Практика применения в устройствах на микроконтроллерах дисплейных модулей от 4D Systems. Часть 1

Введение

При создании электронной аппаратуры на базе встраиваемых микроконтроллеров (МК) разработчику, как правило, приходится проектировать её пользовательский интерфейс, включающий средства управления, настройки ввода-вывода, а также отображения пользовательской и сервисной информации. Зачастую аппаратные ресурсы и процессорное время, необходимые для организации сколько-нибудь привлекательного интерфейса, сопоставимы или даже превышают ресурсы и время, требуемые для работы устройства по его основному назначению. Это особенно актуально при использовании МК с невысокой разрядностью, малым количеством аппаратных интерфейсов и линий ввода-вывода. В некоторых случаях пользовательский интерфейс для собственно работы устройства не нужен, но необходим временно для его настройки или отладки. Также бывает, что уже имеющийся в устройстве интерфейс необходимо модернизировать, например, сделать отображение данных в цвете, а не монохромным, или добавить кроме текстового ещё и графический режим, а излишка свободных ресурсов для этого в системе нет.

Именно для перечисленных задач хорошо подходят интеллектуальные дисплейные модули австралийской компании 4D Systems с встроенными графическими процессорами GOLDELOX, PICASO и DIABLO16. Они обеспечивают построение вполне современного и, что особенно важно, самодостаточного интерфейса, забирая при этом минимальное количество аппаратных ресурсов и процессорного времени управляющего МК. Фактически они берут на себя все ресурсные затраты по организации интерфейса, кроме низкоскоростного канала обмена между управляющим МК и дисплейным модулем. Под самодостаточным здесь понимается такой интерфейс, который включает в себя все необходимые и достаточные компоненты для функционирования устройства, а именно: средства сигнального и пользовательского ввода-вывода (аппаратный интерфейс с МК, собственные входы для подключения кнопок и/или сенсорная панель), средства графического вывода (LED- или LCD-дисплей), средства аудиовывода (собственный аудио­выход). Опционально модули имеют собственную энергонезависимую память большого объёма для хранения текстовых шрифтов, графики, видео и пользовательских данных.

К недостаткам дисплейных модулей от 4D Systems может быть отнесена их сравнительно высокая стоимость.

Актуальный на текущий момент перечень графических модулей от 4D Systems из нескольких десятков позиций можно увидеть на сайте производителя [1]. Для просмотра линейки модулей, о которых идёт речь в статье, на сайте необходимо выбрать категорию microLCD Display Modules и в ней подкатегорию Display Modules, как показано на рисунке 1. Помимо этого, весьма полезная и интересная информация о номенклатуре, характеристиках, режимах и порядке применения модулей от 4D Systems содержится в других источниках [2, 3].

Аппаратная платформа для создания интерфейса

В предлагаемой статье описывается применение графических модулей от 4D Systems только в одном из поддерживаемых ими режимов – Serial (работа под управлением МК). Для примера в статье рассмотрена совместная работа МК с одним из самых простых и дешёвых модулей начального уровня µOLED-128-G2 [4] из состава линейки microLCD с самым слабым в линейке графическим процессором GOLDELOX. Однако возможности даже такого простого устройства весьма впечатляют. Модуль обеспечивает следующие базовые функции:

Помимо базовых функций модуль обеспечивает и опциональные, так называемые медийные интерфейсные функции. Их использование возможно при подключении к модулю карты памяти µSD, поддерживающей интерфейс SPI, для чего имеется стандартный слот. При подключённой карте модулем поддерживается широкий набор шрифтов для текстового вывода, а также вывод сложных цветных изображений и воспроизведение цветного видео (непрерывно или покадрово) с разрешением встроенного дисплея, но без звукового сопровождения. Все эти функции также реализуются по командам МК, причём вывод одного медийного объекта (изображения или видео) может быть осуществлён всего двумя-тремя командами. Кроме того, подключённую к модулю µSD-карту МК может использовать в качестве энергонезависимой памяти, доступной для чтения и записи цифровых данных. Шрифты, изображения и видео предварительно необходимо записать на карту с помощью специального инструментального программного обеспечения, о чём будет сказано далее. Количество шрифтов, количество и размеры файлов изображений и файлов видео, других хранимых данных ограничиваются только ёмкостью используемой карты. Модулем µOLED-128-G2 поддерживаются µSD-карты объёмом до 4 ГБ.

