【導(dǎo)讀】學(xué)院電子電氣工程學(xué)院。專業(yè)電子信息工程。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于Cortex-M3的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì)

　　

【正文】 ive 電壓之比等于觸點(diǎn) Y 坐標(biāo)與屏高度之比。 2. 計(jì)算 X 坐標(biāo)，在 X+電極施加驅(qū)動(dòng)電壓 Vdrive， X電極接地， Y+做為引出端測(cè)量得到接觸點(diǎn)的電壓，由于 ITO 層均勻?qū)щ?，觸點(diǎn)電壓與Vdrive 電壓之比等于觸點(diǎn) X 坐標(biāo)與屏寬度之比。 圖 為觸摸屏測(cè)量周期的方式。通過將 XP 連接到 Vdd 且 XM 接地可以測(cè)定 X 觸點(diǎn)在 X 軸平面的位置。從 YP 或 YM 觸摸屏連接器上測(cè)得的電壓與觸點(diǎn) X 坐標(biāo)成比例。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 33 圖 參數(shù)測(cè)量方式 通過將 YP 連接到 Vdd 且 YM 接地可以測(cè)定 Y 觸點(diǎn)在 Y 軸平面的位置。從 YP 或 YM 觸摸屏連接器上測(cè)得的電壓與觸點(diǎn) Y 坐標(biāo)成比例。 若測(cè)量觸摸壓力，需將壓力與電阻聯(lián)系起來。由于觸摸壓力最常用于確定是手指或觸筆的存在，而不是接觸的強(qiáng)度，因此沒必要進(jìn)行高精度壓力測(cè)量。在本項(xiàng)目中，壓力測(cè)量所采用的是具有 8 位分辨率的 ADC，而不是用于 X 和 Y 位置測(cè)量的 12 位分辨率。 測(cè)量觸摸壓力的方法有數(shù)種。本方法要求 X 平面電阻已知，并對(duì) X觸點(diǎn)位置 (X)以及觸摸屏的兩個(gè)附加截面電阻（ Z1 和 Z2）可以測(cè)量；得知 YP(Vdd)電壓與 XM（接地）電壓并測(cè)量 XP(Z1)與 YM(Z2)值。利用等式 可以計(jì)算出觸點(diǎn)電阻。 式 如果用戶長(zhǎng)期不觸摸屏 幕，則無需運(yùn)行或測(cè)量。于是觸摸屏進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待觸筆中斷。一旦用戶觸摸，則產(chǎn)生一個(gè)中斷，于是觸摸屏控制上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 34 器喚醒并測(cè)量相關(guān)觸摸參數(shù)。 顯示 屏 驅(qū)動(dòng)原理 液晶顯示模塊顯示原理 本系統(tǒng) LCD 顯示模塊的控制器為 ILI9320，該控制器自帶顯存，總大 小為 172820（ 240*320*18/8），即 18 位模式（ 26 萬色）下的顯存量。模塊的 16 位數(shù)據(jù)線與顯示單元的數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)關(guān)系為 RGB 565 方式 [6]，如圖 所示： 圖 位數(shù)據(jù)與顯存對(duì)應(yīng)關(guān)系圖 最低 5 位代表藍(lán)色，中間 6 位為綠色，最高 5 位為紅色。數(shù)值越大，表示該顏色越深。通過向顯示單元中輸入相應(yīng)代表色彩的值來得到需要顯示的圖像。 控制原理 ILI9320 作為控制芯片具有一系列的數(shù)據(jù)傳輸及控制功能，所需用到的命令如圖 所示： 圖 ILI9320 常用命令 R0：該命令具有有兩個(gè)功能： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 35 進(jìn)行寫操作，則僅最低位 SOC 為有效，用于開啟或關(guān)閉振蕩器。 進(jìn)行讀操作，則返回的是控制器的型號(hào)。是這個(gè)命令較為重要的功能就是可以取得到控制器的型號(hào)，代碼在取得控制器的型號(hào)之后，可以針對(duì)不同型號(hào)的控制器，進(jìn)行不同的初始化。因?yàn)?93xx 系列的初始化都比較類似，可以用一個(gè)代碼兼容好幾個(gè)控制器。 R3：入口模式命令。 I/D0、 I/D AM 這 3 個(gè)位控制了屏幕的顯示方向。 （ 1） AM：控制 GRAM 更新方向。當(dāng) AM=0 的時(shí)候，地址以行方向更新。當(dāng) AM=1 的時(shí)候，地址以列方向更新。 （ 2） I/D[1:0]：當(dāng)更新了一個(gè)數(shù)據(jù)之后，根據(jù)這兩個(gè)位的設(shè)置來控制地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)增加 /減少 1，其關(guān)系如圖 所示 ： 圖 GRAM 顯示方向設(shè)置圖 通過這幾個(gè)位的設(shè)置，即可控制屏幕的顯示更新方向。 R7：顯示控制命令。該命令 CL 位用來控制選擇 8 位彩色顯示模式，或是 26 萬色顯示模式。置 0 時(shí)為 26 萬色，置 1 時(shí)為八位色。 D D0、BASEE 這三個(gè)位用來控制顯示開關(guān)與否。當(dāng)全部設(shè)置為 1 為開啟顯示，設(shè)置全 0 時(shí)為關(guān)閉。可以通過該命令的設(shè)置來開啟或關(guān)閉顯示器，以降低上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 36 功耗。 R3 R33：設(shè)置 GRAM 的行地址和列地址。 R32 用于設(shè)置列地址（ X 坐標(biāo)， 0239）， R33 用于設(shè)置行地址（ Y 坐標(biāo)， 0319）。當(dāng)要在某個(gè)指定點(diǎn)寫入一個(gè)顏色的時(shí)候，先通過這兩個(gè)命令設(shè)置到改屏幕上的點(diǎn)，然后寫入顏色值就可以了。 R34：寫數(shù)據(jù)到 GRAM 命令，寫入了該命令之后，地址計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)的增加和減少。該命令為單個(gè)操作的命令，只需要寫入該值即可，其他的命令的格式為先寫入命令編號(hào)，后寫入操作數(shù)。 R80~R83：行列 GRAM 地址位置設(shè)置。這幾個(gè)命令用于設(shè)定顯示區(qū)域的大小，開發(fā)板所配置的整屏大小為 240*320，但是有時(shí)候只需在其中的一部分區(qū)域?qū)懭霐?shù)據(jù)，如果用先寫坐標(biāo)，后寫數(shù)據(jù)這樣的方式來實(shí)現(xiàn)，則速度大打折扣。此時(shí) 就可以通過這幾個(gè)命令，在其中開辟一個(gè)區(qū)域，然后不停的寫入數(shù)據(jù)，地址計(jì)數(shù)器就會(huì)根據(jù) R3 的設(shè)置自動(dòng)增加 /減少，這樣就不需要頻繁的寫地址了，大大提高了刷新的速度。 驅(qū)動(dòng)程序文件 功能 在整個(gè)完整的程序設(shè)計(jì)，包含了三塊的驅(qū)動(dòng)程序 :、 、。每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)不同的功能，包含了顯示屏的尺寸信息，聲明了對(duì)應(yīng)的顯示屏的尺寸，工作方法和調(diào)用使能的接口函數(shù)等。 是 觸摸屏的底層 的驅(qū)動(dòng)文件，包括觸摸屏參數(shù)初始化、中斷控制 函數(shù) ，中斷狀態(tài)清除函數(shù)等。即關(guān)于觸摸屏的 GPIO 的調(diào)用聲明，對(duì)上述數(shù)據(jù)計(jì)算的 x,y 軸坐標(biāo)的讀取函數(shù)等，完成使能觸摸屏的接口功能、觸摸屏中斷控制，完成操作后中斷清除等功能。 是板子上其他 GPIO 的底層，就是每個(gè)引腳的功能配置 ，作為每個(gè)引腳功能的聲明配置存在。聲明了實(shí)驗(yàn)板上對(duì)應(yīng) GPIO 的硬件模塊的使能接口功能。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 37 第三個(gè)是液晶屏顯示的底層，包括加載到 Library 中的 grlib 庫(kù)， 其實(shí) 都是 這個(gè)文件對(duì)硬件操作的映射 。包括時(shí)鐘，中斷，定時(shí)器等等。 功能實(shí)現(xiàn)部分設(shè)計(jì) 在解決了驅(qū)動(dòng)程序后，表明之后的程序設(shè)計(jì)是可以下載到實(shí)驗(yàn)板順利運(yùn)行的。之后，是軟件部分的程序設(shè)計(jì)。程序在完成初始化后可以完成對(duì)觸摸屏的按鍵響應(yīng)，控制，顯示輸出，按相對(duì)應(yīng)的運(yùn)算符結(jié)果運(yùn)算。其主程序運(yùn)行要流程如圖 所示。 初 始 化 開 始觸 摸 屏 初 始 化 ， 控 制L C D 寫 操 作配 置 G P I O ， A D C片 外 硬 件 資 源 等配 置 系 統(tǒng) 時(shí) 鐘 圖 主程序開始流程圖 軟件設(shè)計(jì)基本包括了以下幾個(gè)部分的內(nèi)容：中斷控制部分、顯示部分和運(yùn)算部分，各部分分工不同，中斷控制是在觸摸屏顯示的之后可以有一個(gè)中斷功能，即在對(duì)觸屏操作后，有一個(gè)顯示中斷，可以使能允許完成觸上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 38 摸后對(duì)應(yīng)的操作，完成操作后結(jié)束中斷。