彩色液晶接口電路設(shè)計(jì)及觸摸屏的編程與調(diào)試
摘 要： 本文以單片機(jī)C8051F020 為核心控制芯片， 對(duì)由控制芯片TFT 6448b 控制NL 6448AC33- 18 彩色顯示屏和單片機(jī)C8051F020 控制四線電阻式觸摸屏組成的人機(jī)界面控制系統(tǒng)， 作了較為深入的分析與研究。介紹了C8051F020 單片機(jī)的功能特點(diǎn)， 端口配置方法和對(duì)它的編程具體操作方法； 以及液晶芯片TFT6448b 和觸摸屏的管腳功能和工作原理。描述了單片機(jī)C8051F020 實(shí)現(xiàn)控制彩色液晶進(jìn)行顯示和控制觸摸屏按要求正確工作的原理，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖以及軟件流程圖， 闡述了硬件設(shè)計(jì)框圖和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。著重論述觸摸屏硬件接口電路設(shè)計(jì)及軟件編程與調(diào)試， 實(shí)現(xiàn)了彩色液晶顯示及觸摸屏控制功能， 實(shí)現(xiàn)了頁(yè)面顯示及頁(yè)面切換功能。為便于程序的擴(kuò)展、修改和今后的應(yīng)用， 應(yīng)用C 語(yǔ)言編程， 所有程序按功能采用模塊化設(shè)計(jì)， 程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系簡(jiǎn)潔明了。
引言
觸摸屏是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的而且又適用于中國(guó)多媒體信息查詢國(guó)情的輸入設(shè)備， 它具有堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點(diǎn)。觸摸屏技術(shù)被認(rèn)為是未來(lái)人機(jī)交互科技的主流方向之一，相關(guān)的產(chǎn)業(yè)及其產(chǎn)品的應(yīng)用也正在成為一個(gè)熱點(diǎn)。
本設(shè)計(jì)題目來(lái)自于廣西區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目， 是基金項(xiàng)目中的一個(gè)研究子模塊， 本文作者在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間針對(duì)NL 6448AC33218 彩色液晶顯示屏及其觸摸屏， 應(yīng)用C8051F020 單片機(jī)控制芯片， 采用單片機(jī)C 語(yǔ)言編制程序并進(jìn)行調(diào)試， 并且程序采用模塊化設(shè)計(jì)。
一、系統(tǒng)構(gòu)成
本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)C8051F020 微處理器控制的彩色液晶及觸摸屏的控制系統(tǒng)， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
二、系統(tǒng)連接方式及工作過(guò)程
（一）C8051F020 控制TFT6448b 的工作過(guò)程
在用C8051F020 實(shí)現(xiàn)對(duì)TFT 6448b 的控制過(guò)程中， 采用總線方式進(jìn)行控制。因?yàn)門FT 6448b 液晶控制器自帶有鎖存功能， 所以在使用總線方式進(jìn)行控制時(shí)并不需要外加鎖存芯片， 只須使用單片機(jī)C8051F020 的P0、P2、P3 口就可以實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)加電之前， 由于C8051F020 的典型工作電壓為313V , TFT 6448b 的工作電壓是5V , 對(duì)P0、P2、P3 口相應(yīng)連接管腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)能力擴(kuò)展； 根據(jù)控制需求， 通過(guò)P0、P2、P3 端口寄存器， 將相應(yīng)端口的引腳配置成漏極輸出方式。將P3 口配置成為數(shù)據(jù)？地址輸出口， 輸出地址時(shí)， 其為地址總線的低八位， P2 口提供高位地址； 傳輸數(shù)據(jù)時(shí)， 其為8 位數(shù)據(jù)總線口。系統(tǒng)加電后， 使得TFT 6448b 的片選信號(hào)？C S 有效， 通過(guò)往TFT 6448b 的相應(yīng)行、列、控制、數(shù)據(jù)寄存器中寫入數(shù)據(jù)， 即可用C8051F020 芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)TFT 6448b的控制， 從而實(shí)現(xiàn)彩色液晶的顯示控制。
（二） 觸摸屏硬件接口電路及工作原理
