1、引　　言

隨著居民生活水平的提高和氣象意識的增強(qiáng)，近年來自動氣象站得到了大力的發(fā)展。自動氣象站需要可視化的人機(jī)界面，既能發(fā)布動態(tài)的氣象數(shù)據(jù)，也能對氣象站發(fā)送控制指令。因此，自動氣象站擁有可視化的液晶顯示控制模塊是非常重要的。

為了節(jié)約硬件資源，采用STM32F103VET6單片機(jī)驅(qū)動7寸觸摸屏作為顯示控制模塊的硬件平臺。為實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理，移植經(jīng)過裁剪和修改的UC／OS－II操作系統(tǒng)。同時移植可裁剪的界面設(shè)計(jì)軟件接口UCGUI，實(shí)現(xiàn)可視化人機(jī)界面。構(gòu)建軟硬件可裁剪的自動氣象站控制模塊，即能滿足自動氣象站工作現(xiàn)場的任務(wù)需求，也減少了軟硬件資源的浪費(fèi)，充分發(fā)揮了嵌入式產(chǎn)品在工控現(xiàn)場的優(yōu)勢。

2、系統(tǒng)整體框圖

采用STM32F103VET6作為主控制器芯片，利用TFT屏驅(qū)動程序和觸摸驅(qū)動程序驅(qū)動7寸觸摸屏，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

針對該CPU移植UC／GUI和UC／OS－II是本文的關(guān)鍵。液晶驅(qū)動程序和觸摸驅(qū)動程序配合UCGUI提供的接口函數(shù)，搭建可視化人機(jī)交互界面，移植適用于本系列CPU的UC／OS－II實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理。

圖1 ?系統(tǒng)整體

3、驅(qū)動觸摸屏硬件電路設(shè)計(jì)

基于價格和性能的綜合考慮，選擇STM32F103VET6作為主控制器芯片。STM32F103系列CPU采用CORTEX－M3內(nèi)核，最高工作頻率72MHｚ，擁有256～512KBFLASH程序存儲器，并行LCD接口，兼容8080／6800模式。

LCD模塊采用群創(chuàng)AT070TN90系列TFT屏。該液晶顯示模塊由LCD面板，SSD1963控制電路，電源與調(diào)壓器電路，背光控制電路4部分組成。其中SSD1963控制電路包含了1塊SSD1963控制芯片，負(fù)責(zé)與處理器進(jìn)行通信，根據(jù)處理器傳輸過來的數(shù)據(jù)刷新內(nèi)部顯存，控制LCD面板刷新顯示。

TFT顯示屏與STM32F103的接口如圖2所示。

圖2 ?TFT顯示屏與STM32F103的接口電路

TFT顯示屏表面貼有一塊XPT2046控制的四線制觸摸屏，該觸摸屏的Y＋，Y－，X＋，X－分別與XPT2046的4個引腳相連。當(dāng)屏幕被按下時，XPT2046內(nèi)部的125KHｚ轉(zhuǎn)換速率的逐步逼近型12位A／D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行2次A／D轉(zhuǎn)換計(jì)算觸摸位置，然后以SPI總線方式傳送給CPU。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4．1、LCD底層控制函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

移植GUI接口主要實(shí)現(xiàn)包括畫點(diǎn)、線、矩形、多邊形、位圖等功能。GUI所有的系統(tǒng)函數(shù)都是通過調(diào)用這些接口函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，而這些接口函數(shù)又都是基于畫點(diǎn)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，幾乎GUI顯示功能都最終調(diào)用畫點(diǎn)函數(shù)，所以LCD驅(qū)動程序重點(diǎn)在畫點(diǎn)函數(shù)的編寫。

／＊在指定坐標(biāo)畫指定顏色的點(diǎn)＊／

ｖOIDLCD＿SETPOINT（U16X，U16Y，U16C）

｛

LCD＿WRITECOM（0X002A）；

LCD＿WRITERAM（X＞＞8）；

LCD＿WRITERAM（X＆0X00FF）；

LCD＿WRITERAM（HDP＞＞8）；

LCD＿WRITERAM（HDP＆0X00FF）；

LCD＿WRITECOM（0X002B）；

LCD＿WRITERAM（Y＆0X00FF）；

LCD＿WRITERAM（ＶDP＞＞8）；

LCD＿WRITERAM（ＶDP＆0X00FF）；

LCD＿WRITECOM（0X002C）；

LCD＿WRITERAM（C）；

｝

實(shí)現(xiàn)了對LCD像素的操作，進(jìn)而修改移植UCGUI圖形接口，從而方便UCGUI通過調(diào)用該最底層函數(shù)來實(shí)現(xiàn)豐富的圖形界面。

4．2、UCGUI組織結(jié)構(gòu)

UCGUI是一種小型嵌入式圖形界面接口，獨(dú)立于CPU和LCD控制器，對系統(tǒng)要求很低。8／16／32位CPU，2～6KB的RAM，30～60KB的ROM，2KB的堆棧即可滿足。UCGUI接口完全對外開放，結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 UCGUI源碼組織結(jié)構(gòu)

