EFD图像数据传输系统设计论文

2022-09-02 论文

　　在此计以STM32系列处理器作为控制器，利用uCGUI进行图形界面设计，利用循环移位算法将黑白图像定制成符合TFT?EFD显示的数据格式，实现了静态EFD图像的通信，可以根据实际要求传输不同静态EFD图像，后期如果需要可以升级成传输数据流来支持动态显示。

　　1 设计原理

　　本设计采用的单色TFT?EFD显示屏的分辨率是320×240，行线连接着晶体管的栅极，控制着晶体管的打开与关闭，列线连接着晶体管的源极，控制着数据的传输，整体的结构如图1所示。

　　图1 EPD Panel

　　基于EFD的图像显示经历了图像采集，图像传输，图像显示等步骤。EFD目前只支持黑白图像显示，因此图像采集利用Processing软件对图片进行一次加工，转换成黑白图像。数据生成之后需要进行传输，传递给微控制器进行处理，这时需要对数据进行二次加工，变成满足TFTEFD显示屏驱动芯片要求的格式，之后通过DMA方式传递给外部的SRAM。FPGA读取SRAM的数据，根据相应的时序控制驱动芯片输出数据，从而实现图像显示。如果控制好时序，能在1 s内刷新25帧以上，那么就可以实现图像的动态显示。

　　数据的传输是整个过程的中间阶段，需要进行不断的测试来找到最优的传输数据时序，构造出相对完善的波形序列来实现动态显示。因此搭建数据传输系统来显示不同的图像，测试其显示效果，对于实现稳定的动态显示有积极的作用。本设计利用uCGUI构造图形控制界面，可以传输不同的EFD图像数据给SRAM，FPGA读取其中的数据就可以进行图像显示，并且系统界面简单直观，操作起来也相对简便。

　　2 系统设计

　　2.1 硬件设计

　　利用STM32F103ZET6微处理器作为主控芯片，SD卡作为存储设备，SRAM作为转换数据的输送目的地，TFT?LCD用作显示与触摸控制，各个硬件相互配合构建起一个完整的数据传输系统。系统框图如图2所示。

　　图2 系统结构

　　显示模块采用2.8寸ALIENTEK TFTLCD模块，利用ILI9320控制器作为驱动芯片进行驱动。ILI9320液晶控制器自带显存，其显存总大小为172 820 b(240×320×[1818])。并且ALIENTEK TFTLCD模块自带电阻式触摸屏，可以实现触控的功能。ALIENTEK TFTLCD模块自带的触摸屏控制芯片为XPT2046，内部含有12位分辨率125 kHz转换速率逐步逼近型A/D转换器，是一款4导线制触摸屏控制器。

　　由于数据量比较大，将大量数据储存在SD卡中[1]，SD卡的配置使用SPI驱动，最高通信速度可达18 Mb/s，每秒可传输数据2 MB以上，可以满足一般的应用需求。SRAM采用的是IS62WV51216芯片，存储容量为1 MB，采用STM32的FSMC接口对其进行配置。FSMC是灵活的静态存储控制器，能够与同步或异步存储器、16位PC存储器卡接口，STM32的FSMC接口支持包括SRAM，NAND FLASH，NOR FLASH等存储器。本设计使用FSMC的BANK1区域3来控制IS62WV51216芯片。

　　2.2 软件设计

　　FATFS文件系统：FATFS是一个完全免费开源的FAT文件系统模块，专门为小型的嵌入式系统而设计。它用标准C 语言编写，一般只需要修改2个文件，即ffconf.h和diskio.c，之后进行简单配置就可以移植到单片机上，进而可以对SD卡和FLASH进行文件的读、写操作。

　　uCGUI移植：uCGUI 是一种小型化的嵌入式图形界面接口，该接口独立于处理器和LCD 控制器种类，对系统的要求很低[2]。它设计用于为任何使用LCD图形显示的应用提供高效的独立于处理器和LCD控制器的图形用户接口[3]，它适用单任务或是多任务系统环境，并且在任意LCD控制器和CPU下进行任何尺寸的真实显示或虚拟显示。

