EFD圖像數據傳輸系統設計論文

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在此計以STM32系列處理器作為控制器，利用uCGUI進行圖形界面設計，利用循環移位算法將黑白圖像定製成符合TFT?EFD顯示的數據格式，實現了靜態EFD圖像的通信，可以根據實際要求傳輸不同靜態EFD圖像，後期如果需要可以升級成傳輸數據流來支持動態顯示。

1 設計原理

本設計採用的單色TFT?EFD顯示屏的分辨率是320×240，行線連接着晶體管的柵極，控制着晶體管的打開與關閉，列線連接着晶體管的源極，控制着數據的傳輸，整體的結構如圖1所示。

圖1 EPD Panel

基於EFD的圖像顯示經歷了圖像採集，圖像傳輸，圖像顯示等步驟。EFD目前只支持黑白圖像顯示，因此圖像採集利用Processing軟件對圖片進行一次加工，轉換成黑白圖像。數據生成之後需要進行傳輸，傳遞給微控制器進行處理，這時需要對數據進行二次加工，變成滿足TFTEFD顯示屏驅動芯片要求的格式，之後通過DMA方式傳遞給外部的SRAM。FPGA讀取SRAM的數據，根據相應的時序控制驅動芯片輸出數據，從而實現圖像顯示。如果控制好時序，能在1 s內刷新25幀以上，那麼就可以實現圖像的動態顯示。

數據的傳輸是整個過程的中間階段，需要進行不斷的測試來找到最優的傳輸數據時序，構造出相對完善的波形序列來實現動態顯示。因此搭建數據傳輸系統來顯示不同的圖像，測試其顯示效果，對於實現穩定的動態顯示有積極的作用。本設計利用uCGUI構造圖形控制界面，可以傳輸不同的EFD圖像數據給SRAM，FPGA讀取其中的數據就可以進行圖像顯示，並且系統界面簡單直觀，操作起來也相對簡便。

2 系統設計

2.1 硬件設計

利用STM32F103ZET6微處理器作為主控芯片，SD卡作為存儲設備，SRAM作為轉換數據的輸送目的地，TFT?LCD用作顯示與觸摸控制，各個硬件相互配合構建起一個完整的數據傳輸系統。系統框圖如圖2所示。

圖2 系統結構

顯示模塊採用2.8寸ALIENTEK TFTLCD模塊，利用ILI9320控制器作為驅動芯片進行驅動。ILI9320液晶控制器自帶顯存，其顯存總大小為172 820 b(240×320×[1818])。並且ALIENTEK TFTLCD模塊自帶電阻式觸摸屏，可以實現觸控的功能。ALIENTEK TFTLCD模塊自帶的觸摸屏控制芯片為XPT2046，內部含有12位分辨率125 kHz轉換速率逐步逼近型A/D轉換器，是一款4導線制觸摸屏控制器。

由於數據量比較大，將大量數據儲存在SD卡中[1]，SD卡的配置使用SPI驅動，最高通信速度可達18 Mb/s，每秒可傳輸數據2 MB以上，可以滿足一般的應用需求。SRAM採用的是IS62WV51216芯片，存儲容量為1 MB，採用STM32的FSMC接口對其進行配置。FSMC是靈活的靜態存儲控制器，能夠與同步或異步存儲器、16位PC存儲器卡接口，STM32的FSMC接口支持包括SRAM，NAND FLASH，NOR FLASH等存儲器。本設計使用FSMC的BANK1區域3來控制IS62WV51216芯片。

2.2 軟件設計

FATFS文件系統：FATFS是一個完全免費開源的FAT文件系統模塊，專門為小型的嵌入式系統而設計。它用標準C 語言編寫，一般只需要修改2個文件，即ffconf.h和diskio.c，之後進行簡單配置就可以移植到單片機上，進而可以對SD卡和FLASH進行文件的讀、寫操作。

uCGUI移植：uCGUI 是一種小型化的嵌入式圖形界面接口，該接口獨立於處理器和LCD 控制器種類，對系統的要求很低[2]。它設計用於為任何使用LCD圖形顯示的應用提供高效的獨立於處理器和LCD控制器的圖形用户接口[3]，它適用單任務或是多任務系統環境，並且在任意LCD控制器和CPU下進行任何尺寸的真實顯示或虛擬顯示。

