針對(duì)工業(yè)人機(jī)界面設(shè)計(jì)的微控制器方案

　　微控制器是人機(jī)界面的核心，將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為命令。工藝技術(shù)和系統(tǒng)架構(gòu)帶來(lái)的性能提升使微控制器和 FPGA 能夠通過(guò)硬件引擎或軟件庫(kù)處理更多的圖形和音頻，并在工業(yè)環(huán)境中提供更豐富的接口。

　　微控制器集成度的提高和成本的降低正在推動(dòng)該技術(shù)進(jìn)一步控制工業(yè)設(shè)計(jì)中的人機(jī)界面。集成 LCD 控制器和更高性能數(shù)字信號(hào)處理的能力允許實(shí)現(xiàn)和顯示更復(fù)雜的顯示器，包括 3D 圖形，同時(shí)保持成本和功耗盡可能低。添加其他功能，例如觸摸屏控制器和通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)更多集成，并使接口控制器成為系統(tǒng)中的關(guān)鍵元素。

　　ARM 生產(chǎn)了新一代處理器內(nèi)核，例如 Cortex-M3 和 Cortex-M4，它們具有顯著更高水平的性能和 DSP 支持，并允許新型微控制器處理廣泛的接口功能。

　　但是，還有其他方法可以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有內(nèi)核可以輔以專(zhuān)用圖形硬件，以充分利用現(xiàn)有軟件，而使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列可以提供專(zhuān)用硬件或優(yōu)化的微控制器，兩者都與驅(qū)動(dòng)顯示器的技術(shù)相結(jié)合。

　　飛思卡爾半導(dǎo)體的Kinetis K40 是一款直接針對(duì)工業(yè)人機(jī)界面設(shè)計(jì)的微控制器。它有一個(gè)硬件觸摸感應(yīng)接口，最多有 16 個(gè)輸入，可避免軟件輪詢(xún)方法和一個(gè)靈活的低功耗 LCD 控制器，最多支持 320 段（40 x 8 或 44 x 4）。LCD 閃爍模式可在保持低功耗模式的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低平均功耗，而分段故障檢測(cè)模塊可防止錯(cuò)誤讀數(shù)并降低 LCD 測(cè)試成本。

　　段式 LCD 控制器支持多達(dá) 40 個(gè)前板和 8 個(gè)背板，或 44 個(gè)前板和 4 個(gè)背板，所有這些都可以在軟件中進(jìn)行配置，以避免昂貴的顯示設(shè)備重新設(shè)計(jì)。

　　它使用帶有 DSP 指令的 ARM Cortex-M4 內(nèi)核，以 100 MHz 運(yùn)行，每 MHz 提供 1.25 Dhrystone MIPS，并具有高達(dá) 512 KB 的程序閃存。此外，還有 10 種低功耗模式可根據(jù)應(yīng)用要求提供功耗優(yōu)化。還有一個(gè)具有多主機(jī)保護(hù)的內(nèi)存保護(hù)單元以及一個(gè)支持多達(dá) 64 個(gè)請(qǐng)求源的 16 通道 DMA 控制器。

　　一個(gè)接口需要從多個(gè)來(lái)源收集數(shù)據(jù)。因此，每個(gè) ADC 中集成了兩個(gè) 16 位 SAR ADC 和一個(gè)可編程增益放大器 （PGA）（最高 x64），以及一個(gè) 12 位 DAC 和三個(gè)包含一個(gè) 6 位DAC 和可編程參考輸入。

　　為了與系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行通信，該器件包括一個(gè)通過(guò)片上收發(fā)器的 USB 全速/低速 On-the-Go 控制器以及兩個(gè)控制器局域網(wǎng) （CAN） 模塊、三個(gè) SPI 模塊、兩個(gè) I2C模塊、五個(gè) UART 模塊和一個(gè) I2S 模塊。這意味著該設(shè)備不僅可以充當(dāng)接口的集線器，還可以充當(dāng)系統(tǒng)其他部分的集線器。

　　富士通的圖形顯示控制器 （GDC） 使用基于 ARM926 內(nèi)核的 SoC 架構(gòu)。MB86R01采用了富士通成熟的 MB86296 3D 圖形核心，并采用富士通的標(biāo)準(zhǔn) 90 納米工藝，以提供功率（低漏電流）和性能的最佳平衡。

　　MB86R01 圖形 SoC 采用分層總線系統(tǒng)，可將 3D 圖形處理等高性能功能與低速 I/O 等常規(guī)操作隔離開(kāi)來(lái)。此外，ARM 處理器旨在以?xún)杀队趫D形核心的速率運(yùn)行，以減少這兩個(gè)主要功能之間的內(nèi)存總線爭(zhēng)用。

　　圖 1：富士通的 MB86R01 圖形 SoC。

　　MB86R01 架構(gòu)的核心是一個(gè)完整的 3D 幾何處理單元，它能夠執(zhí)行所有主要的 3D 操作，包括變換、旋轉(zhuǎn)、背面剔除、視圖平面裁剪和隱藏表面管理。

