浅析彩色LCD在物探仪器中的应用

陈祥鹏 曾卫华 原培超 王与意

（中国地质大学（北京）100083）

0 引言

近年来，随着相关技术的进步和有效的成本控制，液晶触摸屏凭借其友好的人机交互能力，被广泛应用于消费电子、汽车中控、工业控制、多媒体娱乐等技术领域。但很多老式的物探仪往往采用点阵液晶屏，有的还必须通过连接上位机PC才能显示，已经不能满足物探仪器集成化、智能化、成像化的发展需求。而将彩色触摸屏引入物探仪器当中，能够配合主控芯片将探测数据以图形化的方式进行显示，同时代替传统繁多的按键进行探测参数输入，高表现力特性符合物探数据显示的需要，提高了仪器的集成度和便携性，具有很大的现实意义。结合上述情况，以基于触摸屏的三侧向测井地面采集器为例，阐述屏幕类型属性特点、屏幕相关软硬件开发，探讨其在物探仪器领域的实用性。

1 彩色LCD屏基本情况

目前常见的触摸式LCD屏幕按照原理及传输介质分类有电容式、电阻式、红外线式、表面声波式这四类，这四类屏幕的基本属性如下表1所示。

从表中可以看出，电阻式触摸屏在各方面均有一定优势，尤其是能够满足物探仪器野外复杂条件下高可靠度的要求。目前工业用触摸屏多半采用的就是四线电阻屏。仪器仪表领域最实用的产品类型是LCM(LCD Module)，即LCD显示模组，是指将液晶显示器件,连接件,控制与驱动等外围电路,PCB电路板,背光源,结构件等装配在一起的组件。其采用模组自带的处理器处理绝大多数屏幕任务，从而将仪器的主控CPU从繁琐的屏幕数据流中解放出来，提高运行效率。市场常见的此类电阻式LCD屏参数如下：对角线尺寸3.5-15吋；接口有USB、以太网、CAN总线、RS232、RS485、USART、SD卡等；极限工作温度-40℃|70℃；最高分辨率4096*4096；色彩16bit及24bit；表面硬度2H以上（以JISK5400为基准）；面板防水特性IP65；抗电磁干扰 FCC class A；触控次数：100万次左右；工作电压：3.3V-36V；点亮时额定电流200mA-1200mA（视屏幕尺寸与供电电压不定）。

表1 四类屏幕基本属性对比

可见彩色LCD屏幕分辨率高，色彩丰富，表现力较强，易于与多种仪器搭配，除了功耗相对过高以外，其他指标均能满足野外仪器的工作需要。此外，很多产品还提供了动态曲线自动描绘、集成触屏输入法字库、变量组态开发方式等诸多实用功能。

2 LCD屏在三侧向地面采集器中的应用实例

三侧向测井作为解决高矿化度泥浆和高阻薄层的测井方法，其测井仪有广泛应用。本文设计了一种通用性采集器，能分别配合重庆地质仪器厂的JGS-1B探管和渭南煤矿的TYSC-QB探管进行采集，采集到的测井数据通过LCD以测井曲线形式当场显示。以此为例，为其他仪器的触摸屏开发提供参考。

2.1 原理及硬件设计

设计了一种适用多种探管的通用型测井采集器，采用ARMCortex-M3芯片搭配CPLD的方案。数据采集主要来自井下探管和绞车，主要有四种形式：

（1）探管传输的模拟信号，有直流信号和交流方波，由ADC进入 CPU（CPU 自带 ADC）；

（2）探管传输的数字信号，主要是二进制编码形式，通过CPLD进行曼彻斯特编解码；

（3）绞车深度脉冲信号，兼有正负脉冲计数；

（4）电桥供电测量方式。

此外对于不同电性方法的探管，还有恒流式、恒压式、恒功率式等探测方式，所以要求触摸屏能够进行多种参数的输入和设置。

图1 硬件结构框图

硬件整体结构框图如图1所示。其中CPU采用的是STM32F103ZET6增强型芯片，高性能的32位RISC内核，主频72MHz，内置高速存储器、3个ADC、4个定时器、PWM定时器，以及I2C、SPI、USB、CAN和5个UART等丰富的接口，能够同时满足与探管、CPLD、上位机、LCD的通信。

液晶触摸屏采用的是北京迪文科技生产的DMT10600T070_01W工业串口屏。 此屏幕采用UART与CPU通信，7.0英寸4线电阻触摸屏，LED背光，分辨率1024*600，使用SD卡（2G）配置和下载，支持RTC与蜂鸣器。值得一提的是其采用K600+内核（32Bit RISC 400MHz）及人机界面系统软件DGUS，可提供零代码快速开发全图形触摸屏人机界面，实现触屏输入法、弹出菜单、变量图标、读数指针、曲线显示等功能，能有效缩短研发周期。

