基于圖形顯示的人機(jī)界面：最新MCU的新功能

作者：Justin Palmer，垂直分部總監(jiān)，嵌入式及醫(yī)療保健部，富昌電子

來(lái)自消費(fèi)者研究、分析師報(bào)告、OEM客戶反饋和半導(dǎo)體制造 商預(yù)測(cè)等的信息都預(yù)示了相同的發(fā)展方向：在未來(lái)五年內(nèi)，
幾乎所有嵌入式設(shè)計(jì)人員都將面臨著顯著增強(qiáng)功能、操作模 式以及其產(chǎn)品的人機(jī)界面（HMI）吸引力的壓力。

雖然創(chuàng)建更多圖形化和觸摸敏感界面的趨勢(shì)在諸如智能手 機(jī)和平板電腦等設(shè)備中已經(jīng)非常普遍，但具有如此豐富的用
戶體驗(yàn)需求的市場(chǎng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不限于消費(fèi)者市場(chǎng)。事實(shí)上，工 業(yè)、汽車、醫(yī)療、軍事和航空航天等市場(chǎng)的產(chǎn)品都面臨著同
樣的要求。以下幾個(gè)因素推動(dòng)了HMI設(shè)計(jì)的革命：

傳感器、處理器和無(wú)線設(shè)備性能提高且價(jià)格降低，大大增 強(qiáng)了系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和跟蹤自身操作的能力。

用戶群發(fā)生了代際轉(zhuǎn)變，要求產(chǎn)品制造商滿足“千禧世 代”（而非“嬰兒潮世代”）用戶的需求。

彩色TFT顯示器比五年前的單色STN顯示器成本更低。隨 著目前電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，觸摸屏覆蓋層 也性能提高且價(jià)格降低，提供了比之前的電阻式技術(shù)更 好、更具交互性的界面。

當(dāng)設(shè)備具有易于使用和直觀的界面時(shí)，企業(yè)可以提高效率 并降低運(yùn)營(yíng)成本。這可以降低對(duì)培訓(xùn)的需求，并降低人為 錯(cuò)誤的發(fā)生率。

過(guò)去，重新設(shè)計(jì)嵌入式產(chǎn)品的HMI以提供更多更好的圖形內(nèi) 容對(duì)于基于微控制器的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)幾乎毫無(wú)可能?；谟袕?fù) 雜圖形能力的微處理器、和諸如Windows?或Linux?平臺(tái)之 類的功能豐富操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，與那些基于微控制 器、通常沒(méi)有操作系統(tǒng)且僅運(yùn)行簡(jiǎn)單設(shè)備（如段式LCD）的 系統(tǒng)之間存在巨大的鴻溝。

但是，現(xiàn)實(shí)正迅速發(fā)展，MCU功能的不斷增強(qiáng)使設(shè)計(jì)工程師 希望他們能夠在不必放棄他們熟悉和高效的MCU平臺(tái)的前 提下，領(lǐng)先于客戶不斷變化的期望。那么，MCU制造商能夠 為其用戶顯著改善人機(jī)界面的功能提供多大的幫助？

HMI如何發(fā)展以及為什么發(fā)展

在考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如何實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的HMI之前，應(yīng)該先了解 HMI為什么需要改進(jìn)以及如何改進(jìn)。

HMI設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變的根本原因是新的、高級(jí)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。 傳感器、射頻收發(fā)器和微控制器的功能越來(lái)越強(qiáng)大且價(jià)格 越來(lái)越便宜，OEM廠商可以將更多數(shù)量的這些器件嵌入到 更多的設(shè)備中。在工廠中，這使得工廠自動(dòng)化系統(tǒng)可以在生 產(chǎn)過(guò)程中的任何時(shí)間點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤制造設(shè)備和制造產(chǎn)品的所 有重要參數(shù)。在醫(yī)學(xué)中，這使得衛(wèi)生專業(yè)人員能夠持續(xù)地遠(yuǎn) 程監(jiān)測(cè)患者的狀況，并在超過(guò)臨界閾值時(shí)設(shè)置報(bào)警。

結(jié)果是大量的數(shù)據(jù)正在生成并發(fā)送到控制單元。隨著物聯(lián) 網(wǎng)的發(fā)展，這些數(shù)據(jù)越來(lái)越多地托管在云端，可以對(duì)其進(jìn) 行匯總和分析，并將分析結(jié)果顯示在任何互聯(lián)網(wǎng)終端上。因 此，用戶可用的數(shù)據(jù)的范圍和類型正在迅速變化。

同時(shí)，用戶群體（特別是勞動(dòng)力組合）正在發(fā)生變化，“嬰兒 潮世代”已進(jìn)入退休年齡，“千禧世代”（從20世紀(jì)80年代初 開(kāi)始出生的人）及其后代已取而代之。這些人是數(shù)字化“土 著人”，從小就習(xí)慣于與電腦和顯示屏進(jìn)行互動(dòng)（見(jiàn)圖1）。