В модуле µOLED-128-G2 используется цветной (65K цветов) OLED-дисплей с разрешением 128 ´ 128 точек, размером диагонали 1,5 дюйма, контрастностью 5000:1, яркостью 100 кд/м² и углом обзора 160°. Обмен с управляющим МК модуль осуществляет через UART с заданной по умолчанию скоростью 9600 бит/с, 8-N-1. Помимо работы под управлением внешнего МК модуль также поддерживает автономную работу под управлением программ, написанных на графически-ориентированном языке 4DGL и хранящихся во встроенной памяти графического процессора. Помимо UART модуль имеет две цифровые линии ввода-вывода общего назначения, одна из которых может быть сконфигурирована как аналоговый вход АЦП. Частота тактового генератора графического процессора GOLDELOX модуля равна 12 МГц, а его системная тактовая частота – 48 МГц. Типовой ток потребления процессора GOLDELOX от источника +3,3 В составляет 12 мА. Внешний вид дисплейного модуля µOLED-128-G2 представлен на рисунке 2.

По умолчанию после включения питания µOLED-128-G2 с заводскими настройками находится в состоянии SPE READY, предназначенном для работы в режиме Serial. В этом режиме графическим процессором выполняется заводская управляющая программа SPE (Serial Platform Emulator). Указанная программа осуществляет преобразование поступающих от МК через UART команд в так называемые внутренние функции графического процессора GOLDELOX.

В качестве внешнего управляющего МК в предлагаемой статье использован 32-разрядный МК LM4F120H5QRFIGA3 семейства STELLARIS фирмы Texas Instruments, установленный на отладочной плате EK-LM4F120XL [5]. В настоящее время этот МК выпускается с названием TM4C1233H6PM. Семейство, в которое он входит, сейчас называется TIVA, а отладочная плата – EK-TM4C123GXL. МК имеет процессорное ядро ARM Cortex-M4F с тактовой частотой до 80 МГц, 256 КБ встроенной FLASH-памяти, 32 КБ SRAM и в числе прочих интерфейсов – 8 портов UART. Программирование и отладка МК осуществляется посредством интегрированного в плату JTAG-отладчика Stellaris ICDI через его USB-порт. Плата EK-LM4F120XL не имеет собственного дисплея и снабжена всего двумя пользовательским кнопками и светодиодом, то есть, пользовательский интерфейс у неё практически отсутствует. Исходя из этого, применение для приложений на основе этой платы дисплейных модулей от 4D Systems представляется вполне обоснованным.

Принципиальная схема связки «плата EK-LM4F120XL + модуль µOLED-128-G2» показана на рисунке 3, а внешний вид собранного по этой схеме макета – на рисунке 4. Внешние кнопки, усилитель звуковой частоты, первичный стабилизатор питания макета, цепь сброса графического модуля и другие вспомогательные цепи смонтированы на дополнительной интерфейсной плате, также показанной на рисунках 3 и 4. Из внутренней структуры платы EK-LM4F120XL на схеме показаны только задействованные в приложении выводы МК и пользовательские кнопки SW1, SW2.

Программа SPE по умолчанию конфигурирует линию ввода-вывода IO2 модуля µOLED-128-G2 как цифровой выход ШИМ, используемый для генерации звука, а линию IO1 – как аналоговый вход АЦП, используемый для опроса внешних кнопок. Все кнопки подключаются между этим входом и внешними подключёнными к общему проводу резисторами различного (заданного производителем) сопротивления. С учётом наличия подтягивающего к плюсу питания +3,3 В резистора заданного сопротивления, на этой линии при нажатии каждой из кнопок образуется делитель напряжения с уникальным в пределах массива кнопок коэффициентом деления. Таким образом, нажатие на любую из кнопок создаёт на входе АЦП сопоставленный ей уровень напряжения, который распознаётся программой SPE и в виде соответствующего кода передаётся через UART в управляющий МК. Необходимое для работы кнопочного интерфейса напряжение +3,3 В вырабатывается встроенным в модуль отдельным стабилизатором с допустимым током нагрузки до 50 мА.

