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摘要：为了解决工业机械控制现场TFT液晶显示的需求，利用32位单片机STM32F407作为主控芯片，同时结合RGB接口的显示控制器芯片，并配置有SPI 接口Flash存储，利用轻量型嵌入式操作系统，实现了一款TFT液晶控制器。
关键词：单片机；STM32F407；TFT液晶；嵌入式操作系统
在工业领域中，各种控制、显示、采集、通信需求都有。尤其在显示方面，因为TFT液晶屏能显示更多的内容，所以采用TFT液晶显示屏替代传统的字符显示或段码显示，使满足工业控制系统下的各种信息输出。但由于工业控制系统的工作环境比较复杂，在多种设备同时运行的环境下，充斥着各种电磁干扰，所以应用的液晶控制器必须可靠性高。而对于液晶控制器的设计，方案有两大类，一类是利用单片机内部的LCD控制器直接驱动液晶，另一类是单片机通过外部的液晶控制器驱动液晶。本文采用第二类方案，利用STM32F407作为主要微控制器，结合晶门公司的SSD1963显示控制芯片，主控芯片搭载2MB的SPI Flash用于数据储存，软件设计方面利用轻量型的操作系统uC/OS-II实现多任务处理，方便控制器功能的添加，成功地设计出一款TFT液晶控制器。
1 硬件设计
TFT液晶控制器的实现离不开MCU的选型，而ST公司的产品在市场上应用很广，技术文档完整，开发资源丰富，在开发周期上大大缩减了时间成本，旗下有STM8和STM32系列，考虑到后续的功能扩展问题，本文选用STM32F407进行设计。在液晶方面，液晶接口有RGB，LVDS，MIPI，eDP等多种接口，但是RGB是最常用的，LVDS和MIPI等接口多用于移动设备，所以本文选择RGB接口的4.3寸TFT-LCD。由于本文选择的STM32F407内部不具备液晶控制器，所以在微控制器和TFT液晶之间还需要搭载一款显示控制芯片，用于信号转换和数据传输。
本文采用ST公司STM32系列的STM32F407作为主要微控制器，通过IO口连接SSD1963显示控制芯片，并通过STM32F407的SPI总线外接SPI Flash,通过IIC外接TP屏。其中STM32F407以ARMCortex-M4内核为基础，工作频率最高达168MHz，片内资源非常丰富，具备两路USB，拥有IIS接口，可以实现音频功能，其中通信接口多达15个，可以满足工业现场的控制和数据存储等多种用途，本文只讨论实现液晶控制方面的功能；SSD1963是一款拥有1215k字节帧缓冲的显示控制器，最高支持864×480×24位图形内容，在不同总线宽度下，通过并行接口接收来自单片机的图形数据和命令，并能通过PWM信号控制液晶背光亮度，单片机可对其配置为6800模式或8080模式，适用于驱动4.3寸RGB接口的液晶屏；SPI 接口Flash用于存储工业现场的采集数据、控制器的运行参数；STM32F407通过IIC接口外接一块自带触摸驱动的TP，既简化了设计，也利于在工业环境等多干扰的环境下工作，避免误触发，可替代弹簧按键，方便用户与控制器进行人机交互。另外，保留Jtag接口，可以连接JLink等类型的调试器，用于调试和修改控制器程序，DB9接口利用max232芯片，使ttl信号转换成232信号，用于与上位机通信，输出调试信息等。系统设计框图如图1所示：
图1 液晶控制器系统框图
液晶控制电路部分细分成三部分，分别是RGB数据接口、背光驱动、液晶供电电路。其中为了提高可靠性和抗干扰性，这里不使用SSD1963中PWM控制液晶背光，把背光驱动独立出来。
STM32F407通过并行接口方式访问显示控制器SSD1963，并行模式的接口包含：DATA[0：23]、WR、RD、CS、CONF等管脚。其中CONF引脚接到电源3.3V是配置为8080模式，CONF引脚接GND则工作在6800模式，该接口使用了24位的数据总线DATA[0:23]。SSD1963需外接10M晶振，可通过软件配置PLL使工作时钟达到100MHz。
4.3寸液晶显示屏的背光驱动电路如图2，利用了ETA1617升压芯片是5v电压上升，达到液晶背光需要的电压，具体的升压电压值需要结合液晶的数据手册进行设计，此电路通过MCU的IO进行PWM控制，实现液晶背光调节。
液晶需要正常显示，除收到正确的数据外，还必须保证液晶本身供电正常，此处提供了另一个升压电路，具体电压值需根据液晶手册设计合理的VGH和VGL电压，本文选用的液晶VGH=+15V,VGL=-7V
软件设计方面的难点在于SSD1963驱动的编写和uC/OS-II的移植使用。SSD1963的驱动包括写命令和写数据两部分，所以必须通过IO时序的方式实现写命令函数WrCmd()和写数据函数WrData()。初始化SSD1963的步骤包括配置PLL时钟(命令0xE2)、液晶扫描周期(命令0xB4和0xB6)、液晶显示区域 (命令0xD4)
uC/OS-II由Micrium公司提供，是一个可移植、可固化的、可裁剪的、抢占式多任务实时内核，它适用于多种微处理器，微控制器和数字处理芯片。本液晶控制器主要用到以下服务：任务管理、时间管理、信号量，消息队列。其中任务管理用于创建液晶显示、TP读写、UART通信、数据存储四个任务；而信号量用于任务间的消息传递，如液晶控制器通过UART通信任务与上位机通信中发生了数据交换，需要把新数据保存下来，则利用信号量触发数据存储的执行；时间管理用于任务的挂起时间设定，如液晶显示挂起时间为50ms，TP读写为100ms；消息队列用于处理UART的数据。
对于液晶控制器而言，液晶显示的任务是主要任务，为了画面刷新及时，此任务优先级设置为最高等级，且挂起时间较短。在任务创建前，执行SSD1963初始化函数，使SSD1963准备工作，待执行任务调度后，在定时周期内，定时执行液晶显示任务，在液晶显示任务中，不断的对SSD1963写入新的数据，达到刷新画面的效果。
3 结论
本TFT液晶控制器，基于STM32F407平台进行设计，利用SSD1963显示控制芯片，加上独立的液晶供电和背光驱动电路，增强了抗干扰和兼容性，并同时利用了uC/OS-II操作系统，方便应用的扩展和维护，能很好的用于工业控制环境。
参考文献：
[1]李殿勋.基于工业用途的单片机多功能实验系统设计与分析.2013.
[2]刘红波.单片机与液晶控制器的接口设计.2016.
[3]梁军龙.基于STM32F407的永磁同步电机伺服控制器设计.2014.
论文作者:邓焯伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/9
标签：液晶论文; 控制器论文; 接口论文; 数据论文; 单片机论文; 芯片论文; 液晶显示论文; 《电力设备》2018年第12期论文;