省教育厅科学研究资助项目（03C211）,主要从事数字电视与嵌入式系统研究与开发