4．3、修改配置UCGUI頭文件工作

移植UCGUI的前提就是修改配置頭文件。根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)，顯示器控制器型號，以及設(shè)計(jì)中將使用UC／OS操作系統(tǒng)的實(shí)際情況，配置頭文件具體修改如下：

將該修改完頭文件的UCGUI源碼包編譯進(jìn)工程，利用GUI自帶的圖形接口函數(shù)，便可在LCD屏上任意位置畫任意的圖形。實(shí)現(xiàn)自動氣象站的多任務(wù)處理的功能，給液晶顯示控制模塊移植一個結(jié)構(gòu)小巧的UC／OS－II操作系統(tǒng)也是必不可少的。

4．4、UC／OS－II框架結(jié)構(gòu)

UC／OS－II是免費(fèi)的公開的源代碼，具有可剝奪內(nèi)核。絕大部分代碼用C語言編寫，僅有與CPU相關(guān)的代碼用匯編編寫，總量也僅為200行左右，被壓縮到最低限度以便移植到任意一種CPU上。只要有標(biāo)準(zhǔn)的C交叉編譯器，匯編器和連接器等軟件工具，就可以將UC／OS－II移植到例如STM32這樣的CPU中。因?yàn)槠鋱?zhí)行效率高，占用空間小，實(shí)時性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)，最小內(nèi)核可編譯至2KB，所以UC／OS－II能完美運(yùn)行于STM32中。

UC／OS－II可大致分成核心、任務(wù)處理、時間處理、任務(wù)同步與通信、CPU的移植等5個部分。

1）核心部分（OSCORE．C）包括操作系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)運(yùn)行，中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等部分。

2）任務(wù)處理部分（OSTASK．C）包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等。因?yàn)閁C／OS－II是以任務(wù)為基本調(diào)度單位的，所以該部分也很重要。

3）時鐘部分（OSTIME．C）UC／OS－II中最小時鐘單位是TIMETICK（時鐘節(jié)拍），任務(wù)延遲等操作在此完成。

4）任務(wù)同步與通信部分此部分包括信號量、郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分。主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)系和對臨界資源的訪問。

5）與CPU的接口部分該部分是UC／OS－II針對CPU移植的部分。該部分牽扯到SP等系統(tǒng)指針，所以通常由匯編語言編寫。

4．5、UC／OS－II修改裁剪工作

UC／OS－II在STM32上移植，前提需要修改3個文件，它們是OS＿CPU．H，OS＿CPU＿C．C，OS＿CPU＿A．ASM。

1）臨界代碼段

UC／OS－II為保證某段代碼完整執(zhí)行，需要臨時關(guān)閉中斷，代碼執(zhí)行完成后開啟中斷。UC／OS－II通過OS＿ENTER＿CRITICAL（）和OS＿EXIT＿CRITICAL（）2個宏來實(shí)現(xiàn)中斷的打開和關(guān)閉，對于M3內(nèi)核，棧增長方向是向下增長，因此需要宏定義OS＿TASK＿GROWTH為1。

5、測試結(jié)果

在μＶISION4集成開發(fā)環(huán)境中編寫測試代碼。在主函數(shù)MAIN（）中，系統(tǒng)函數(shù)OSTASKCREATEEXT（）創(chuàng)建系統(tǒng)主任務(wù)APPTASKSTART（），在主任務(wù)中創(chuàng)建2個系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的任務(wù)APPTASK＿LCD（）和APPTASK＿LED（），設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級和任務(wù)棧大小，2個任務(wù)用于液晶顯示和LED閃爍。APPTASK＿LCD（）和APPTASK＿LED（）的任務(wù)配置如表2所示。

表2任務(wù)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)在2個任務(wù)情況下運(yùn)行效果如圖4所示。

圖4 顯示控制模塊

結(jié)果表明多任務(wù)運(yùn)行流暢，工作穩(wěn)定。因此，該自動氣象站控制模塊工作可靠有效。

6、結(jié)　　論

設(shè)計(jì)基于STM32的自動氣象站控制模塊。STM32單片機(jī)的高速、低耗的優(yōu)越性能完全可以滿足觸摸屏主控制芯片的要求，TFT液晶顯示器可以滿足更復(fù)雜、多彩、靈活的顯示任務(wù)，符合顯示屏性能不斷攀升的發(fā)展趨勢。將UC／OS－II操作系統(tǒng)和UC／GUI圖形接口同時移植到F103系列CPU中，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理，完全適應(yīng)自動氣象站多變的任務(wù)需求，能承擔(dān)更加靈活的液晶顯示任務(wù)。相比傳統(tǒng)的自動氣象站控制模塊，設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)多任務(wù)，多界面的前提下，將軟硬件資源的消耗上降到最低，體現(xiàn)了現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計(jì)的低功耗低成本的特點(diǎn)。