Цифровые сигналы со звукового выхода модуля поступают на вход усилителя звуковой частоты, нагруженного на электромагнитный звуковой излучатель «спикер», подобный тем, которые используются в материнских платах ПК. Нагрузочная способность цифрового (звукового) выхода IO2 не превышает 4 мА.

Модуль питается от внешнего источника постоянного напряжения +5 В (диапазон питающих напряжений составляет +4,0…+5,5 В), однако его линии ввода-вывода и линии UART используют уровни TTL +3,3 В, хотя толерантны и к напряжению +5 В. Линия сброса RES имеет внутренний подтянутый к уровню +3,3 В резистор 4,7 кОм. Внешний активный низкий уровень на ножке RES длительностью более 2 мкс вызывает сброс модуля. С выхода модуля «+5 B OUT» при необходимости снимается входное питающее напряжение +5 В, пропущенное через внутренний защитный диод.

Все линии сигналов обмена с МК, цепей сброса, питания и общего провода сведены в модуле µOLED-128-G2 в один стандартный двухрядный 10-контактный разъём, как показано на рисунке 2.

Базовые функции дисплейного модуля

Через несколько секунд после включения питания модуля в случае, если от управляющего МК не поступает никаких команд, программа SPE выводит на дисплей начальную экранную заставку, показанную на рисунке 5.

В ней содержится информация о типе модуля, версиях загруженной в него программы SPE и его внутренней «прошивки» PmmC, а также актуальное в данный момент значение скорости обмена через UART. Выведенная заставка медленно прокручивается по дисплею. Управляющему МК надлежит захватить управление модулем, подавая ему через UART какие-нибудь команды. Например, команды очистки дисплея или запрещения прокрутки выводимого изображения. Затем можно приступать к выводу на дисплей требуемых в приложении данных, опросу кнопок, генерации звука в нужном приложению контексте и т.д. В документации производителя на модуль [6] сказано, что МК может пытаться связываться с модулем приблизительно через три секунды после его сброса, а начальная заставка появляется примерно через 8 секунд. Однако по опыту работы с экземпляром µOLED-128-G2 оказалось, что модуль корректно реагирует на команды МК практически сразу после сброса.

Полный перечень из более чем семидесяти команд, поддерживаемых модулем в режиме Serial, с их подробным описанием содержится в [6]. Этот документ можно загрузить по ссылке с интернет-страницы [7]. Необходимо заметить, что каждая конкретная команда может поддерживаться не всеми моделями модулей, что отражено в документации.

Для облегчения использования своих модулей совместно с различными сторонними программными средствами и аппаратными платформами (ARM, AVR, PIC, Arduino и пр.) производитель распространяет перечень команд режима Serial в виде наборов библиотек: Arduino Serial Library, C Serial Library, Pascal Serial Library, PicAxe Serial Library, Linux Serial Library. Перечисленные библиотеки в виде архивных файлов могут быть загружены по соответствующим ссылкам с интернет-страницы [7].

Рассмотрим систему команд режима Serial подробнее. Группа текстовых и строковых команд управляет курсором дисплея при выводе текста, задаёт его цвет, размеры и атрибуты (жирный, курсив, подчёркивание, инверсия). При этом доступен только один текстовый шрифт. Основные из этих команд перечислены в таблице 1. Эта и другие таблицы, приведённые в статье, содержат только имена и краткие характеристики команд (библиотечных функций) без их кодов и параметров.

Цвета выводимых на дисплей текстовых символов и графических объектов задаются в командах двухбайтовой константой в соответствующем поле. Перечень соответствия этих констант цветам дисплея приведён в [8].

Группа графических команд управляет выводом на дисплей простых геометрических фигур (прямых и ломаных линий, окружностей, треугольников, прямоугольников и т.п.), задаёт их расположение, размеры, цвет и режимы отображения, например, заполнение цветом. Сюда же входит такая важная команда, как очистка экрана gfx_Cls. Основные графические команды перечислены в таблице 2.