本設計依靠uCGUI進行界面設計，設計比較直觀的按鍵和列表來控制圖像傳輸和圖像顯示。使用uCGUI也需要做移植的工作，移植的工作包括顯示屏和觸摸屏兩個部分。

顯示屏：首先，TFT?LCD顯示屏的底層驅動函數需要事先寫好，保證單線程程序中正常顯示。

其次，向工程中加入uCGUI程序包。

再次，根據自己的顯示屏規格配置LcdConf.h GuiConf.h

GuiTouchConf.h文件

最後，修改LcdDriver使uCGUI與你的LCD驅動相互關聯。

觸摸屏：若要在uCGUI 中使用觸摸屏，則必須將GUI_SUPPORT_TOUCH (Config 目錄下GUIConf.h中定義的宏)設置為1[4]。同時要編寫底層的觸摸屏源驅動函數，對gui_TouchConf.h文件中進行配置，然後在GUI_X_Touch.c文件中進行函數的改動。

具體的移植過程可以參考uCGUI使用手冊，這裏不再贅述。

數據轉換算法?循環移位：顯示屏裏每一個像素格里有一滴彩色油墨，油墨在加電時會收縮，在不加電時會平鋪。下極板是一層反光隔膜，裏邊每一個像素格里有一個TFT晶體管作為電壓開關，上極板是玻璃板，當在上下極板間加入適當電壓，像素格里的油墨就會打開，用光照射就顯示出明亮狀態，當不加電時就會平鋪顯示出的是油墨的顏色。EFD?Panel的微觀結構如圖3所示。

圖3 EPD Panel微結構

由於EFD是國內新型顯示技術，有着自身的圖像數據格式，需要定製符合其顯示格式的數據來實現圖像顯示。控制油墨打開與關閉的芯片要求一個像素格有兩位進行控制，即“01”代表打開，“10”代表關閉，因此需要對原始圖像數據進行二次加工來滿足要求。EPD Panel 的規格是320×240，即240行，320列，由於驅動芯片的數據輸出位數是8位，因此先定義一個字符型的二維數組data[240][80]，然後利用內存管理單元開闢相應的區域來存放最終數據。利用FATFS模塊的f_read函數從文本文檔裏讀取數據，根據文檔中每一個數據的內容是‘1’還是‘0’，分別對二維數組內的元素進行0x01或0x02的賦值操作，如果移位次數沒有達到4次則進行左移兩位操作，否則讀取下一個數據重新進行判斷。這樣每4個數據構成二維數組裏的一個元素值。接下來的工作就是判斷列數與行數是否小於預先設定數值，如果列數超出設定值，則行數加1，從新的一行開始讀取數據，如果行數超出設定值，則循環結束，所有數據均被轉換完。

算法流程圖如圖4所示。

圖4 圖像轉換算法

在Keil集成開發環境下利用C語言編寫數據格式轉換代碼，實現圖像轉換的重要代碼片段如下：

if(*(num++)=='1')

{

if((x%4==0)&&(x!=0))j++;

data[i][j]|=0x01;

if(x!=(3+4*j))data[i][j]<<=2;

}

else

{

if(x==320||x==321)continue;

if((x%4==0)&&(x!=0))j++;

data[i][j]|=0x02;

if(x!=(3+4*j))data[i][j]<<=2;

}

界面設計部分：進行完所有的移植工作之後，就可以進行界面的設計，具體的界面程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

整個系統分成了3個界面，界面之間可以實現相互的切換。第一個界面是進入界面，第二個界面是控制界面，第三個界面是數據列表界面。具體實現方法是建立了非模態對話框，以第一個界面為例，其對話框建立代碼為： GUI_CreateDialogBox(_aDialogCreate1，GUI_COUNTOF(_aDialogCreate1)，

&_cbCallback1， 0， 0， 0);

構造的ENTER按鍵用來控制界面的交換。第二個界面構造了三個按鍵來實現不同的控制，包括Begin Button，Exit Button，List Button，利用掃描方式來檢測按鍵的觸摸，從而執行不同的功能函數，代碼片段如下：

switch(GUI_GetKey())

{

case GUI_ID_BUTTON0： datacopy(col); //控制數據傳送

break;

case GUI_ID_BUTTON1： LED0=1; //界面轉換標誌置位

break;

case GUI_ID_BUTTON2： GUI_Clear();

BUTTON_Delete(hButton[0]);

BUTTON_Delete(hButton[1]);

BUTTON_Delete(hButton[2]);