顯示部分即顯示計(jì)算器界面的編寫。運(yùn)算部分，將按下按鈕輸入數(shù)字，所組成新的數(shù)在顯示屏輸出、給予所有的運(yùn)算符按鈕有對(duì)應(yīng)的函數(shù)運(yùn)算意義，即完成加減乘除運(yùn)算，以及其他較為復(fù)雜的運(yùn)算方式，最后計(jì)算完成后存儲(chǔ)并且輸出相關(guān)的計(jì)算結(jié)果。 中斷控制功能編寫 理論上，中斷控制功能的實(shí)現(xiàn)是在驅(qū)動(dòng) 程序當(dāng)中，因?yàn)槭桥c硬件功能連接十分緊密的一個(gè)功能實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際應(yīng)用中又與操作緊密相關(guān)，是軟件設(shè)計(jì)中十分重要的部分。 其根本 編程 原理是由 CortexM3 提供了一套中斷控制器所提供的API。中斷控制器 API 提供了一組函數(shù)，用來處理嵌套向量中斷控制器（ NVIC）。這些函數(shù)執(zhí)行以下功能：使能和禁止中斷、注冊(cè)中斷處理程序和設(shè)置中斷的優(yōu)先級(jí)。 同時(shí)在驅(qū)動(dòng)文件中，重寫了一些關(guān)于中斷控制的函數(shù)。在操作中，對(duì)觸屏操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軟件中斷，然后對(duì)所進(jìn)行操作后，例如觸摸屏的觸點(diǎn) X,Y 值進(jìn)行鎖存。然后對(duì)鎖存的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，通過 LCD 顯示相關(guān)的 API 函數(shù)，將得到的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)函數(shù)操作，或顯示，或運(yùn)算等等。最后將相關(guān)操作的結(jié)果，反映到 LCD 顯示屏。其流程圖如圖 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 39 開 始觸 屏 功 能 開 啟設(shè) 置 自 動(dòng) 模 式等 待 觸 屏 事 件檢 查 觸 屏 事 件鎖 存 X 數(shù) 據(jù)鎖 存 y 數(shù) 據(jù)讀 取 X 、 Y 坐 標(biāo) 值講 對(duì) 應(yīng) X 、 Y 坐 標(biāo) 值 轉(zhuǎn) 化 成對(duì) 應(yīng) L C D 位 置 響 應(yīng)清 除 中 斷 狀 態(tài)N OY e s中 斷 操 作子 程 序 結(jié) 束返 回 主 程 序顯 示 內(nèi) 容中 斷 初 始 化產(chǎn) 生 中 斷N OY e s結(jié) 束 圖 中斷控制流程圖 顯示函數(shù)編寫 顯示功能 ，顯示功能實(shí)現(xiàn)流程是如圖 所示，將按鍵結(jié)果顯示在LCD 上的。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 40 開 始給 位 圖 的 起 始 坐 標(biāo) ，高 度 寬 度 ， 數(shù) 據(jù) 地 址算 出 位 圖 的 水 平 和 垂直 首 尾 G R A M 地 址得 出 位 圖 數(shù) 據(jù) 對(duì) 應(yīng) 顯 存地 址 ， 準(zhǔn) 備 寫 數(shù) 據(jù)小 于 高 度顯 存 寫 入 數(shù) 據(jù)（ 像 素 置 色 ）小 于 寬 度結(jié) 束下 一 行N ON OY E SY E S下 一 列 圖 LCD 讀 /寫操作流程 在 具體的實(shí)現(xiàn)過程中，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭載的 觸摸屏 ，在軟件上 是靠一個(gè)WIDGET 隊(duì)列處理系統(tǒng) 來接受顯示資源，即主界面上的功能按鈕，邊框和顯示區(qū)域等。在聲明了類似 canvas（ … ）等畫圖，畫按鈕等方法后，在main 函數(shù)中調(diào)用該方法。并調(diào)用函數(shù) WidgetAdd(… 函數(shù)名，函數(shù)名 …) ，添 加 到 消 息 隊(duì) 列 中 。 最 后 用 一 個(gè) 死 循 環(huán) ， 循 環(huán) 執(zhí) 調(diào) 用WidgetMessageQueueProcess()這么一個(gè)函數(shù)，完成 LCD 上顯示輸出所需要的內(nèi)容。