基于ARM9的触摸屏控制器系统硬件模块设计与实现(use)

中国西部科技２０１１年０８月（中旬）第１０卷第２３期 总 第２５６期基于ＡＲＭ９的触摸屏控制器系统 硬件模块设计与实现马 雅（洛阳机车技师学院，河南 洛阳 ４７１０００） 摘 要：随着我国工业化的高速发展，对工业自动控制的要求也在不断地增长和提高。

触摸屏，作为一种可视化的人机 接口，以其小体积和高可靠性的特点逐步取代传统的按钮控制和仪表监控，成为工控界人机接口的主流。

本文以模 块化 和结构化的思想设计为基础，分析了触摸屏控制器中的主要硬件模块，给出了硬件设计方法及电路实现。

关键词：控制器；硬件；模块化；设计 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６３９６．２０１１．２３．０１６ １ 系统硬件总体结构 嵌入式系统的硬件结构通常是由处理器、存储器、 Ｉ／Ｏ接口、网口等相关外围设备组成。

本文开发的触摸屏控 制器有针对性较强的应用背景。

出于对工业自动化控制系统 性能需求等多方面因素的考虑，需选用一款具有硬件资源丰 富、功能强大、易于系统扩展、抗干扰性强等特点的微处理 器为核心，进而完成对触摸屏控制器的设计与开发。

具有ＡＲＭ９２６ＥＪ－Ｓ内核的ＡＴＭＥＬ ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１处理器是目 前嵌入式领域较受好评的工业级微处理器之一，以它为核 心建成工业自动控制系统的嵌入式平台，实现工业现场的 各种控制功能是非常合适的。

本系统的硬件设计主要基于核心处理器的各个基本功 能模块，辅以外围接口电路完成。

根据触摸屏系统的应用 方向及功能需求，有针对性地对各种外设进行了扩展，包 括以太网接口、大容量存储器等功能。

同时ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１处 理器提供了非常丰富的外围接口控制器，但是在设计过程 中需要有取舍性地应用，对于在触摸屏控制器中并无实际 用途的功能模块本系统未予以实现，比如ＭＣＩ、ＳＰＩ等。

系 统硬件结构如图１所示。

电源 JTAG USBDevice RS232调 试串口 AT91SAM 9261 USBHost硬件平台主要组成部分如下：（１）核心处理器。

处理 器的性能决定了整个触摸屏设备的性能高低，是整个系统 的心脏。

根据系统的 需求，选用了业界第一款删９２６ＥＪ．Ｓ微 内核构建的工业级微控制器ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１。

ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１作 为系统的中央处理器完成主要的运算功能和控制功能，并 提供基本的外围接口电路和设备控制器，能够有效减少外 围设备芯片，提高系统的可靠性和抗干扰性。

（２）存储模 块 。

存 储 模 块 主 要 包 括 了 ６４ＭＢ的 ＳＤＲＡＭ、 ６４ＭＢ的 ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ和４ＭＢ的ＮＯＲ ＦＬＡＳＨ。

由它们构成的大容量存储系统为 触摸屏设备复杂多变的人机交互和以大量数据分析为基础 的工业控制提供了存储保障。

（３）以太网模块。

嵌入式以 太网可以远程传输监控信息和操作命令，实现工业控制的 网 络 化 ， 并 可 以 实 现 系 统 的 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ在 线 更 新 。

（ ４ ） ＵＳＢ主从模块。

ＵＳＢ主控制器可以连接ＵＳＢ鼠标、ＵＳＢ键盘等 输入设备和Ｕ盘等存储设备；ＵＳＢ从设备接口可以使工业触 摸屏与ＰＣ机相连，以实现组态画面和系统软件的下载更 新。

（５）ＬＣＤ显示模块。

ＬＣＤ显示器负责信息的图形化显 示。

（６）触摸屏模块。

提供了除鼠标，键盘外的另一种简 便的人机交互方式。

（７）键盘模块。

采用４×４的键盘设 计，方便０～９数字及一些功能键的输入。

（８）串口模块。

包括调试串口和通信串口，可以用来进行软硬件调试及串 口通信。

（９）ＪＴＡＧ模块。

通过连接仿真器可以实现系统的 调试功能，并可以通过仿真器更新系统。

（１０）电源模 块。

负责整个设备的电源管理，复位控制。

２ 系统硬件模块的设计与实现 ２．１ 模块 ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１集成了ＬＣＤ控制器，通过外接ＬＣＤ构成触摸 屏控制器的显示模块。