圖1. 特斯拉Model S儀表板 – 滿足現(xiàn)代用戶對(duì)圖形豐富的控制界面的偏好。（圖片
來(lái)源：Steve Jurvetson，知識(shí)共享2.0許可協(xié)議）

有趣的是，“千禧世代”的喜好和工作作風(fēng)與“嬰兒潮世代” 不同?！皨雰撼笔来毕Ｍ冉邮芘嘤?xùn)再實(shí)施操作，并根據(jù) 執(zhí)行情況進(jìn)行衡量，而“千禧世代”期望了解系統(tǒng)、跟蹤實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)做出自己的決定，而非遵循設(shè)定的流 程。

所以現(xiàn)在我們有傳感器產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)、通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)通 信和共享的能力，以及有能力處理和使用它的人們。顯然， 簡(jiǎn)單段式LCD和按鍵輸入已經(jīng)不適合這種與復(fù)雜設(shè)備的互 動(dòng)模式。

顯示器必須向用戶顯示數(shù)據(jù)菜單

最關(guān)鍵的因素是大數(shù)據(jù)的可用性，以及可以從其使用中獲得 的非凡價(jià)值。在諸如密集醫(yī)療護(hù)理和機(jī)器預(yù)測(cè)維護(hù)等領(lǐng)域， 我們可以在多個(gè)數(shù)據(jù)流或多個(gè)參數(shù)中發(fā)現(xiàn)其模式，從而提供 最有價(jià)值的見(jiàn)解。人類能夠最容易、最快速地從視覺(jué)上發(fā)現(xiàn) 這些模式；與數(shù)百行字母和數(shù)字相比，我們能夠從框圖、圖 形和圖表中更容易地了解關(guān)于復(fù)雜數(shù)據(jù)集的信息。

為了使“千禧世代”能夠做好他們的工作（基于豐富的實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)做出明智的決定），嵌入式設(shè)備應(yīng)該以圖形方式呈現(xiàn)信 息，并能夠與用戶直觀地進(jìn)行交互。因此，系統(tǒng)需要圖形功 能，并且必須支持觸摸感應(yīng)界面。

例如，能夠處理高分辨率視頻流的最復(fù)雜的圖形系統(tǒng)將運(yùn) 行在高性能MPU上，如恩智浦半導(dǎo)體的i.MX系列，該系列基于ARM? Cortex?-A處理器，在Linux?或Android?環(huán)境下運(yùn) 行。這些系統(tǒng)在軟件和硬件方面都是復(fù)雜和昂貴的，并且對(duì) 于不熟悉豐富操作系統(tǒng)（OS）開(kāi)發(fā)的人員來(lái)說(shuō)具有巨大的實(shí) 施挑戰(zhàn)。

然而，目前越來(lái)越多的嵌入式系統(tǒng)基于微控制器平臺(tái)。當(dāng) 然，如果可能的話，MCU用戶總是希望繼續(xù)使用MCU，而非 遷移到MPU。他們熟悉MCU，MCU支持用于應(yīng)用程序代碼開(kāi) 發(fā)的C語(yǔ)言，并且能夠重復(fù)使用在同一平臺(tái)上運(yùn)行的舊系統(tǒng)。 簡(jiǎn)而言之，從MCU遷移到MPU的變化是巨大的，但也是可以 避免的。

那么，采用MCU架構(gòu)的系統(tǒng)能夠多大程度地模擬基于MPU 的HMI的復(fù)雜性和性能？

現(xiàn)在，意法半導(dǎo)體向用戶提供了基于ARM? Cortex?-M7處 理器內(nèi)核的32位STM32F7 MCU，可以支持高達(dá)1024 x 768 像素分辨率的XGA顯示屏。STM32F 7x7、STM32F 7x8和 STM32F7x9系列都包含板載TFT顯示控制器和JPEG圖像 編解碼器（見(jiàn)圖2）。所有STM32F7 MCU還包括用于圖形的 Chrom-ART Accelerator?加速器，可以實(shí)現(xiàn)高速渲染圖形 而無(wú)需任何主處理器開(kāi)銷。這個(gè)圖形加速器創(chuàng)建內(nèi)容的速度是單獨(dú)內(nèi)核的兩倍。除了提供原始2D數(shù)據(jù)的快速渲染之 外，Chrom-ART加速器還支持額外的功能，如圖像格式轉(zhuǎn)換 和圖像混合，使MCU用戶能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的圖形效果。

圖2. 意法半導(dǎo)體的32F769IDISCOVERY開(kāi)發(fā)板，用于STM32F7x9系列MCU，包括一
個(gè)4英寸LCD觸摸屏（圖片來(lái)源：意法半導(dǎo)體）