STM32的UART可实现全双工的异步通信，以此接口与屏幕通信。接口电路如图2所示。LCD的1、2、3为电源输入，4与CPU的PC6口连接作为波特率同步，5、6为屏幕接收发送口连接CPU的TXD3和RXD3，7为屏幕busy指示，8、9、10口为GND接地。屏幕只占用一组串口，使得CPU的RS485、USB、CAN总线可以用来连接上位机和其他外设（USB与CAN因使用同一RAM故不能同时使用）。

图2 屏幕接口硬件原理图

仪器电源采用AC：220V转DC：12V供采集卡使用，由采集卡DC：12V转DC：5V对此屏幕供电。

2.2 软件设计

从数据流向上看LCD触摸屏在此系统中的作用主要有两点：一为接收CPU数据处理过的深度和电阻率数据，并通过二维坐标曲线的方式予以显示；二为接收用户触摸控制信息，将控制量通过串口发送给CPU。整体程序如图3所示。程序主题采用三种工作模式，分别是JGS-1B探管采集模式、TYSC-QB探管采集模式、曲线回放模式，通过屏幕触摸输入相关参数进行采集和显示。

图3 程序流程图

其软件设计分为两部分，一部分为STM32的基于Keil MDK编程，另一部分是串口屏的DGUS人机界面编程。主要介绍与触摸屏相关的程序编写。

STM32的开发主要依托与固件函数库进行，即将各个函数封装好后以备调用，使得开发者不再面对底层寄存器进行操作，大大提升了编程效率。正如1.2所介绍的，CPU只需要将数值串口发送给屏幕和从屏幕接收控制量即可，无需涉及LCD显示驱动。所以CPU对于此触摸屏的编程即为串口编程，其关键代码如下：

void RCC_Configuration(void);//设置系统时钟

void GPIO_Configuration(void);//配置 GPIO口（使用GPIO_InitStructure库函数把Tx脚设为第2功能推挽输出、Rx为浮空输入）

void USART_Configuration(void);// 设 置 UART（使用USART_InitStructure库函数设置波特率为此LCD典型值115200；8位数据长度；1位停止位无校验；禁用硬件流控制；禁止UART时钟；使能UART3）

……

main()

{……

U8 RxData,TXData;

……

USART_SendData(USART3,u8Data);//向串口发送要显示的数值

……}

屏幕人机界面编程采用迪文自主开发的DGUS软件。需要完成开机动画、时间显示、模式选择、变量设置、曲线绘制、蜂鸣警报、超时灭背光等设置。其开发过程有四步：

（1）变量规划，将模式选择、采样率等控制量定义变量地址和长度；

（2）界面设计，利用绘图软件进行界面元素（图标、字库、仪表盘、曲线坐标系）设计；

（3）界面配置，利用迪文提供的图形化工具软件进行界面配置，生成触控配置文件和变量配置文件；

（4）把配置文件、图片、字库、图标库等借助SD卡下载到屏幕，进行界面测试和修改。将串口连上采集卡，进行数据联调。

主要设计完成人机交互面板和视电阻率曲线绘制显示两个核心界面。

3 触摸屏与其它物探仪器的搭配

地球物理探测仪器根据物探方法分类主要有电法、重力、磁法、放射性、测井、地震6类仪器，其实不论哪一类仪器，触摸屏在其中的作用都无非是数据显示和控制输入这两种。本文将从实用性、功耗、尺寸及防护性、接口及开发难度、价格、发展趋势等方面入手，并结合上述测井采集卡的例子对触摸屏在物探仪器中的开发和应用做简要概述。

实用性：从实例也可以看出，触摸屏的使用满足了物探仪器成像化的需求，有效地精简了仪器面板的按钮，人机界面友好。例如测井类仪器，LCD触摸屏能将SP、AC、GR、RT、LLD等测量值与深度匹配，以曲线的形式将某一钻孔的测量结果直观的显示出来。高密度电法仪也能体现出LCD触摸屏的优势，能将不同的电阻率区域用不同的颜色在仪器端就能直观，无需连接PC，这是传统点阵液晶屏幕所做不到的，当场显示出异常点也能就地展开异常点分析，提高了物探效率。此外，配合带字库的LCD模组，还能进行中英文输入，这也弥补了面板按键操作的短板，触控的方式也无异更方便快捷直观。