ＬＣＤ控制器支持单扫描和双扫描模式 的单色或彩色ＳＴＮ屏，也支持单扫描模式的ＴＦＴ屏。

对于单 色的ＳＴＮ屏，通过扫描抖动算法及帧速率控制机制可支持高 达１６级灰度。

对于彩色的ＳＴＮ屏，可产生高达４０９６种颜色。

该ＬＣＤ控制器有一个显示输入缓冲器（ＦＩＦＯ），通过配置可支 持多种不同的规格，例如：高达２０４８×２０４８的分辨率、像 素深度（１，２，４，８，１６，２４位）、数据线宽度（４，８，１６或SDRAM Nor Flash NandFlashRS232标 准串口LCD 触摸屏 矩阵 RJ45图１系统硬件结构图收稿日期： ２０１１－０６－１０ 修回日期：２０１１－０６－２８ 作者简介： 马雅（１９７２－），女，河南洛阳籍，大学本科，助理讲师，研究方向为电器自动控制。

30开 发 应 用２４位）和各种接口时序等。

ＬＣＤ控制器有ＤＭＡ控制器，可以不 经处理器直接读取显示缓存中的数据，加速了ＬＣＤ的显示。

ＬＣＤ采用夏普公司的６４０×４８０的ＴＦＴ屏，最高可以支持 ２４位的像素深度。

ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１与ＬＣＤ的接口电路如图２所示。

ＬＣＤ控制器通过ＬＣＤＤ［２３：０］把像素点数据送给ＬＣＤ屏显示，其 中的时序由ＬＣＤＤＯＴＣＫ、ＬＣＤＤＥＮ、ＬＣＤＨＳＹＮＣ和ＬＣＤＶＳＹＮＣ等信号 来控制。

引线分成ＫｅｙＩｎ和ＫｅｙＯｕｔ两组，行里的是ＫｅｙＯｕｔ组，列里的 是ＫｅｙＩｎ组。

ＫｅｙＩｎ组每根引出线上都有上拉电阻，当没有 点接触时，ＫｅｙＩｎ组上的信号是高电平。

ＣＰＵ通过对ＣＰＬＤ的 片选和读写，把行信号通过数据总线和ＣＰＬＤ后传给触摸屏 的ｋｙＯｕｔ组。

初始时ＫｅｙＯｕｔ组上的信号为低电平。

当有点接 触时，ＫｅｙＩｎ组上的某根或几根引线上的信号变成低电平， 经ＣＰＬＤ后，转变成中断信号输入给ＣＰＵ，从而触发ＣＰＵ的中 断。

２．３ 以太网模块 在 触 摸 屏 设 备 中 ， 由 于 ＪＴＡＧ的 下 载 速 度 有 限 ， 而 ＷｉｎＣＥ５．０操作系统映像又比较大，所以以太网接口可以用 来下载操作系统映像，进行系统的更新。

同时以太网接口 在ＷｉｎＣＥ５．０操作系统的开发过程中也是重要的调试通道。

另 外 ， 可 以 在 ＷｉｎＣＥ５．０下 进 行 网 络 通 信 等 。

由 于 ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１内部没有集成网络控制器，因此需要增加网络 芯片完成相关功能。

本系统采用ＤＭ９０００以太网芯片，ＤＭ９０００是完全综合、 低成本的单一快速以太网控制芯片，具有通用处理器接 口，１０／１００Ｍ自适应，１６Ｋ字节静态存储器作为发送和接收 的缓冲区；支持８位、１６位、３２位的接口来适应不同处理器 对其内部存储器的访问；完全支持ＩＥＥＥ８０２．３规格，支持 ＩＥＥＥ８０２．３全 双 工 的 流 控 制 。

ＤＭ９０００通 过 ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１的 ＮＣＳ２片选。

２．４ 存储模块 ２．４．１Ｆｌａｓｈ存储模块 Ｆｌａｓｈ存储器是一种可在系统（Ｉｎ－Ｓｙｓｔｅｍ）进行擦／写， 掉电后信息不会丢失的存储器。

它具有低功耗、大容量、 擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程（ＩＳＰ）擦除等特 点，可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在嵌入 式系统中得到了广泛的应用。

