基于FPGA的无线触控屏控制器设计*

2015-08-21杜刚

机械研究与应用 2015年3期

杜刚

(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽合肥 230027)

0 引言

嵌入式微处理器FPGA相比于微机，具有成本低、体积小、速度快的优点，对于中小型设备其处理能力完全可以满足要求[1]。相比于各种单片机等嵌入式芯片，FPGA采用可编程门阵列，可以根据具体需求构造SOPC(System－on－a－Programmable－Chip，片上可编程系统)、较为便捷地搭建外围电路，有效提高芯片资源的利用率[2]。

以FPGA为控制核心，设计一种具有无线通讯功能的触摸屏控制系统。其无线通讯功能，可以实时发送无线控制命令并无线监控设备运行状况，可以作用于危险环境或操作者难以亲自到达的场合。设计中以触控屏替代实体按键，减小了控制装置的体积。该系统可以脱离微机，独立操纵控制，减轻微机的工作负担。整个控制装置体积小，重量轻，可便携。

1 系统组成

系统主要由FLASH控制模块、基于XPT2046的触摸屏坐标采集模块、基于ILI9325的LCD显示控制模块及NRF24L01无线通讯模块组成。系统的控制核心采用FPGA芯片EP4CE15F17C8，搭建SOPC核。在LCD触摸屏绘制用户控制界面，利用触摸屏控制芯片采集控制信号，经编码后交由无线通讯模块发送至接收终端，实现触摸屏控制器的无线控制。无线通讯模块接收到控制端发送的信号经译码后被FPGA处理，FPGA将处理后的信号去控制受控设备。在对硬件编程时，主要采用NIOSII类C语言。

1.1 SOPC核和SPI总线

一个基本的SOPC核的组成部分有时钟(本设计采用50 MHz)、CPU、SDRAM控制器(用于在线调试)、FLASH控制器(用于烧录程序并实现掉电保存)，JTAG_UART[3]。此外，还需搭建 IO 作为各个模块的控制接口，具体为:LCD的控制接口 RS、WR、RD、CS、REST及数据线DB7～DB0;触摸屏控制接口T_CS、T_CLK、T_IN、T_OUT、T_IRQ;无线通讯模块控制接口 MOSI、MISO、CE、CSN、SCK。

在上述模块中，触摸屏坐标采集模块XPT2046和无线模块NRF24L01都是基于SPI总线实现的，SPI总线是一种串行接口协议，一般由片选CS、时钟CLK、主出从入MOSI及主入从出MISO四根数据线组成，分别对应 XPT2046控制总线中的 T_CS、T_CLK、T_IN、T_OUT端口及 NRF24L01中的 CSN、SCK、MOSI、MISO 端口[4]。图 1 为 SPI时序图。

图1 SPI时序

对与NRF24L01与XPT2046，都是MOSI时钟上升沿有效，MISO时钟下降沿有效。在NIOSII中使用四个IO口模拟实现SPI接口。

1.2 LCD 触摸屏

采用的LCD触摸屏为电阻式，其中的LCD用以绘制并显示系统的用户控制界面，触摸屏用以对触控点进行捕捉，编码转换为该触控点所表示按键的具体指令。该部分主要工作流程如图2所示。

图2 LCD显示及触摸控制工作流程

1.2.1 LCD 显示控制

LCD用以绘制控制系统的用户控制界面，并反映对受控端工作状态监控的信息。为此，把用户控制界面分为按键区和显示区两部分。而ILI9325的作用就是读入控制界面的颜色数据矩阵，以静态的方式在LCD屏上绘制出来，同时在显示区显示受控设备的工作状态。

LCD驱动芯片ILI9325最高支持320X240分辨率的图像显示，且有18位RGB接口，故最多可支持262144色显示。芯片内置存储器大致分为两个部分:控制寄存器及缓存图片数据的GRAM(Graphics RAM，GRAM)，通过对控制寄存器写入控制字，以此设置驱动芯片的工作状态。图片存储区GRAM大小为320X240X18bit，即有320X240个阵列存储单元，每个单元有18bit空间，GRAM结构与LCD像素排列方式对应。在写入图像数据之前，需要设置GRAM的工作范围，同时也是LCD的显示范围，该范围由对角线上两点坐标决定。待显示的图片数据会暂时存于GRAM中，显示图片时，GRAM寻址计数器自动在设定的范围内累加，以此读出GRAM中相应存储单元的图片数据，在屏幕像素阵列上显示[5]。LCD显示控制流程如图3所示。

图3 LCD显示控制流程

ILI9325提供了多种数据读写接口，有读写速度从快至慢分别为18－/16－/9－/8－bit的并行接口和1－bit的串行接口，综合考虑速度要求和FPGA的IO资源，本设计采用8－bit并行接口，图片颜色格式采用RGB565。在此接口模式及颜色格式下，一个像素点的颜色数据为16位，需分两次传输。图4为8－bit下并行接口颜色数据输入格式。

