EFD影象資料傳輸系統設計論文

　　在此計以STM32系列處理器作為控制器，利用uCGUI進行圖形介面設計，利用迴圈移位演算法將黑白影象定製成符合TFT?EFD顯示的資料格式，實現了靜態EFD影象的通訊，可以根據實際要求傳輸不同靜態EFD影象，後期如果需要可以升級成傳輸資料流來支援動態顯示。

　　1 設計原理

　　本設計採用的單色TFT?EFD顯示屏的解析度是320×240，行線連線著電晶體的柵極，控制著電晶體的開啟與關閉，列線連線著電晶體的源極，控制著資料的傳輸，整體的結構如圖1所示。

　　圖1 EPD Panel

　　基於EFD的影象顯示經歷了影象採集，影象傳輸，影象顯示等步驟。EFD目前只支援黑白影象顯示，因此影象採集利用Processing軟體對圖片進行一次加工，轉換成黑白影象。資料生成之後需要進行傳輸，傳遞給微控制器進行處理，這時需要對資料進行二次加工，變成滿足TFTEFD顯示屏驅動晶片要求的格式，之後透過DMA方式傳遞給外部的SRAM。FPGA讀取SRAM的資料，根據相應的時序控制驅動晶片輸出資料，從而實現影象顯示。如果控制好時序，能在1 s內重新整理25幀以上，那麼就可以實現影象的動態顯示。

　　資料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資料時序，構造出相對完善的波形序列來實現動態顯示。因此搭建資料傳輸系統來顯示不同的影象，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構造圖形控制介面，可以傳輸不同的EFD影象資料給SRAM，FPGA讀取其中的資料就可以進行影象顯示，並且系統介面簡單直觀，操作起來也相對簡便。

　　2 系統設計

　　2.1 硬體設計

　　利用STM32F103ZET6微處理器作為主控晶片，SD卡作為儲存裝置，SRAM作為轉換資料的輸送目的地，TFT?LCD用作顯示與觸控控制，各個硬體相互配合構建起一個完整的資料傳輸系統。系統框圖如圖2所示。

　　圖2 系統結構

　　顯示模組採用2.8寸ALIENTEK TFTLCD模組，利用ILI9320控制器作為驅動晶片進行驅動。ILI9320液晶控制器自帶視訊記憶體，其視訊記憶體總大小為172 820 b(240×320×[1818])。並且ALIENTEK TFTLCD模組自帶電阻式觸控式螢幕，可以實現觸控的功能。ALIENTEK TFTLCD模組自帶的觸控式螢幕控制晶片為XPT2046，內部含有12位解析度125 kHz轉換速率逐步逼近型A/D轉換器，是一款4導線制觸控式螢幕控制器。

　　由於資料量比較大，將大量資料儲存在SD卡中[1]，SD卡的配置使用SPI驅動，最高通訊速度可達18 Mb/s，每秒可傳輸資料2 MB以上，可以滿足一般的應用需求。SRAM採用的是IS62WV51216晶片，儲存容量為1 MB，採用STM32的FSMC介面對其進行配置。FSMC是靈活的靜態儲存控制器，能夠與同步或非同步儲存器、16位PC儲存器卡介面，STM32的FSMC介面支援包括SRAM，NAND FLASH，NOR FLASH等儲存器。本設計使用FSMC的BANK1區域3來控制IS62WV51216晶片。

　　2.2 軟體設計

　　FATFS檔案系統：FATFS是一個完全免費開源的FAT檔案系統模組，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個檔案，即ffconf.h和diskio.c，之後進行簡單配置就可以移植到微控制器上，進而可以對SD卡和FLASH進行檔案的讀、寫操作。

　　uCGUI移植：uCGUI 是一種小型化的嵌入式圖形介面介面，該介面獨立於處理器和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控制器的圖形使用者介面[3]，它適用單任務或是多工系統環境，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進行介面設計，設計比較直觀的按鍵和列表來控制影象傳輸和影象顯示。使用uCGUI也需要做移植的工作，移植的工作包括顯示屏和觸控式螢幕兩個部分。

　　顯示屏：首先，TFT?LCD顯示屏的底層驅動函式需要事先寫好，保證單執行緒程式中正常顯示。

　　其次，向工程中加入uCGUI程式包。

　　再次，根據自己的顯示屏規格配置LcdConf.h GuiConf.h

　　GuiTouchConf.h檔案

　　最後，修改LcdDriver使uCGUI與你的LCD驅動相互關聯。

　　觸控式螢幕：若要在uCGUI 中使用觸控式螢幕，則必須將GUI_SUPPORT_TOUCH (Config 目錄下GUIConf.h中定義的宏)設定為1[4]。同時要編寫底層的觸控式螢幕源驅動函式，對gui_TouchConf.h檔案中進行配置，然後在GUI_X_Touch.c檔案中進行函式的改動。

　　具體的移植過程可以參考uCGUI使用手冊，這裡不再贅述。

　　資料轉換演算法?迴圈移位：顯示屏裡每一個畫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，裡邊每一個畫素格里有一個TFT電晶體作為電壓開關，上極板是玻璃板，當在上下極板間加入適當電壓，畫素格里的油墨就會開啟，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，有著自身的影象資料格式，需要定製符合其顯示格式的資料來實現影象顯示。控制油墨開啟與關閉的晶片要求一個畫素格有兩位進行控制，即“01”代表開啟，“10”代表關閉，因此需要對原始影象資料進行二次加工來滿足要求。EPD Panel 的規格是320×240，即240行，320列，由於驅動晶片的資料輸出位數是8位，因此先定義一個字元型的二維陣列data[240][80]，然後利用記憶體管理單元開闢相應的區域來存放最終資料。利用FATFS模組的f_read函式從文字文件裡讀取資料，根據文件中每一個數據的內容是‘1’還是‘0’，分別對二維陣列內的元素進行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，否則讀取下一個資料重新進行判斷。這樣每4個數據構成二維數組裡的一個元素值。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資料，如果行數超出設定值，則迴圈結束，所有資料均被轉換完。

　　演算法流程圖如圖4所示。

　　圖4 影象轉換演算法

　　在Keil整合開發環境下利用C語言編寫資料格式轉換程式碼，實現影象轉換的重要程式碼片段如下：

　　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;

　　}

　　介面設計部分：進行完所有的移植工作之後，就可以進行介面的設計，具體的介面程式流程圖如圖5所示。

　　圖5 主程式流程圖

　　整個系統分成了3個介面，介面之間可以實現相互的切換。第一個介面是進入介面，第二個介面是控制介面，第三個介面是資料列表介面。具體實現方法是建立了非模態對話方塊，以第一個介面為例，其對話方塊建立程式碼為： GUI_CreateDialogBox(_aDialogCreate1，GUI_COUNTOF(_aDialogCreate1)，

　　&_cbCallback1， 0， 0， 0);

　　構造的ENTER按鍵用來控制介面的交換。第二個介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控，從而執行不同的功能函式，程式碼片段如下：

　　switch(GUI_GetKey())

　　{

　　case GUI_ID_BUTTON0： datacopy(col); //控制資料傳送

　　break;

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

　　break;

　　case GUI_ID_BUTTON2： GUI_Clear();

　　BUTTON_Delete(hButton[0]);

　　BUTTON_Delete(hButton[1]);

　　BUTTON_Delete(hButton[2]);