高達(dá)2MB的板載閃存和512kB的SR AM為圖形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和 Chrom-ART Accelerator加速器所需的高速暫存存儲(chǔ)器提供了大容量。STM32F7x9系列MCU的MIPI-DSI接口在圖形豐富的應(yīng)用中也非常有用，因?yàn)樗梢詾橹T如圖像傳感器和攝像機(jī)等設(shè)備提供直接通道。其他M C U制造商在其高端設(shè)備中提供了類似的圖形和顯示控制器功能。Microchip的PIC32 MX3和MX4系列適 用于具有高性能圖形顯示的嵌入式應(yīng)用。它們支持高達(dá)WVGA（800 x 480像素分辨率）的TFT和OLED顯示屏，并集成了Microchip的觸摸感應(yīng)控制技術(shù)。

Microchip為圖形應(yīng)用提供了非常好的開(kāi)發(fā)支持，提供免費(fèi)的圖形庫(kù)，以及直觀易用的“Graphics Display Designer”（圖形顯示設(shè)計(jì)師）開(kāi)發(fā)工具。

恩智浦半導(dǎo)體的LPC 5 460x和LPC 5 4S60x系列基于ARM Cortex-M4的MCU也針對(duì)豐富HMI應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。它們支持分辨率高達(dá)1024 x 768的圖形LCD，并提供了輕松連接和 管理外部QSPI閃存的選項(xiàng)，可存儲(chǔ)大圖像或代碼片段。恩智浦還提供了一個(gè)良好的生態(tài)系統(tǒng)，包括免費(fèi)提供的Segger emWin等圖形庫(kù)。

賽普拉斯半導(dǎo)體在圖形顯示控制領(lǐng)域擁有悠久的歷史，它是目前通常采用2D或3D圖形顯示屏的汽車儀表板高度集成控
制器市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。

對(duì)于工業(yè)設(shè)備和家用電器，F(xiàn)M4系列MCU提供廣泛的功能。特別是FM4系列中的S6E2D系列ARM Cortex-M4 MCU，它針對(duì)包含全彩色TFT圖形顯示屏的應(yīng)用；其圖形引擎源自用于 儀表板的Traveo系列MCU。

S6E2D提供512kB的視頻RAM和圖形引擎，支持復(fù)雜的圖像重疊、鏡像、縮放和圖像移動(dòng)，且Cortex-M4內(nèi)核的開(kāi)銷最小。它能夠以更低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)復(fù)雜和出色的圖形以及有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。

遷移到圖形顯示屏的新系統(tǒng)要求

好消息是，許多MCU制造商為現(xiàn)有用戶提供了到高端設(shè)備的遷移路徑，通過(guò)它們可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的全彩色圖形顯示，甚至支持一些移動(dòng)內(nèi)容，并提供全高清的高分辨率。滿足“千禧世代”用戶需求的、非常復(fù)雜的基于顯示的HMI現(xiàn)在無(wú)需整體遷移到基于MPU的架構(gòu)和全功能操作系統(tǒng)即可實(shí) 現(xiàn)。

但首次實(shí)施復(fù)雜的圖形顯示的設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)：

系統(tǒng)的復(fù)雜性急劇增加

計(jì)時(shí)窗口縮短和調(diào)度帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)

存儲(chǔ)器需求大大增加，從而需要存儲(chǔ)器管理

毫無(wú)疑問(wèn)，具有復(fù)雜HMI的嵌入式應(yīng)用因此需要使用實(shí)時(shí)操 作系統(tǒng)（RTOS）來(lái)提供調(diào)度和優(yōu)先級(jí)排序的框架，并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器管理。有多種RTOS可供選擇，如FreeRTOS?等系統(tǒng)可以免費(fèi)使用，并擁有大多數(shù)MCU制造商的板卡支持。

設(shè)計(jì)人員還需要利用MCU制造商為第三方圖形設(shè)計(jì)工具提供的支持。例如，意法半導(dǎo)體和恩智浦免費(fèi)為其MCU用戶提供Segger的emWin設(shè)計(jì)和仿真工具。

還需注意的是，增強(qiáng)HMI的趨勢(shì)不僅包括先進(jìn)的圖形功能， 而且還包括手勢(shì)控制和更好地使用音頻輸入和輸出的能力。Microchip通過(guò)GestIC?技術(shù)在手勢(shì)控制方面提供了有 趣的功能（見(jiàn)圖3）。在音頻用戶界面中，XMOS在其xCOREVOICE
?處理器中實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)麥克風(fēng)管理方面進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性 工作，提供了在所有環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備語(yǔ)音控制的方法。

圖3. Microchip的3DTouchPad演示了其GestIC手勢(shì)識(shí)別技術(shù)。（圖片來(lái)
源：Microchip）