作为一种非易失性存储器， Ｆ１ａｓｈ在嵌入式系统中通常用于存放程序代码、操作系统映 像、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据 等。

目前常用于嵌入式系统的Ｆｌａｓｈ主 要 有 ＮＯＲ Ｆｌａｓｈ和 ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ两种。

ＮＯＲ和ＮＡＮＤ是现在两种主要的非易失性闪 存技术。

ＮＯＲ的特点是芯片内执行（ＸＩＰ，ｅＸｅｃｕｔｅ Ｉｎ Ｐｌａｃｅ）， 应用程序可以直接在Ｆｌａｓｈ闪存内运行，不必再把代码先读 到系统ＲＡＭ中。

ＮＯＲ的传输效率很高，在１～４ＭＢ的小容量时 具有很高的成本效益，但是较低的写入和擦除速度影响了 它的性能。

ＮＡＮＤ结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密 度 ， 写 入 和 擦 除 的 速 度 也 很 快 。

应 用 ＮＡＮＤ的 困 难 在 于 Ｆｌａｓｈ的管理和需要特殊的系统接口。

Ｆｌａｓｈ闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单 元块进行擦除和再编程。

任何Ｆｌａｓｈ器件的写入操作只能在 空或已擦除的单元内进行，所以在进行写入操作之前必须 先执行擦除操作。

本系统选择ＮＯＲ ＦＬＡＳＨ作为Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ和用户需要掉电 保存的数据的存储设备，选择ＮＡＮＤＦｌａｓｈ作为操作系统映像 及其它代码和数据的存储设备。

ＮｏＲ Ｆｌａｓｈ选用的是ＳＳＴ的 ３９ＶＦ６４０１，容量为４Ｍ，１６位的数据宽度。

ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ选用 （下转第３９页）31图２ ＬＣＤ显示电路框图２．２ 触摸板模块 触摸板是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方 式，具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等 许多优点。

用户只要轻轻碰触设备显示屏上的画面或文字 就能实现对主机的操作，非常人性化，符合人类的思维。

触摸板输入以其人机交互简便性，逐渐取代传统的鼠标、 键盘等人机交互设备。

考虑到工业环境的恶劣性，根据实 际的需要，本课题选用了数字式触摸板作为人机界面设备 的主要输入设备。

数字式触摸板价格低廉，性能稳定，装 配简易，不需外接控制器，无漂移，不需要重新定位，这 些特性都使得数字式触摸板成为恶劣的工业环境的触摸输 入的首选。

数字式触摸板的构造是由两层高透明的导电层组成， 通常下层是玻璃或薄膜材料的导电ＩＴＯ层，上层是薄膜材料 的导电ＩＴＯ层，中间有细微绝缘点隔开。

引线可以从玻璃或 薄膜片引出，引线一般设计成行列式。

当触摸板表面无压 力时，上下层是互相绝缘的两层导体，一旦有压力施加到 触摸板上，上下层就会互相接触，从而形成一个回路，相 当于一个开关。

因而数字式触摸板的输出一般为两种状 态：导通和不导通。

由于触摸板上下两层采用贴合密封， 信号的产生是在夹层中间，所以它可以不受尘埃、水、污 物的影响，使用性能佳。

触摸板与ＣＰＬＤ相连，并由ＡＴ９１ＳＡＭ９２６１的ＮＣＳ４片选。

ＣＰＬＤ充当了触摸板控制器的角色。

数字式触摸板的引线全 部连接到ＣＰＬＤ上，由ＣＰＬＤ对数字式触摸板的输入输出进行 控制。

根据数字式触摸板的结构，把数字式触摸板的行列开 发 应 用４ 程序编制 选 取 工 件 材 料 为 ４５钢 或 铝 ， 毛 坯 尺 寸 ８１ｍｍ×８１ｍｍ× ３０ｍｍ（光坯）。

因为￠７０与￠４０两部位加工的编程比较简 单，在此认为已加工完成。

圆轴端面加工的程序如表２所 示，采用Ｒ３球刀进行加工，程序结构采用双重循环 。

５ 加工验证 在配有华中世纪星铣床数控系统（ＨＮＣ－２１Ｍ）的数控铣 床上加工 ，结果如图３所示。

６ 结束语 借助ＵＧ软件平台，把刀具路径直观地表示出来，表达 式中的方程对编制宏程序又可作为重要参考。