基于ATmega64的顯示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

1 引言

隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，作為信息顯示終端之一的LCD器件也得到了空前的發(fā)展。液晶顯示器（LCD）具有顯示信息豐富、功耗低、體積小、重量輕、超薄等許多其他顯示器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。近些年來(lái)被廣泛應(yīng)用于單片機(jī)控制的智能儀器、儀表和低功耗電子產(chǎn)品中。為L(zhǎng)CD配置驅(qū)動(dòng)電路，就形成了液晶顯示模塊LCM（Liquid Crystal Module）。它的基本組成部件除了LCD、驅(qū)動(dòng)電路外一般還有連接件、背光源等。液晶顯示模塊同一個(gè)系統(tǒng)中的其他電路一樣，有簡(jiǎn)單的接口，并提供了豐富的控制顯示的指令系統(tǒng)。為整機(jī)的開(kāi)發(fā)節(jié)約了時(shí)間。AVR單片機(jī)是Atmel公司推出的具有精簡(jiǎn)指令集RISC結(jié)構(gòu)的新型8位單片機(jī)。具有豐富的硬件接口。它采用低功耗、非揮發(fā)的CMOS工藝制造，內(nèi)部分別集成Flash、EEPROM和SRAM三種不同性能和用途的存儲(chǔ)器。除了可以通過(guò)SPI口和一般的編程器對(duì)AVR單片機(jī)的Flash程序存儲(chǔ)器和EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行編程外，大多數(shù)的AVR單片機(jī)還具有ISP在線編程和IAP在級(jí)應(yīng)用編程的特點(diǎn)。其中一些高檔的AVR單片機(jī)，例如ATmega64、ATmegal28等還具有mG接口。這些優(yōu)點(diǎn)為使用AVR單片機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)產(chǎn)品提供了極大的方便。

介紹了圖像點(diǎn)陣式液晶模塊CM320240與AVR單片機(jī)ATmega64相結(jié)合實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備顯示控制的一種方法。給出了硬件電路的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件架構(gòu)的搭建，并闡述了一種樹(shù)形菜單界面的設(shè)計(jì)方法。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 液晶模塊CM3XPA0-7及ATmega64單片機(jī)簡(jiǎn)介

CM320240-7是一個(gè)中英文文字與繪圖模式的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊（LCM），點(diǎn)陣數(shù)是320*240。內(nèi)建512KB的ROM字型碼，可以顯示中文字型、數(shù)字符號(hào)、英日歐文等字母。在文字模式中，可接受標(biāo)準(zhǔn)中文文字內(nèi)碼直接顯示中文，而不需要進(jìn)入繪圖模式描述中文，可以節(jié)省許多微處理器時(shí)間，提升液晶顯示中文的處理效率。ATmaga64是一款高檔的AVR單片機(jī)，具有豐富的硬件資源。

（1）先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，130條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，32個(gè)8位通用工作寄存器。全靜態(tài)工作，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPs,只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。

（2）非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。64K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash,具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過(guò)片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的讀寫(xiě)同時(shí)操作2K字節(jié)的EEPROM,4K字節(jié)片內(nèi)SRAM,64K字節(jié)可選外部程序存儲(chǔ)空間，可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密。

（3）JTAG接口（與IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容），符合JrI'AG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能，可以通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。

（4）外設(shè)豐富，兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC,兩路8位PWM通道。8路十位ADC,面向字節(jié)的兩線接口'冊(cè)，與12C完全兼容。兩個(gè)可編程的串行USART,可工作于主杌/從機(jī)模式的SPI串行接口。具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器。

（5）還具有一些特殊的處理器特點(diǎn)：上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)，片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的RC振蕩器，軟件選擇時(shí)鐘頻率，具有六種睡眠模式。

2.2系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由MCU、人機(jī)接口（液晶模塊和鍵盤(pán)）、通信接口三部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)硬件框圖

單片機(jī)與設(shè)備主機(jī)之間使用標(biāo)準(zhǔn)的UART串口通信，硬件接13比較簡(jiǎn)單，加一片TTL到RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片即可。

鍵盤(pán)我們采用常用的六鍵小鍵盤(pán)，即回車(chē)、返回、上、下、左、右。由于ATmega64單片機(jī)的I/O資源比較豐富，共有53個(gè)可編程的I/O口，并且我們采用六鍵鍵盤(pán)，因此可以直接將按鍵連到I/O口上面。如果使用較多的按鍵開(kāi)關(guān)，還可以使用矩陣鍵盤(pán)的方式以節(jié)省I/O,這里不贅述。AVR單片機(jī)的I/O端口具有上拉電阻，所以我們無(wú)需加外部上拉電阻，只需軟件初始化的時(shí)候使能這些按鍵接口的上拉電阻即可。將每個(gè)按鍵的一端接地，另一端除了分別連接到PC0一PC5端口之外，還連接到一個(gè)與非門(mén)上面，與非門(mén)的輸出腳連到單片機(jī)的一個(gè)外部中斷上面。這樣，當(dāng)任意一個(gè)按鍵按下的時(shí)候。與非門(mén)的輸出都由低變高，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷。所以既可以使用查詢方式進(jìn)行鍵盤(pán)操作，也可以使用中斷方式，增加了設(shè)計(jì)靈活性。