图4 8－bit并行接口颜色数据输入格式

本设计以FPGA内部资源搭建ROM存储模块，用以存放构成用户控制界面的图像数据矩阵，在上电后写入GRAM，这样，在FPGA资源允许的情况下可以减小外围电路的规模，有效提高了对FPGA资源的利用率。

1.2.2 触摸屏的控制

相比于电容屏，电阻屏虽不能支持多点触控，但具有精度高，价格低廉的特点，可做到一个像素点的精确控制。所以，对于控制器而言，电阻屏更为合适。

图5 XPT2046采集坐标流程

控制电阻式触摸屏的核心芯片是XPT2046，其本质上是一款逐次逼近型的数模转换器，可自由设置为8位或12位精度。触摸屏不同像素点受到压力会产生不同的模拟电压值，该电压由XPT2046采集后由处理器识别其对应的像素坐标，得到所按屏幕的区域并执行相应按钮的指令，在采集到像素坐标时，XPT2046同时会产生IRQ中断，因此，对应的具体命令函数可在中断中实现[6]。

触摸屏的像素坐标与具体的模拟电压值成正比关系，因为不同的屏幕该比例因子可能会略有差别，所以为了使触摸屏能在更精确的情况下工作，需要对触摸屏校正，计算出所用屏真实的比例系数。校正主要采用多次采集屏幕上特定像素点(例如一个矩形的四个顶点)的电压值，平均后得到较为精确的有效值，再结合被采点的几何关系即可算出比例系数。根据实际验证，20次左右的采集次数即可保证校正的精度。图7为XPT2046采集触摸点坐标的控制流程。

XPT2046的控制接口中T_IN口(即MOSI口)写入控制字，决定芯片的工作状态，包括模数转化的精度(8为或12位)、采集的坐标是横坐标还是纵坐标、单端采集还是差分采集等，而T_OUT口(即MISO)输出12位数值，代表在12位精度下采集到电压值[7]。XPT2046读写时序如图6所示。

图6 XPT2046读写时序

由时序图可见，在触动屏幕，产生IRQ中断信号后开始进行一次有效的电压采集，在一次采集的数据输出7位后，可以进行第二次采集的控制字输入，这样既可保证下一次的数值不会覆盖前一次，又可提高采集效率。

1.3 无线通讯模块

NRF24L01工作频率为2.4～2.525 GHz的公频段。NRF24L01有六个收发通道，因此可实现一对多或多对一的相互通讯，一次最多可发送的数据包大小为32 Bytes，在一般室内环境中有效通讯距离可达10 m(在开阔的室外环境可以更高)。

NRF24L01必须至少两片同时工作，一片发送一片接收。互为收发的两片芯片需配置相同的收发地址、收发通道、工作频率、数据长度及发射功率。NRF24L01的收发状态由CE管脚(激活芯片进入收发状态)及CONFIG寄存器中的PWR_UP(上电位)位和PRIM_RX(收发选择位)位共同决定。表1为NRF24L01工作状态。

具体的发送流程为:①接收端地址及待发送的数据写入NRF24L01;②配置CONFIG寄存器，进入发送状态;③置高CE管脚，激发发送;④发送数据包，并得到接收端的应答，完成发送。具体的接收流程为:①配置本机地址(需与发射端地址一致)及需接收的数据包的大小;②配置CONFIG寄存器，进入接收状态;③置高CE，激发接收;④接收到发射端发来的数据，产生应答;⑤从NRF24L01读出接收到的数据，置低CE，进入待机模式[9]。图7为无线模块工作流程。

表1 NRF24L01工作状态

图7 无线模块工作流程

NRF24L01的工作状态，可以通过读取状态寄存器STATUS实现。STATUS为8位寄存器，其中接收到有效数据后第六位RX_DR置高，发送数据成功接收到应答后第五位TX_DS置高。在收发完成后，必须对STATUS寄存器重置及对数据缓存区清空，否则下次收发可能会出现错误。为了提高收发的成功率，应该打开NRF24L01的自动重发功能，NRF24L01最多支持16次数据重发，直至收到接收端成功接收的应答为止。

由于无线通讯模块用于对控制端控制指令的传输，所以需要对控制界面产生的不同指令进行编码，交由无线模块发送，在接收端进行译码还原原始指令，并执行相应的操作。NRF24L01一次发送的数据包最多可达32bytes，可以满足控制指令的编码需求。

2 实验

以带有光栅尺反馈系统的二维电控平台为受控设备，对研制的控制系统进行了测试。图10为LCD触摸屏上显示的用户控制界面。图中上下箭头分别控制X向步进电机的正反转，左右箭头分别控制Y向步进电机的正反转，中间为启动和暂停键。上面的状态栏显示反馈的光栅尺测得的X和Y方向位移。一次发送控制指令和返回监控状态所用时间约为30～50 ms，该系统可用于实时控制和监测。图8为系统用户控制界面。