一種用于嵌入式系統的液晶顯示單元設計

在自動化儀器儀表、工業測控裝置等嵌入式計算機系統中，圖形液晶顯示模塊（點陣LCD）以顯示靈活、信息量大、可實現圖形界面等優點而被廣泛的用做顯示終端。這些模塊大多提供并行數據接口，少量提供串行接口的模塊也要求通信采用特殊協議，給系統的軟硬件設計都帶來較大不便。在顯示程序上，可移植通用的嵌入式圖形用戶界面GUI軟件，如MiniGUI，OpenGUI等，以簡化軟件設計工作。但是，這些GUI軟件移植繁瑣，有些源代碼不公開，一般需要數百KB的存儲量，對于一些只要求實現簡單界面的工控應用來說過于龐大，有一些功能（如鼠標操作、支持漢字輸入法等）也不十分必要。
針對上述問題，本文結合LCD顯示模塊STN6448D-4K設計了一種滿足工控要求的模塊化圖形液晶顯示單元。硬件上通過51單片機搭建轉換電路，實現模塊并行訪問時序到串行顯示命令的轉換。軟件上結合串行接口命令和通信協議，用C語言編寫了具有消息驅動機制的簡單通用圖形用戶界面GUI程序，可以方便地移植到各種工控嵌入式系統。
1．標準串口擴展的設計
液晶顯示模塊STN6448D-4K支持640×480點陣4096偽彩色顯示，用戶接口為8位并行口。圖1為模塊的RS-232硬件擴展接口結構，在AT89C51單片機最小系統基礎上，擴展了一片MAX232。單片機通過總線與模塊STN6448D-4K的控制器相連。單片機接收并分析串口指令，調用相應函數完成對LCD的各種顯示控制。為減少串行通信數據量，還擴展了一片2MB的Flash存儲器AM29F016D，用于存儲BMP圖像和字符庫、漢字庫。通常采用的字庫有漢字庫文件Hzk16f.bin（16×16點陣）、Hzk24k.bin（24×24點陣），ASCII碼文件ASC16.bin（16×8點陣）、ASC24.bin（24×12點陣）等，位圖文件可以根據需要自行制作和增減。所有的字庫和位圖均通過RS-232接口從PC機下載到Flash存儲器中，根據每個文件的存儲首地址索引可以完成字符、漢字、位圖的顯示。

2．串口指令和通信軟件設計
按照STN6448D-4K的編程格式編寫清屏、畫點、畫線、畫矩形、寫字符（ASCII字符、漢字）、加載位圖等基本繪圖函數的單片機程序比較簡單，這里不作說明。單片機在完成初始化、清屏操作后，將就緒狀態信息傳遞給嵌入式系統的CPU，并等待從RS-232傳來的繪圖指令。每一個繪圖指令，都是一個繪圖命令幀，與一個繪圖函數相對應。
單片機收到一個完整的繪圖指令后根據指令碼識別不同的繪圖操作，調用相應的函數完成顯示控制。由于各個函數的指令長短不一，單片機需要判斷出一條指令的結束；而且單片機完成LCD操作需要時間，硬件上又沒有一個“BUSY”信號來指示單片機暫時不能接收指令。故程序設計上需保證傳輸同步和可靠性。
2．1 顯示命令幀的封裝
每一個繪圖指令都封裝成一個繪圖命令幀，封裝時依據以下3條規則：
(1)在每一個繪圖指令的結尾加上標志字節END，封裝成一個繪圖命令幀。一個完整的繪圖命令幀包括繪圖指令碼、繪圖函數參數以及END標志。標志字節END的編碼為0x55；
(2)在幀數據（指令的有效數據）中的某一個字節如果與END（0x55）相同，則將這個字節轉換為（0xDE，0xCF）的2字節序列。其中0xDE稱為轉義字符TRANS，0xCF為數據與END標志相同時轉義后的替換符TRANS_REP。
(3)如果幀數據中某個字節與轉義字符（0xDE）本身相同，則將其更換為（0xDE，0xDE）2字節序列。
如果不考慮轉義字符，一個完整的繪圖命令幀格式如下：

其中：CMD指令碼，P1－Pn為n個字節數據。例如畫水平線函數對應的命令幀中的字符依次為：0xCA, X0_H, X0_L, Y_H, Y_L, X1_H, X1_L, CLR。其中0xCA為指令碼（對每個函數唯一），之后的6個為坐標參數，CLR為顏色。
2．2 接收狀態機
單片機的接收中斷處理采用接收狀態機機制，狀態轉換如圖2所示。
三個狀態的含義為：