Группа медийных команд управляет взаимодействием модуля с подключённой к нему µSD-картой, её начальной инициализацией, записью-чтением данных с неё, выводом с неё на дисплей изображений, видеокадров, воспроизведением с неё видео. Основные из этих команд перечислены в таблице 3.

Группа команд доступа к памяти предназначена для обеспечения доступа для записи и чтения к управляющим системным регистрам графического процессора. Основные команды этой группы перечислены в таблице 4. В рамках данной статьи эти команды рассматриваться не будут.

Отдельная команда под названием Joystick обеспечивает опрос всех подключенных к модулю кнопок (до пяти кнопок) и обнаружение среди них нажатой. Код нажатой на момент опроса кнопки в ответе на эту команду возвращается в МК.

Отдельная команда под названием Beep обеспечивает генерацию модулем непрерывного звукового сигнала с заданными тональностью и длительностью. Тональность (частота) задаётся в относительных единицах в диапазоне от 0 до 64. Длительность звучания задаётся в мс.

Отдельная команда задания скорости обмена Set Baud Rate обеспечивает выбор скорости обмена через UART из набора стандартных значений в диапазоне от 110 до 600 000 бит/с.

Отдельная команда управления изображением blitComtoDisplay задаёт горизонтальную и вертикальную позиции верхнего левого угла изображения, которое будет выведено на дисплей, ширину и высоту этого изображения, а далее в своём теле содержит само изображение, передаваемое попиксельно в виде 16-разрядных слов, значение каждого из которых определяет цвет пикселя. Эта команда может быть очень длинной.

Группа системных команд обеспечивает вывод на дисплей информации о модели и версиях встроенного ПО (SPE, PmmC) модуля, а также задаёт режим, тайм-аут и скорость прокрутки изображения на дисплее. Основные системные команды перечислены в таблице 5. Чтобы отменить прокрутку любого выводимого на дисплей изображения, заданную в программе SPE по умолчанию, необходимо передать в модуль команду SSTimeout(0).

Заметим, что отобразив, например, на дисплее какие-либо графические изображения, можно тут же рядом с ними или поверх них вывести и текстовые данные. И наоборот. То есть текстовый и графический режимы не разделяются.

Рассмотрим формат команды на примере команды Joystick. Передача через UART всегда ведётся побайтно. Сначала МК передаёт так называемый cmd-код команды (для Joystick cmd = 0xFFD9). Первым всегда передаётся старший байт. Если команда корректно воспринята модулем, он возвращает байт подтверждения ACK, всегда равный 0x06. Какое-либо иное значение байта подтверждения говорит о некорректном приёме команды. Затем модуль возвращает ответ на команду – один байт с номером кнопки, нажатой на момент опроса, то есть на момент поступления команды Joystick. Соответствие между значением ответа и изображёнными на принципиальной схеме кнопками приведено в таблице 6. Заметим, что одновременное нажатие двух и более кнопок является некорректным и приведёт к неоднозначному результату.

Команда позиционирования текстового курсора в определённое положение на дисплее txt_MoveCursor будет выглядеть следующим образом. Сначала код cmd = 0xFFE4 (2 байта), затем параметры: номер строки (2 байта), номер столбца (2 байта). Ответ форматом этой команды не предусмотрен. Например, чтобы переместить курсор в строку 7 (0x07), ряд 12 (0x0C), МК должен передать в модуль последовательность байтов: 0xFF 0xE4 0x00 0x07 0x00 0x0C, а в подтверждении получить 0x06. Старшие байты в двухбайтовых параметрах должны быть заполнены незначащими нулями. По умолчанию после сброса для вывода на дисплей текстовых данных задан самый мелкий из возможных размеров шрифта – «4D SYSTEM (7x8)» (см. рис. 5). С учётом разрешения дисплея 128 ´ 128 точек, для такого шрифта доступно тестовое поле из 16 строк и 18 столбцов. Команды вывода на дисплей символа и символьной строки выводят данные, начиная с текущей позиции курсора.

