基于單片機(jī)的EMS液晶顯示觸摸屏設(shè)計(jì)方案

一、引言

隨著電動(dòng)車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)展和用戶對(duì)電動(dòng)車性能要求的提高，電池能量管理系統(tǒng)（EMS）成為電動(dòng)車中不可或缺的重要部分。EMS液晶顯示觸摸屏作為用戶與電動(dòng)車交互的重要界面，其設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文提出了一種基于STM32F103單片機(jī)的EMS液晶顯示觸摸屏設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)描述了系統(tǒng)架構(gòu)、硬件連接、軟件實(shí)現(xiàn)等方面。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本設(shè)計(jì)方案以STM32F103單片機(jī)為核心控制器，通過(guò)I/O口與四線電阻觸摸屏相連，利用STM32F103自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能檢測(cè)觸摸并計(jì)算觸點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)觸摸功能。同時(shí)，STM32F103通過(guò)I/O接口與TFT液晶屏模塊通信，控制實(shí)現(xiàn)顯示功能。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2 主要器件介紹

2.2.1 STM32F103單片機(jī)

STM32F103是ARM公司為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核單片機(jī)。它擁有可達(dá)128KB的嵌入式閃存、20KB的SRAM，以及豐富的外設(shè)資源，如兩個(gè)1μs的12位ADC、一個(gè)全速USB（OTG）接口、一個(gè)CAN接口、三個(gè)4M/S的UART、兩個(gè)18M/S的SPI和兩個(gè)I2C等。此外，STM32F103還集成了復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等，方便用戶開(kāi)發(fā)。其功耗極低，在72MHz時(shí)消耗36mA（所有外設(shè)處于工作狀態(tài)），待機(jī)時(shí)下降到2μA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品之一。

2.2.2 TFT液晶屏模塊

本方案選用的是3.5寸的TFT液晶屏模塊，工作電壓3.3V，最大工作電流70mA，支持320×240分辨率。該模塊內(nèi)置230K內(nèi)存，顯示可達(dá)256K色，支持文字和圖形顯示，采用LED背光設(shè)計(jì)，可通過(guò)軟件調(diào)節(jié)背光亮度。此外，它還內(nèi)置簡(jiǎn)體中文字庫(kù)，支持2D的BTE引擎和幾何圖形加速引擎，可對(duì)顯示對(duì)象進(jìn)行復(fù)雜的操作，如畫面旋轉(zhuǎn)、卷動(dòng)、圖形Pattern、雙層混合顯示和文字放大等，大大增強(qiáng)了顯示屏的顯示能力。

2.2.3 四線電阻觸摸屏

四線電阻觸摸屏是一種常見(jiàn)的觸摸屏類型，其基本原理是當(dāng)手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏?xí)r，所觸摸的位置（以坐標(biāo)形式）由觸摸屏控制器檢測(cè)，并通過(guò)接口送到微控制器，從而確定輸入的信息。本方案利用STM32F103自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)觸摸屏控制器的功能，直接控制四線電阻觸摸屏，檢測(cè)觸摸信息并計(jì)算出觸點(diǎn)坐標(biāo)。

三、硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件模塊連接

液晶觸摸顯示屏系統(tǒng)主要由微控制器STM32F103、TFT液晶屏模塊、四線電阻觸摸屏以及與外界通信的CAN總線接口組成。硬件模塊連接如圖2所示。

圖2 硬件模塊連接圖

四線電阻觸摸屏的觸摸檢測(cè)裝置安裝在TFT液晶屏前面，用于檢測(cè)用戶觸摸的位置。STM32F103通過(guò)I/O口與四線電阻觸摸屏直接連接，實(shí)現(xiàn)觸摸屏控制器的功能，檢測(cè)觸摸信息并計(jì)算出觸點(diǎn)坐標(biāo)。然后，STM32F103通過(guò)I/O接口與TFT液晶屏模塊通信，將處理好的有效信息通過(guò)TFT液晶屏顯示出來(lái)。由于STM32F103內(nèi)置CAN總線控制器，所以CAN總線接口可以直接從STM32F103的管腳引出，用于與EMS進(jìn)行通信，完成信息采集、設(shè)置參數(shù)等功能。

3.2 STM32F103與四線電阻觸摸屏的接口電路

STM32F103與四線電阻觸摸屏直接通過(guò)自身的I/O口連接，實(shí)現(xiàn)觸摸屏控制器功能。其中，PA8、PA9、PA10、PA11分別作為四個(gè)三極管的控制端，通過(guò)控制三極管通斷，來(lái)控制四線觸摸屏的Y+、Y-、X+、X-。PA1和PA2是兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道，分別連接Y+和X+，用于計(jì)算觸摸點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)。PA3連接內(nèi)部中斷，用于檢測(cè)觸摸屏是否有觸摸動(dòng)作。