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 41 所以在完成顯示輸出時(shí)，要調(diào)用畫圖的方法，再在主函數(shù)中，將畫圖的方法添加到消息隊(duì)列，然后循環(huán)輸出即可。 而在完成運(yùn)算功能后的顯示輸出理論上是一樣的，只是改變了內(nèi)存當(dāng)中的變量。調(diào)用 Canvas（ … ）函數(shù)作為一個(gè)變量顯示區(qū)域，將完成計(jì)算后的結(jié)果從內(nèi)存中取出，利用 sprintf(變量名 ,顯示格式 ,變量名 )這樣一個(gè)函數(shù)將輸出結(jié)果存入對(duì)應(yīng) Canvas 的變量名中。調(diào)用 CanvasTextSet(…) 改變Canvas(…) 內(nèi)變量的值，重新放入消息隊(duì)列 WidgetPaint((tWidget *)amp。g_Result)，完成一個(gè)顯示輸出的功能。 另一方面，顯示效果的更改，是利用更新好的 Canvas 進(jìn)行對(duì)前一次的輸出結(jié)果的覆蓋 。為了保證不會(huì)有顯示前次效果的問題，則對(duì)顯示的長(zhǎng)度進(jìn)行有一定位數(shù)的預(yù)留，每次顯示相同長(zhǎng)度。如果數(shù)字長(zhǎng)度不足，則同樣預(yù)留了長(zhǎng)度，這樣可以對(duì)前次的顯示結(jié)果完成一個(gè)覆蓋的效果，避免顯示錯(cuò)誤。同時(shí)對(duì)輸入的數(shù)字有位數(shù)長(zhǎng)度的限定，即當(dāng)位數(shù)達(dá)到一定時(shí)，則只顯示當(dāng)前輸入的數(shù)字，而不能繼續(xù)輸入。方便確定運(yùn)算結(jié)果的位數(shù)，也可以使得最后輸出結(jié)果時(shí)不會(huì)因長(zhǎng)度不足而又被覆蓋不完全的錯(cuò)誤。 總 結(jié) ， 顯 示 輸 出 軟 件 編 寫 上 是 在 不 斷 調(diào) 用 消 息 隊(duì) 列WidgetMessageQueueProcess()時(shí)候，更新消息中的內(nèi)容，并且重寫覆蓋已經(jīng)顯示的內(nèi) 容，達(dá)到完成顯示所需數(shù)字和運(yùn)算結(jié)果這樣的效果。 運(yùn)算符函數(shù)編寫 除了顯示部分，本次設(shè)計(jì)另一大塊的設(shè)計(jì)部分是函數(shù)運(yùn)算模塊的設(shè)計(jì)。作為一個(gè)計(jì)算器，除了顯示輸入數(shù)字外，更重要的是得到所需要的計(jì)算結(jié)果。所以，在完成數(shù)字顯示結(jié)果的同時(shí)，應(yīng)該考慮的是將輸入數(shù)字，按照對(duì)應(yīng)的按鈕進(jìn)行計(jì)算，輸出結(jié)果。 函數(shù)運(yùn)算編寫包含幾個(gè)部分： 第一，在能顯示輸入的數(shù)字以后，我們要將不斷輸入的數(shù)字變成對(duì)應(yīng)的數(shù)進(jìn)行輸出。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3 的觸摸屏計(jì)算器設(shè)計(jì) 42 開 始儲(chǔ) 存 當(dāng) 前 輸 入 數(shù) 字計(jì) 數(shù) 器 自 加計(jì) 數(shù) 器 大 于 限 定 值N O按 下 數(shù) 字 按 鈕 有 反 應(yīng)之 前 存 儲(chǔ) 的 數(shù) * 1 0 + 當(dāng) 前數(shù) 字顯 示 輸 出保 持 顯 示 當(dāng) 前 數(shù) 直到 按 下 運(yùn) 算 符 號(hào) 或清 零結(jié) 束Y E SN O小 數(shù) 點(diǎn) 標(biāo) 志 位 是 否為 F A L S E當(dāng) 前 數(shù) 字 * 1 0 的 負(fù)計(jì) 數(shù) 器 次 數(shù) 次 方計(jì) 數(shù) 器 自 加Y e s輸 出 數(shù) 加 上 變 更 后的 數(shù) 字 圖 數(shù)字組合成數(shù)顯示流程圖 如圖所示，輸入數(shù)字轉(zhuǎn)化成數(shù)，關(guān)鍵是要記錄兩個(gè)部分，一個(gè)是存儲(chǔ)當(dāng)前輸入數(shù)字，和已經(jīng)輸出的數(shù)。將已經(jīng)輸出的數(shù)乘 10 和當(dāng)前數(shù)字相加則成為一個(gè)新的數(shù)輸出。有小數(shù)點(diǎn)的數(shù)一樣，在按下小數(shù)點(diǎn)后，改變一個(gè)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 CortexM3