CM320240-7液晶模塊支持8080和6800系列的MCU,同時(shí)也提供了4一Bit或8一Bit的數(shù)據(jù)總線接口。我們這里使用的是8080方式下的8一Bit數(shù)據(jù)總線接口，8080系列MCU與6800系列的MCU最大的不同是讀、寫(xiě)的控制信號(hào)是分開(kāi)的，RD為低時(shí)進(jìn)行讀取動(dòng)作，WR為低時(shí)進(jìn)行寫(xiě)入動(dòng)作。MCU對(duì)液晶模塊的命令寄存器和DisplayRAM進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)是有一些不同的：如果是對(duì)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，MCU必須先通過(guò)數(shù)據(jù)總線送出寄存器的地址，然后才能在數(shù)據(jù)總線上讀寫(xiě)寄存器資料；如果是對(duì)DisplayRAM進(jìn)行讀寫(xiě)操作，MCU可以直接在數(shù)據(jù)總線上讀取和寫(xiě)入DisplayRAM的資料。需要注意的是：初始化的時(shí)候，讀寫(xiě)控制信號(hào)一定先置高，讀寫(xiě)操作都禁能，否則會(huì)造成后面時(shí)序的紊亂，即使后面的讀寫(xiě)程序正確，液晶模塊也不會(huì)有任何顯示。AVR單片機(jī)的IO管腳即使不用，初始化的時(shí)候也要給它一個(gè)確定的狀態(tài)，否則容易出問(wèn)題。

液晶模塊的八位數(shù)據(jù)總線直接連到單片機(jī)的PA口上面，幾個(gè)控制管腳連到單片機(jī)的普通IO上即可。值得注意的就是液晶模塊對(duì)比度的控制，在LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸入端V0和LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端VEE之間必須接一可調(diào)電阻，阻值20K左右，用于調(diào)節(jié)液晶模塊的對(duì)比度。VEE輸出固定為-23V.

通過(guò)實(shí)踐，當(dāng)Vo輸入為-18V左右的時(shí)候效果最好。我們希望平時(shí)不用的時(shí)候，液晶背光燈關(guān)閉以節(jié)省功耗，當(dāng)進(jìn)行鍵盤(pán)操作的時(shí)候喚醒。所以在液晶模塊背光電源的輸人端加一個(gè)開(kāi)關(guān)管控制。液晶模塊與ATmaga64單片機(jī)的接口電路如圖2所示。

圖2液晶模塊接口電路

3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

AVR單片機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)使用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是Atmel公司提供的AVR Studio.為了能夠使用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，還必須另外安裝C編譯器。目前有許多關(guān)于AVR的C編譯器，常用的是GCC（即WINAVR）、ICC、IAR以及CodeVisionAVR等。其中GCC是公開(kāi)源代碼的自由軟件，使用它完全不必考慮價(jià)格因素，因此無(wú)論是GCC本身還是與CCC配套的AVR編譯包，其更新速度和效率都是其他開(kāi)發(fā)工具所不能比擬的。用GCC編寫(xiě)的源程序可讀性和可移植性都很高。本文所涉及到的軟件開(kāi)發(fā)就是利用AVR Studio和GCC.

3.1 系統(tǒng)軟件整體框架

整個(gè)終端顯控系統(tǒng)的功能就是為了能夠顯示設(shè)備內(nèi)部工況，并能夠設(shè)置一些參數(shù)，所以最主要的就是顯控系統(tǒng)跟設(shè)備主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互以及美觀舒適的人機(jī)交互界面。數(shù)據(jù)交互以及界面的切換也要配合鍵盤(pán)的操作。同時(shí)應(yīng)當(dāng)增加睡眠模式，即平時(shí)不進(jìn)行操作的時(shí)候可以關(guān)閉背光燈，關(guān)掉一些模塊，當(dāng)用戶使用鍵盤(pán)的時(shí)候，產(chǎn)生鍵盤(pán)中斷，從睡眠模式喚醒。因此我們可以定出系統(tǒng)軟件的基本架構(gòu)，如圖3所示。

圖3主程序流程圖

? ? ? ? 3.2樹(shù)狀菜單界面的軟件設(shè)計(jì)

可以看出系統(tǒng)軟件整體框架也比較簡(jiǎn)單，重點(diǎn)是在于如何跟設(shè)備主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)配合菜單顯示，下面我們就介紹一種樹(shù)狀菜單界面的軟件設(shè)計(jì)。這種方法將整個(gè)菜單看作一個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)，每個(gè)菜單界面則是菜單樹(shù)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)：其父節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前菜單的上一級(jí)菜單，子節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前菜單的第一個(gè)子菜單；左右節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前菜單的"兄弟"菜單，也就是其上一級(jí)菜單的其余子菜單。

對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，定義一個(gè)長(zhǎng)整數(shù)D為節(jié)點(diǎn)號(hào)，根節(jié)點(diǎn)D=l,考慮到有的節(jié)點(diǎn)其子菜單大于10,子菜單為父菜單ID乘100再加上下級(jí)菜單在上級(jí)菜單中對(duì)應(yīng)的子項(xiàng)ID（1,2,……），這樣第1級(jí)子菜單的ID就分別為101,102,103.對(duì)應(yīng)IDl01的下級(jí)ID即為10101,10102,10103……，這樣，不同的按鍵操作對(duì)應(yīng)不同的菜單節(jié)點(diǎn)搜索方法，即每次只需要修改全局的節(jié)點(diǎn)號(hào)ID即可。我們同時(shí)還可以定義幾個(gè)全局變量來(lái)代表每級(jí)菜單的子菜單數(shù)、鄰近菜單數(shù)以及菜單類型，這樣，我們可以更加方便的在各個(gè)菜單之間切換。鍵盤(pán)配合菜單切換的程序流程如圖4所示。

圖4菜單選擇程序流程