觸摸屏平時(shí)運(yùn)行時(shí)，令PA8、PA9、PA11輸出0，PA10=1，即只讓VT2導(dǎo)通。當(dāng)有觸摸動(dòng)作時(shí)，D1導(dǎo)通給PA3一個(gè)中斷信號(hào)，STM32F103接收到中斷請(qǐng)求后立即置PA8=1，導(dǎo)通VT1，這樣在Y+、Y-方向上就加上電壓，同時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換通道PA2，通過(guò)輸入X+上電壓計(jì)算出觸摸點(diǎn)的Y坐標(biāo)。然后同理令PA8、PA10為0，PA9、PA11為1，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換通道PA1，通過(guò)輸入Y+上電壓計(jì)算出觸摸點(diǎn)X的坐標(biāo)。

四、軟件設(shè)計(jì)

4.1 觸摸屏驅(qū)動(dòng)

觸摸屏驅(qū)動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)觸摸信息的檢測(cè)和觸點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算。當(dāng)觸摸屏被觸摸時(shí)，STM32F103通過(guò)I/O口檢測(cè)到觸摸動(dòng)作，并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，讀取觸摸點(diǎn)的電壓值，通過(guò)計(jì)算得到觸摸點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)。

4.2 液晶顯示驅(qū)動(dòng)

液晶顯示驅(qū)動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)信息的顯示功能。STM32F103通過(guò)I/O接口與TFT液晶屏模塊通信，將處理好的有效信息發(fā)送到TFT液晶屏上顯示出來(lái)。TFT液晶屏模塊支持文字和圖形顯示，可根據(jù)需要設(shè)置顯示內(nèi)容和格式。

4.3 CAN總線通信

STM32F103內(nèi)置CAN總線控制器，可以通過(guò)CAN總線接口與EMS進(jìn)行通信。通過(guò)CAN總線，可以實(shí)現(xiàn)信息的采集、設(shè)置參數(shù)等功能。CAN總線通信具有高速、可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于電動(dòng)車電池能量管理系統(tǒng)的通信需求。

五、主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用

5.1 主控芯片型號(hào)

本設(shè)計(jì)方案采用的主控芯片是STM32F103。STM32F103是STMicroelectronics公司推出的一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能、低功耗的32位單片機(jī)。它擁有豐富的外設(shè)資源和強(qiáng)大的功能，能夠滿足電動(dòng)車電池能量管理系統(tǒng)（EMS）液晶顯示觸摸屏的設(shè)計(jì)需求。

5.2 主控芯片在設(shè)計(jì)中的作用

1. 觸摸屏控制：STM32F103通過(guò)I/O口與四線電阻觸摸屏直接連接，利用自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能檢測(cè)觸摸信息并計(jì)算出觸點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)觸摸功能。

2. 液晶顯示控制：STM32F103通過(guò)I/O接口與TFT液晶屏模塊通信，控制實(shí)現(xiàn)顯示功能。它可以根據(jù)需要設(shè)置顯示內(nèi)容和格式，實(shí)現(xiàn)文字和圖形的顯示。

3. CAN總線通信：STM32F103內(nèi)置CAN總線控制器，可以通過(guò)CAN總線接口與EMS進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息的采集、設(shè)置參數(shù)等功能。CAN總線通信具有高速、可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于電動(dòng)車電池能量管理系統(tǒng)的通信需求。

4. 數(shù)據(jù)處理：STM32F103可以接收來(lái)自觸摸屏和CAN總線的信息，進(jìn)行處理和分析，然后將處理結(jié)果發(fā)送到TFT液晶屏上顯示出來(lái)。同時(shí)，它還可以根據(jù)需要對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

六、結(jié)論

本文提出了一種基于STM32F103單片機(jī)的用于電動(dòng)車電池能量管理系統(tǒng)（EMS）的液晶顯示觸摸屏設(shè)計(jì)方案。該方案以STM32F103為核心控制器，通過(guò)I/O口與四線電阻觸摸屏相連，利用自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能檢測(cè)觸摸并計(jì)算觸點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)觸摸功能；同時(shí)，通過(guò)I/O接口與TFT液晶屏模塊通信，控制實(shí)現(xiàn)顯示功能。該方案具有硬件連接簡(jiǎn)單、軟件實(shí)現(xiàn)方便、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適用于電動(dòng)車電池能量管理系統(tǒng)的液晶顯示觸摸屏設(shè)計(jì)。

通過(guò)本文的設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車電池能量管理系統(tǒng)的液晶顯示觸摸屏的智能化和人性化操作，提高用戶的使用體驗(yàn)。同時(shí)，該方案還可以為其他類似系統(tǒng)的液晶顯示觸摸屏設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

在未來(lái)的研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化觸摸屏的驅(qū)動(dòng)算法和液晶顯示的顯示效果，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。此外，還可以考慮將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)更加智能和個(gè)性化的操作體驗(yàn)。