摘要：触摸屏是现代数字化产品的主流技术之一，触摸屏嵌入式系统丰富了人机交互界面，提升了设备的总体性能，也对支持技术提出了高要求。本文基于ARM单片机作为重点，对其触摸屏嵌入式系统设计思路、方法进行分析，给出控制部分设计、触摸部分设计、显示与存储设计等内容，为后续产品研发工作提供参考。
关键词：ARM单片机；触摸屏；嵌入式系统；控制部分
前言：ARM单片机是以ARM处理器为核心的一种单片微型计算机，是近年来随着电子设备智能化水平和网络化程度不断提高而出现的新兴芯片族群，以其低功耗和高性价比的优势逐渐步入高端市场，成为了时下的主流产品，特别是在家用电器、消费电子产品等领域。以ARM单片机为核心的触摸屏嵌入式系统，具有同样优势，故本文针对其设计思路和方法进行探讨与分析。
1.基于ARM单片机的触摸屏嵌入式系统设计思路
1.1强调优势最大化
ARM单片机的主要优势在于指令响应速度快、可靠性高，为民生产与工业品应用带来丰富的可实现性。系统处理器为32位ARM核处理器，以集成技术为基础，芯片内部集成了大量的片内外设，功能得到丰富的同时，也降低了整机系统的成本，为商品化、市场化的应用和推广提供了先天条件。进行触摸屏嵌入式系统设计时，上述优势为需要考虑的重点，如应用于移动电话中的触摸屏，可能出现频繁下达指令时系统反应较慢的问题，以51单片机为例，指令数目为达到20000个/s时，系统工作将出现明显的延迟，约1%-5%的指令无法在2s内得到响应。在硬件性能接近的情况下，ARM单片机可以实现200000个指令的一秒内处理，计算能力更强，可提升大部分移动手机的反应速度[1]。
1.2系统的功能性
功能性是ARM单片机应用、触摸屏嵌入式系统设计需要考虑的重点问题是：因大部分单片机是系统的核心构件，出现不兼容等问题的场合，可能大大降低设备的使用价值，甚至导致死机、设计失败、各种应用BUG出现等。在触摸屏嵌入式系统中，应优先考虑产品尝试达到的目标，以该目标为导向，进行针对性设计。以输入输出端口引脚为例，ARM单片机工作的基本原理见图1：
图 1 ARM单片机工作的基本原理
2.基于ARM单片机的触摸屏嵌入式系统设计方法
2.1控制部分设计
以上文所述要求为基础，基于ARM单片机的触摸屏嵌入式系统控制部分设计，需要选用能够匹配的工作系统，如S3C44box系统，该系统由韩国三星集团研发，满足32位单片机工作需要，同时选用与S3C44box系统相匹配的总线嵌入结构，可满足现代大部分数字设备的使用需求。实验室条件下，以S3C44box系统支持ARM单片机作业，触摸屏的工作频率为66兆赫兹，流水线结构数据产生频率，可达到1.0MHz左右，电压稳定为2.4V，i/O电压在3.2V左右波动。在这参数模式下，5dB以下的声音、轻微触碰均可得到捕捉，且较低的电压水平也控制了系统能耗[2]。
总线系统上，采用有线模式进行指令响应，所有指令得到触摸屏的响应后，由单片机执行运算，理论处理速度不低于200000条/s，普通数字设备触摸屏的产生的指令可在20ms内予以响应，之后通过有线线路快速进入单片机内部，根据单片机记忆的默认程序进行处理。如人员输入手写指令，写下汉字“王”，每一次输入都单独通过触摸屏进行响应，并以单片机进行辨识，当汉字书写完毕后，单片机计算工作同步完成，并根据人员手写结果，给出匹配度最高的汉字，包括王、工、土、干等，供人员选择。其他指令的输入和处理模式与此相同，作业时可启动两个指令状态，即常规ARM状态和thumb状态：
ARM状态下，触摸屏的一切工作与ARM指令高度一度，处理器执行32位字对齐指令；thumb状态下，触摸屏的工作出现变化，处理器执行16位半字对齐指令。上述两种模式可以根据触摸屏获取的指令信息进行切换，S3C44box系统有权终止操作，也能在完成功能升级后，对新的指令模式进行定义。
2.2触摸部分设计
基于ARM单片机的触摸屏嵌入式系统，触摸部分设计原则上强调敏感性和指令辨识能力的兼顾，轻微的响动和碰触，不会作为输入指令得到执行，各类指令碰触指令，也不会被忽视。拟采用ADS7846电阻式触摸屏作为配套设施。该触摸屏具有可编辑性，通过对控制器进行处理，将不同指令定义为8个部分，执行各自部分的单独采用，所获的原始数据，再借助控制设备进行转化，转化的参数为125千赫兹，能够满足大量指令的同步处理需求。原始信息处理时，电压和电极强度是稳定的，这即是说，原始数据强度可得到客观分析，不会因系统功能的不稳定出现误判断、误操作，使来自触摸屏的直接指令得到有效辨识。如人员拇指点按触摸屏，其强度存在一个范围，以A表达点按的平均强度，则屏幕接受点按的具体强度往往存在非线性变化的特点，可通过一个数集表示：
A=[A-n……A-2；A-1；A；A1；A2……An]
该数集中，[A-n、An]为点按强度的最小值和最大值，由单片机实现记忆，在人员点按触摸屏时，强度处于[A-n、An]之间，即可给予有效响应。
2.3显示与存储设计
以ARM单片机为依托，触摸屏嵌入式系统分显示和存储设计，显示方面，重视直接给出质量的响应情况，响应过程于单片机内部隐蔽进行；存储方面，重视数据缓冲和整理，可给出部分原始数据和完整的结构化数据。显示功能依然通过S3C44box系统进行控制，假定嵌入系统应用于移动电话，人员输入指令后，只要信息所需指令的数目不超过系统功能的上限，触摸屏可在短时间内响应，并直观给出响应结果，如通讯录显示、文字编辑等等。指令的处理和计算过程，均在计算机内部进行，通过总线系统分别就不同指令进行传输，由单片机进行辨识和处理。每日产生的大量原始低价值数据，通过单片机进行集中缓存。缓存的过程中，再根据数据的类别做统计，包括图片、文字、语音、文件包等等，同步提供不同数据所在位置，生成结构化数据，提供给人员进行管理。
总结：综上所述，ARM单片机的功能优势，在外围硬件设计上的容易性，具有竞争优势的成本，这3个方面使其在嵌入式系统设计上得到市场的普遍重视，触摸屏的嵌入也具有高可行性和高拓展开发应用性。思路上，重视强调优势最大化、系统的功能性和可扩展性。方法上，本次研究给出了控制部分设计、触摸部分设计、显示与存储设计三个方面内容，提高算术逻辑单元和移存器的利用率，使ARM单片机的优势得到有效呈现。
参考文献：
[1]潘晓贝.单片机嵌入式技术的应用研究[J].湖南工业职业技术学院学报，2018，18（04）：7-10.
[2]杨习成，边志刚，肖鸿飞.基于单片机嵌入技术的水文数据采集器研究与设计[J].港工技术，2017，54（01）：105-108.
论文作者:林厚福
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
标签：单片机论文; 触摸屏论文; 指令论文; 系统论文; 嵌入式系统论文; 功能论文; 工作论文; 《电力设备》2019年第5期论文;