圖2 觸摸屏硬件接口電路 根據(jù)四線電阻式觸摸屏的工作原理， 結(jié)合圖2 中觸摸屏硬件接口電路。 該觸摸屏硬件接口電路的具體工作過(guò)程如下： 1、如圖2 所示電路， 連接好線路， 給電源輸入端、參考基準(zhǔn)電壓端接入313V 的直流電源； 2、結(jié)合軟件編程對(duì)AD0 進(jìn)行初始化， 系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)， 軟件開中斷， 截止PN P1、PN P2、N PN 1, 飽和導(dǎo)通N PN 2; 3、等待觸摸屏被觸摸； 4、若觸摸屏上發(fā)生觸摸， 進(jìn)入中斷服務(wù)程序， 關(guān)掉外部中斷， 進(jìn)行短暫延時(shí)以消除外界抖動(dòng)。通過(guò)判斷中斷輸入口P010 的電平變化， 確定抖動(dòng)是否結(jié)束。通過(guò)軟件截止PN P2、N PN 2, 飽和導(dǎo)通PN P1、N PN 1, 選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換通道A IN 010, 采集觸摸點(diǎn)的X 方向坐標(biāo)值，延時(shí)等待轉(zhuǎn)換結(jié)束， 移出轉(zhuǎn)換結(jié)果； 電極電壓切換， 通過(guò)軟件置位， 截止PN P1、N PN 1, 飽和導(dǎo)通PN P2、N PN 2, 選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換通道A IN 011, 采集觸摸點(diǎn)的Y 方向坐標(biāo)值， 延時(shí)等待轉(zhuǎn)換結(jié)束， 移出轉(zhuǎn)換結(jié)果； 5、通過(guò)將采集到的X 和Y 坐標(biāo)值與設(shè)定的按鍵邊界值進(jìn)行比較， 若比較結(jié)果為真， 則切換到相應(yīng)的子頁(yè)面， 否則， 重新開中斷， 并返回主程序； 6、觸摸屏硬件接口電路工作過(guò)程重新回到步驟3, 繼續(xù)等待下一次觸摸。 三、彩色液晶顯示及觸摸屏軟件設(shè)計(jì) （一） 顯示原理 如要在點(diǎn)陣液晶顯示器上顯示漢字， 首先從漢字點(diǎn)陣生成工具中提取要顯示的漢字的點(diǎn)陣字模。因?yàn)槊總€(gè)漢字在字庫(kù)中是以點(diǎn)陣字模形式存儲(chǔ)的， 所以在程序當(dāng)中建立字庫(kù)， 以便調(diào)用。程序監(jiān)測(cè)， 是"1"就顯示， 是"0"就不顯示。檢測(cè)某位是否為"1"的方法兩種： 一種是移位法。每次向左移動(dòng)一位， 然后判斷進(jìn)位的值， 若為"1", 說(shuō)明要顯示， 則向?qū)憯?shù)據(jù)寄存器DA T 送該字要顯示的顏色代碼； 若為"0", 說(shuō)明不用顯示， 跳過(guò)； 另一種是位與法。先與80H 位與， 判斷該字節(jié)的最高位是否為"1", 若是， 說(shuō)明要顯示； 若不是， 跳過(guò)； 再依次與40H、20H、10H、08H、04H、02H、01H 位與， 判斷相應(yīng)位是否為"1".如要顯示字符、數(shù)字和圖形等， 其方法和原理與顯示漢字一樣。 （二） 程序設(shè)計(jì) 1、顯示程序程序設(shè)計(jì)。 其程序流程圖如圖3 所示： 圖3 顯示子程序流程圖 2、觸摸屏軟件設(shè)計(jì)。 結(jié)合圖2 所示觸摸屏硬件接口電路， 為實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏上觸摸點(diǎn)的識(shí)別， 實(shí)現(xiàn)頁(yè)面切換功能。本設(shè)計(jì)中觸摸屏模塊軟件設(shè)計(jì)思想是： 對(duì)P0 端口的P010 引腳、P1 端口的P114~ P117 引腳， 通過(guò)相應(yīng)的端口輸出方式寄存器， 配置為推挽輸出方式； 對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0 的相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置， 將模擬輸入通道配置為單端輸入方式， 通過(guò)通道選擇寄存器分時(shí)選通采集數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。進(jìn)入主程序， 等待外部觸摸中斷發(fā)生。若外界產(chǎn)生觸摸， 進(jìn)入中斷服務(wù)程序， 關(guān)掉外部中斷， 可以避免多個(gè)觸摸點(diǎn)發(fā)生沖突。通過(guò)判斷中斷輸入口電平的變化消除非意圖觸摸產(chǎn)生的抖動(dòng)； 消除抖動(dòng)后。通過(guò)電壓切換， 分別導(dǎo)通X 電極對(duì)、Y 電極對(duì)， 分別采集X 方向、Y 方向的模擬輸入量并移出轉(zhuǎn)換結(jié)果， 將采集到的值與事先設(shè)定的按鍵邊界值進(jìn)行比較， 若在按鍵范圍內(nèi)， 則切換到相應(yīng)頁(yè)面， 否則開中斷并返回主程序， 繼續(xù)等待外部觸摸中斷發(fā)生。