功耗：功耗往往是制约触摸屏在便携性物探仪器上使用的主要因素。屏幕的耗电与否主要在于背光源的类型，市场上的工业触摸屏主要有两种，LED发光二极管与CCFL冷阴极荧光管，其中采用前者背光的屏幕耗电量较小。本文所采用的迪文7吋LED背光屏幕，5V供电下屏幕点亮时电流约为300mA-350mA，背光熄灭时电流约为100-120mA，而同尺寸的CCFL背光屏幕额定电流约为800mA-1500mA。以核地球物理使用的ZDD3901石材仪为例，其采用四节1号电池串联供电，一节一号充电电池的有效容量5000mAh左右，其工作电流平均150mA左右，在使用LED背光屏幕以后功耗变为原来三倍，使用时间缩短为原来的三分之一,10小时以内。所以对于对功耗要求苛刻的仪器，触摸屏建议选择LED背光源，并且编程时注意在不需要显示的时刻关闭背光，并考虑供电电压、电池容量和使用时长来决定是否采用背光LCD屏方案。

尺寸及防护性：由1.2可知主流的LCD提供多种尺寸的屏幕，其中以4.3吋、7吋、10吋最为常用。4.3吋的适用于显示数据量较少或者仪器较小的场合，例如FD3013辐射仪、质子磁力仪等，此类屏幕主要代替面板进行仪器控制；7吋与小号信封大小类似，与大多数仪器外壳尺寸相符，比较适合曲线、图像的显示和中英文的输入；10吋主要应用于对显示效果有较高要求的仪器，例如高密度电法仪。至于防护性有两方面，一为防止野外环境对屏幕的破坏，二为防止屏幕产生的电磁干扰影响仪器的测量，选配时建议注意屏幕的各个参数。

接口及开发难度：传输效率较高的接口是RS485、USB、以太网，但是一般的主控芯片往往每类接口只能提供一个，考虑到还需要跟上位机、探头等其他设备通信，所以利用芯片丰富的串口搭配屏幕是个比较好的选择，其编程开发也相对容易。此外，例如有些探地雷达、地震仪设备如果对显示信息量有高要求的，可以选择VGA或者DVI接口的屏幕。市场上的大多数工业触摸屏都有配套的人机界面开发软件，利用图形化编程也大大降低了开发难度，能有效缩短开发周期。

价格：近年来液晶触摸屏做到了很好的成本控制，带内核的主流工业触屏单价在300-1500元范围内，随屏幕尺寸单价不同，7吋的一般价格在500元左右，有特殊要求的在1000元左右，在动辄几万单价的物探仪器中采用高质量LCD方案并没有过多的增加开发成本。即便是相对廉价的万元级设备，如FD3013辐射仪与SM-30磁化率仪，其硬件成本在2500-4500左右，增加一块4.3吋触屏，仅增加了350元成本，却能带来更好的人机交互体验，也提升了仪器档次。

发展趋势：仪器领域整体的发展趋势是集成化便携化智能化，物探仪器中触摸屏的发展依赖着多种技术的共同提高。随着ARM为首的嵌入式芯片近年来的飞速发展，配合类似windows8的跨界操作系统，嵌入式系统有望逐步实现通用运算并逐步取代传统PC上位机，使得仪器更小更轻并拥有更强劲的运算能力。在此基础上，未来的人机交互也许是通过带触屏的平板电脑甚至是智能手机进行仪器控制和探测结果显示，这无疑会给物探工作者带来极为便利的仪器应用体验。目前已经有一些探地雷达已经开始尝试采用触屏平板电脑方案了。

4 结束语

LCD触摸屏有着友好的人机交互能力，技术成熟，开发便利，能有效地取代传统按钮式面板，显示表现力强，便于与各种智能仪器仪表搭配。本文设计的带触屏的数据采集卡经过测试显示工作稳定，触屏控制和屏幕显示性能良好，能满足高效测井的需要。综上所述，将触摸屏搭配物探仪器满足了其数据成像和便携化的需要，建议仪器开发者根据需要选配不同的触摸屏方案。

[1]褚昌铃.LED显示屏系统原理及工程技术[M].成都：电子科技大学出版社，2000.

[2]邹玉忠，张辉.TYSC—QB型和JGS-1B型数字测井仪比较[J].西部探矿工程，2006(11)：56—58.

[3]张凤阳.全彩LED显示屏控制系统的研究[D].重庆：重庆大学，2008.7.

[4]张家田，陈宝，严正国.测井电子信息技术[M].北京：石油工业出版社，2010

[5]蒙博宇.STM32自学笔记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012

[6]威纶通科技有限公司.产品中心资料[EB/OL].[2012-7-27].http://www.weinview.cn /index-3.asp.

[7]曾周末.仪器仪表系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2012