　　該設(shè)備具有一個(gè)顯示控制器，支持兩個(gè)捕獲源（YUV/ITU656 或 RGB），并支持視頻圖像的放大和縮小。視頻也可以映射到六個(gè)顯示層中的任何一層，并且可以紋理映射到多邊形以創(chuàng)建特殊效果。

　　顯示控制器還具有雙數(shù)字輸出功能，支持不同分辨率的多種顯示器配置。每個(gè)面板的內(nèi)容可以相同或唯一。MB86R01 的六個(gè)顯示層可以被視為六個(gè)單獨(dú)的幀緩沖區(qū)或單獨(dú)的畫(huà)布，每個(gè)都可能包含獨(dú)特的內(nèi)容。這些層可以?xún)?yōu)化大小以節(jié)省內(nèi)存并提高系統(tǒng)吞吐量和圖形性能。考慮一個(gè)菜單欄示例。如果實(shí)際圖形區(qū)域僅為 60 x 400 像素，則設(shè)備允許將圖層設(shè)置為與 60 x 400 的顯示區(qū)域匹配，而底層圖層可能是高達(dá) 1080 x 768 的全分辨率。創(chuàng)建圖層后通過(guò)渲染或塊傳輸，GDC 實(shí)時(shí)混合內(nèi)容，

　　除了多層之外，富士通 GDC 還提供各種 alpha 混合和透明度選項(xiàng)，設(shè)計(jì)人員可以使用這些選項(xiàng)來(lái)創(chuàng)建特殊效果并改進(jìn)位圖和字體的抗鋸齒，從而使界面更易于使用。

　　該器件還包括多種接口，從 SD 卡和 IDE 到 USB、SPI、UARTS 和閃存/SRAM 端口。ADC 和 DAC 也包括在內(nèi)，用于捕獲數(shù)據(jù)。

　　還有其他方法可以使用微控制器來(lái)構(gòu)建人機(jī)界面。Altera 的 DK-DSP-3C120NCyclone III 開(kāi)發(fā)套件允許設(shè)計(jì)人員將 32 位 NIOS 處理器內(nèi)核與圖形引擎和 LCD 控制器模塊集成在一起，這兩者都可以根據(jù)應(yīng)用的要求進(jìn)行精確調(diào)整。低成本的 Cyclone III 系列 FPGA 允許以具有成本效益的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的確切要求。

　　NIOS II 處理器可以配置有專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)的附加指令，通過(guò)使用 Altera 的 Quartus 設(shè)計(jì)工具生成編譯器，從而允許針對(duì)特定實(shí)現(xiàn)編譯開(kāi)發(fā)人員的 C 代碼，從而增強(qiáng)圖形應(yīng)用程序。這可以為工業(yè)接口提供更快的性能和更高的響應(yīng)能力，同時(shí)減少代碼大小和內(nèi)存需求，降低設(shè)備成本。

　　Lattice Semiconductor 的 LFE2-50E LCD-Pro 圖形評(píng)估套件能夠評(píng)估一組靈活、可配置的 IP 內(nèi)核，用于通過(guò) 7 英寸 TFT 屏幕實(shí)現(xiàn)多功能和強(qiáng)大的顯示控制、圖形和視頻應(yīng)用。該庫(kù)基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) AMBA 總線架構(gòu)，允許 LCD-Pro IP 與各種與 AMBA 總線兼容的系統(tǒng)組件（如 ARM 處理器）互連。

　　LCD-Pro IP 內(nèi)核針對(duì) Lattice FPGA，專(zhuān)門(mén)針對(duì)LatticeECP2低成本 FPGA 系列進(jìn)行了優(yōu)化。該庫(kù)包含多個(gè) IP 內(nèi)核，能夠控制從低端 CIF 和 QVGA 到高清 TFT 的各種平板顯示器，采用 8、16 或 24 位顏色，并在現(xiàn)場(chǎng)使用超過(guò) 30市售顯示器。該 IP 支持顯示控制器中可用的多層圖像合成，支持簡(jiǎn)單的疊加、顏色鍵控透明度、alpha 混合和 alpha 遮罩以及可變圖層顏色深度、大小、定位和平滑滾動(dòng)。

　　圖 ：萊迪思 LCD-Pro IP 內(nèi)核。

　　該套件可用于構(gòu)建視頻模塊，處理各種格式并結(jié)合圖形，在工業(yè)應(yīng)用中構(gòu)建清晰且可用的人機(jī)界面。所有這些都為開(kāi)發(fā)最新的工業(yè)接口提供了一系列強(qiáng)大的技術(shù)。從專(zhuān)用硬件到軟件可配置設(shè)備，這些設(shè)備增強(qiáng)了設(shè)計(jì)人員控制顯示器的能力并提供最佳的人機(jī)界面。