Чтобы нарисовать на дисплее полый (не закрашенный) прямоугольник функцией gfx_Rectangle, нужно передать код cmd = 0xFFCF (2 байта), координаты позиции X1 (2 байта) в пикселях, позиции Y1 (2 байта) в пикселях, позиции X2 (2 байта) в пикселях, позиции Y2 (2 байта) в пикселях, цвет (2 байта) этого прямоугольника. Ответ форматом этой команды не предусмотрен. Например, для синего (код цвета 0x001F) прямоугольника, рисуемого из точки с координатами X1 = 10 (0x0A), Y1 = 20 (0x14) в верхнем левом углу дисплея в точку с координатами X2 = 80 (0x50), Y2 = 80 (0x50) в правом нижнем углу, МК должен передать в модуль последовательность байтов: 0xFF 0xCF 0x00 0x0A 0x00 0x14 0x00 0x50 0x00 0x50 0x00 0x1F, а в подтверждение получить 0x06.

Каждая переданная от МК команда требует определённого времени для её обработки модулем. Это время между моментами поступления команды и генерации подтверждения на неё или ответа, если последний предусмотрен форматом. Необходимо заметить, что передав в модуль команду, МК не должен передавать что-либо ещё, пока не дождётся от модуля подтверждения, а затем и ответа, если последний предусмотрен форматом. В противном случае логика модуля поведёт себя неоднозначно.

С целью отладки алгоритмов взаимодействия МК с модулями от 4D Systems автором была написана управляющая программа для МК платы EK-LM4F120XL, реализующая как базовые функции модуля (вывод на дисплей текстовых данных с заданным по умолчанию шрифтом), так и медийные (выбор шрифта, вывод на дисплей графики и видео) с использованием немного переработанной библиотеки функций C Serial Library. Исходный текст этой программы (и файл «прошивки» Flash-памяти МК) содержится в каталоге проекта UART_4D, архив которого доступен для загрузки с сайта журнала (www.soel.ru). Проект был подготовлен и отлажен в интегрированной среде разработки IDE µVision V5.15 от Keil Software (бесплатная версия с ограниченным размером кода). Программирование и отладка производились с помощью встроенного JTAG-отладчика Stellaris ICDI.

При включении питания макета программа передаёт в модуль команды очистки дисплея, запрета прокрутки изображения, задания размеров текстовых символов, их цветов, позицио­нирования курсора, а затем циклически (в моменты завершения АЦП МК) осуществляет вывод на дисплей цифровых данных – результата АЦП в вольтах. Входное измеряемое напряжение для АЦП формируется в интерфейсной плате из питающего напряжения +3,3 В цепью R1, C1 и поступает на линию МК PD2, сконфигурированную как аналоговый вход AIN5. Вид дисплея для этого случая показан на рисунке 4. Как видно из рисунка, при достаточно крупном размере символов шрифт на дисплее выглядит не очень эстетично. Восприятие картинки можно улучшить с помощью медийной функции задания шрифтов, о чём будет рассказано во второй части статьи.

Помимо вывода на дисплей результатов АЦП программа циклически (примерно два раза в секунду) передаёт в графический модуль команду Joystick и анализирует ответ на неё. В зависимости от наличия нажатой кнопки и её номера программа выводит на дисплей соответствующий ей символ: «U», «L», «D», «R», «P». Каждое нажатие на любую из кнопок макета (две штатные кнопки платы EK-LM4F120XL и пять кнопок интерфейсной платы) сопровождается коротким звуковым сигналом высокого тона, генерируемым дисплейным модулем по команде Beep, поступающей из МК.

Литература

1. www.4dsystems.com.au/products.
2. Долгушин С. Графические контроллеры и дисплейные модули компании 4D Systems. Компоненты и технологии. 2013. №2.
3. Долгушин С. Графический интерфейс пользователя на базе готовых дисплейных модулей компании 4D Systems. Компоненты и технологии. 2013. №4.
4. www.4dsystems.com.au/product/uOLED_128_G2.
5. Stellaris LM4F120 LaunchPad Evaluation Board. User Manual. www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=spmu289&fileType=pdf&....
6. 4D Systems Goldelox Serial Environment Command Set. Part of the Workshop 4 IDE.
7. www.4dsystems.com.au/product/4D_Workshop_4_IDE.
8. 4D Systems Application Note 4D-AN-00043. General 4DGL Colour Constants.