基于STM32的人机接口设计与实现

戴军建， 张传胜

（1.长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

0 引 言

随着人们生活水平的提高，人机交互技术被广泛应用于人们的日常生活当中，其中，TFTLCD液晶显示器件以其体积小、重量轻、低电压、低功耗、低辐射、全色彩等特点得到广泛的应用[1－2]。

专用的人机交互界面系统的设计比较复杂，不仅需要软件的编写与调试，还需要与硬件电路和液晶屏类型相匹配，需要反复修改调试，如果需要在已经成型的系统中修改功能或更换屏幕，那就需要花费很多的时间去重新设计，所花费的时间不亚于重新设计一套新系统，十分繁琐。为此，文中设计了一种基于STM32的通用人机交互界面模块，模块使用STM32微控制器驱动液晶屏和触控板，并通过运行人机交互图像接口软件模块，在使用时只需要把要显示的界面图像放到FLASH存储器中，利用一个串口与上位MCU相连接即可，通过实测，通用人机交互界面模块达到了设计要求。

1 TFT－LCD的显示驱动原理

TFT－LCD的显示驱动原理采用逐行扫描方式，即当一行被选通以后，这一行中的各列信号同时加到列上，并维持一个扫描行的时间，当这一时间结束后选通下一行，各列的薄膜晶体管电路施加下一行的显示电压。

文中选用STM32F103ZET6微控制器，驱动TFT－LCD和触控板，该微控制器是ST公司生产的32位RISC处理器，基于ARM公司的CORTEX－M内核，拥有64KRAM、512KB NORFlash、1个USB2.0接口、1个CAN接口、8个定时器、5个USART接口、3个12位ADC模数转换器、2个12位数模转换器、112个通用I／O口、2个I2C接口、2个I2S接口、3个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总线接口的LCD控制器。STM32F103ZET6微控制器的工作频率高达72MHz，运算速率高达1.25MIPS，具有良好的功能和适用性，且价格低廉，在工业控制领域中有着大量的应用[3－6]。系统总体结构如图1所示。

图1 系统结构

2 触摸板模块驱动设计

触摸技术是当今最流行的一种人机交互接口。基于原理的不同，触摸屏可以分为电阻式、电容式、表面声波式等。电阻式触摸屏在工业上应用较广，其原理是通过测量横向和纵向的电阻值来获得触点的坐标，目前比较常见的是四线电阻触控屏。四线电阻触控屏由两层透明金属层组成，工作时每层均增加5V恒定电压：一个竖直方向，一个水平方向。总共需4根电缆，当有触控笔或手指按下时，触点处的上下两层金属层接触，由于在竖直方向和水平方向电阻都是线性的，可以测得触点在这两个方向的分电压值，进而得到触点相对于触屏边界的相对距离，并转换成触控板的坐标，通常触点坐标的检测是通过A／D采集转换来实现的。STM32F103ZET6微控制器有3个12位ADC模数转换器，所以，把触控板的4根引脚连接到A／D转换模块的四路通道上。

由于触摸屏和液晶屏是两种不同的物理器件。对于液晶屏而言，它的坐标以像素为单位。而触摸屏的触点数据是触点的物理坐标，该坐标是通过触摸屏连接的A／D转换器采集得到的。要想实现触摸屏上的物理坐标与液晶屏上的像素点坐标一一对应上，两者之间就需要一定的转换，即校正。而且电阻式触摸屏由于自身的原因，参数会发生变化，因此需要经常性地校正。比较常见的校正方法是三点校正法，它的原理如下：

设液晶屏上每个像素点的坐标为[XD，YD]，触摸屏上每个触点的坐标为[XT，YT]。要实现触摸屏上的坐标转换为液晶屏上的坐标，需要下列公式进行转换：

因为其中一共有6个参数（A，B，C，D，E，F），因此只需要3个取样点就可以求得这6个参数。这6个参数一旦确定下来，只要给出任意触摸屏上的坐标值，代入上述公式，就可以得到它所对应的液晶屏上像素点的坐标值。如果不更换液晶屏，这几个参数就不变，为了以后校正方便，把这些参数通过SPI总线保存到外部FLASH中。经过校正的结果如图2所示。

图2 经过校正后的触屏和液晶屏

3 人机交互软件设计和仿真验证

目前，有一些商业化的人机交互软件可以买到，但一般售价都比较昂贵，在本系统中，所有的界面都是由界面开发者自行定义的，因此只用到快速显示图片和数据，其它的如汉字、字母等只要事先放到一个界面上，然后截图，拷贝到模块中，就可以作为图片的一部分显示出来，因此，软件部分只设计了图片快速显示与更新函数和数字快速显示函数。

由于前面在驱动液晶模块时设计了显示缓冲区，只要把待显示的图片放到显示缓冲区中就可以显示出来。由于显示缓冲区用32位表示一个像素，而写入的数据是24位色，需要把高8位屏蔽掉。以显示一副图片为例，给出主要的程序代码：

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；

｝

｝

｝

利用该函数就可以把图片迅速显示出来，显示结果如图3所示。

图3 系统显示效果

把烧入程序的STM32微控制器与320×240分辨率的TFT液晶屏及3.5寸4线电阻触控板连接好，与一个上位MCU通过串口相连，模块中已经烧好了要使用的界面，上位MCU通过串口把数据发给STM32，STM32根据设定的显示参数配置液晶屏，然后接收的这些数据显示在屏幕相应的位置上，试验结果如图4所示。

图4 系统效果实测

4 结 语

通过实测，文中所述的基于STM32的通用人机交互界面设计方法具有设计简单、使用方便、成本低廉的特点，并且可以适用于大部分场合，具有良好的应用前景。若能以更高性能ARM处理器代替低廉的STM32微控制器[7－14]，则可以实现高清视频录制和播放，具有更好的实用价值。

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