相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。 圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖 3、觸點(diǎn)判斷程序設(shè)計(jì)。 在本設(shè)計(jì)當(dāng)中彩色液晶顯示屏的坐標(biāo)分布情況分布如下： 屏的最左上角（0, 0） , 屏的最左下腳（0, 479） ,屏的最右上角（639, 0） , 屏的最右下角（639, 479）。通過(guò)往彩色液晶顯示控制芯片TFT 6448b 的列、行、控制、數(shù)據(jù)寄存器中送入相應(yīng)的值， 即可以在液晶屏上任何地方實(shí)現(xiàn)顯示。根據(jù)顯示頁(yè)面設(shè)計(jì)要求， 將需要顯示的按鍵用文字、字符或者圖形標(biāo)識(shí)事先在液晶顯示屏上顯示出來(lái)。譬如其中頁(yè)面中有兩個(gè)按鍵標(biāo)識(shí)， 即"返回"和"下一頁(yè)".這兩個(gè)標(biāo)識(shí)在液晶顯示屏的位置是這樣的， 如上圖5 所示。
圖5 液晶顯示屏的兩個(gè)按鍵標(biāo)
根據(jù)ADC0 模塊采集到的X 和Y 坐標(biāo)值， 通過(guò)按照從左到右、從上到下的逐點(diǎn)測(cè)量的方法， 得出觸摸屏各觸點(diǎn)電壓梯度經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值是按照線性分布的。因?yàn)閷⒌玫?2 位十六進(jìn)制數(shù)值右移了3 位， 那么對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)的最大值為511, 最小值為0, 其精度為1/512.觸摸屏上的坐標(biāo)的具體分布如圖6 所示。
圖6 觸摸屏上的坐標(biāo)分布 依照?qǐng)D6 所示， 可以知道其坐標(biāo)分布的幾個(gè)特殊點(diǎn)坐標(biāo)值（列， 行） , 譬如： 觸摸屏的最左上角（511, 511） ,屏的最左下腳（0, 511） , 屏的最右上角（511, 0） , 屏的最右下角（0, 0） ; 在此基礎(chǔ)上， 通過(guò)將觸摸屏固定在液晶顯示屏上， 即可以測(cè)量觸摸屏對(duì)應(yīng)顯示屏上固定按鍵標(biāo)識(shí)的按鍵區(qū)域邊界值。具體軟件流程圖如圖7 所示： 下面通過(guò)闡述一個(gè)按鍵標(biāo)識(shí)來(lái)說(shuō)明， 如圖5 的"返回"按鍵標(biāo)識(shí)。 圖7 軟件流程圖 1、對(duì)觸摸屏坐標(biāo)進(jìn)行采集標(biāo)定， 得到的按鍵邊界值，X 坐標(biāo)為51< kk & kk< 94, Y 坐標(biāo)的邊界值為452<mm &mm < 507;2、當(dāng)觸摸發(fā)生， 將采集到的X 坐標(biāo)和Y 坐標(biāo)與該按鍵標(biāo)識(shí)的邊界值進(jìn)行比較， 如果在該按鍵邊界值之間說(shuō)明按鍵正確， 否則不正確；3、如按鍵正確， 進(jìn)行頁(yè)面切換， 調(diào)用頁(yè)面顯示子模塊程序， 顯示相應(yīng)的子頁(yè)面；4、如采集的X 和Y 坐標(biāo)不正確， 但坐標(biāo)值屬于其它按鍵坐標(biāo)值的范圍， 則調(diào)用相對(duì)應(yīng)的按鍵的顯示子模塊程序； 如不屬于其它按鍵范圍， 則返回等待。如上所述， 所有頁(yè)面的按鍵的識(shí)別和顯示方法都是一致的， 唯一的區(qū)別就是坐標(biāo)值的不同。 四、調(diào)試 本設(shè)計(jì)中， 在觸摸屏硬件接口電路設(shè)計(jì)及軟件編程中， 涉及到軟件程序調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中， 采用功能模塊化的方法： 譬如在實(shí)現(xiàn)整個(gè)彩色液晶及觸摸屏控制的過(guò)程中， 簡(jiǎn)要的軟、硬件調(diào)試步驟如下： 硬件--實(shí)現(xiàn)C8051F020 與TFT 6448b2LCD 控制板的連接-> 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)C8051F020 與觸摸屏之間的連接-> 將兩個(gè)模塊連接在一起， 構(gòu)成一個(gè)整體的控制系統(tǒng)； 軟件--先是實(shí)現(xiàn)單色屏的顯示-> 在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不同顏色和型號(hào)的字？字符的顯示-> 緊接著插入占用存儲(chǔ)空間較小的圖片（如C8051F020 芯片外形圖） -> 考慮任意點(diǎn)觸摸的實(shí)現(xiàn)-> 考慮定點(diǎn)觸摸的采集并實(shí)現(xiàn)按鍵區(qū)域觸摸-> 考慮切換子頁(yè)面功能的實(shí)現(xiàn)-> 實(shí)現(xiàn)比較人性化彩色頁(yè)面顯示。
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