　　本设计依靠uCGUI进行界面设计，设计比较直观的按键和列表来控制图像传输和图像显示。使用uCGUI也需要做移植的工作，移植的工作包括显示屏和触摸屏两个部分。

　　显示屏：首先，TFT?LCD显示屏的底层驱动函数需要事先写好，保证单线程程序中正常显示。

　　其次，向工程中加入uCGUI程序包。

　　再次，根据自己的显示屏规格配置LcdConf.h GuiConf.h

　　GuiTouchConf.h文件

　　最后，修改LcdDriver使uCGUI与你的LCD驱动相互关联。

　　触摸屏：若要在uCGUI 中使用触摸屏，则必须将GUI_SUPPORT_TOUCH (Config 目录下GUIConf.h中定义的宏)设置为1[4]。同时要编写底层的触摸屏源驱动函数，对gui_TouchConf.h文件中进行配置，然后在GUI_X_Touch.c文件中进行函数的改动。

　　具体的移植过程可以参考uCGUI使用手册，这里不再赘述。

　　数据转换算法?循环移位：显示屏里每一个像素格里有一滴彩色油墨，油墨在加电时会收缩，在不加电时会平铺。下极板是一层反光隔膜，里边每一个像素格里有一个TFT晶体管作为电压开关，上极板是玻璃板，当在上下极板间加入适当电压，像素格里的油墨就会打开，用光照射就显示出明亮状态，当不加电时就会平铺显示出的是油墨的颜色。EFD?Panel的微观结构如图3所示。

　　图3 EPD Panel微结构

　　由于EFD是国内新型显示技术，有着自身的图像数据格式，需要定制符合其显示格式的数据来实现图像显示。控制油墨打开与关闭的芯片要求一个像素格有两位进行控制，即“01”代表打开，“10”代表关闭，因此需要对原始图像数据进行二次加工来满足要求。EPD Panel 的规格是320×240，即240行，320列，由于驱动芯片的数据输出位数是8位，因此先定义一个字符型的二维数组data[240][80]，然后利用内存管理单元开辟相应的区域来存放最终数据。利用FATFS模块的f_read函数从文本文档里读取数据，根据文档中每一个数据的内容是‘1’还是‘0’，分别对二维数组内的元素进行0x01或0x02的赋值操作，如果移位次数没有达到4次则进行左移两位操作，否则读取下一个数据重新进行判断。这样每4个数据构成二维数组里的一个元素值。接下来的工作就是判断列数与行数是否小于预先设定数值，如果列数超出设定值，则行数加1，从新的一行开始读取数据，如果行数超出设定值，则循环结束，所有数据均被转换完。

　　算法流程图如图4所示。

　　图4 图像转换算法

　　在Keil集成开发环境下利用C语言编写数据格式转换代码，实现图像转换的重要代码片段如下：

　　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;

　　}

　　界面设计部分：进行完所有的移植工作之后，就可以进行界面的设计，具体的界面程序流程图如图5所示。

　　图5 主程序流程图

　　整个系统分成了3个界面，界面之间可以实现相互的切换。第一个界面是进入界面，第二个界面是控制界面，第三个界面是数据列表界面。具体实现方法是建立了非模态对话框，以第一个界面为例，其对话框建立代码为： GUI_CreateDialogBox(_aDialogCreate1，GUI_COUNTOF(_aDialogCreate1)，

　　&_cbCallback1， 0， 0， 0);

　　构造的ENTER按键用来控制界面的交换。第二个界面构造了三个按键来实现不同的控制，包括Begin Button，Exit Button，List Button，利用扫描方式来检测按键的触摸，从而执行不同的功能函数，代码片段如下：

　　switch(GUI_GetKey())

　　{

　　case GUI_ID_BUTTON0： datacopy(col); //控制数据传送

　　break;

　　case GUI_ID_BUTTON1： LED0=1; //界面转换标志置位

　　break;

　　case GUI_ID_BUTTON2： GUI_Clear();

　　BUTTON_Delete(hButton[0]);

　　BUTTON_Delete(hButton[1]);

　　BUTTON_Delete(hButton[2]);