基于Stellaris ARM Cortex-M3 MCU 的人机接口

基于StellarisARMCortex-M3MCU的人机接口(HumanMachineInterface)方案介绍ReaganZhou/ZagLu/JunhuiJi合众达电子,SEEDInternational议程•人机接口(HMI)设计简介•SEED-IDM9B9X方案介绍人机接口(HMI)的应用范围•应用于消费类电子车载显示手机，特别是智能手机便携式音频及视频播放器•应用于工业(嵌入式)工厂控制工业自动化系统家居、楼宇控制人机接口(HMI)•嵌入式HMI可应用于简单的按键和字符显示2维图形界面显示、触摸屏控制3维图形及视频显示屏•嵌入式通信接口可包含串行接口（RS232，RS485）IICSSICANUSBEthernetHMI硬件架构10/100EthernetUSBI2SCANControllerAreaNetworkI2C,SSI,UARTSitara™Stellaris®USBUSB/GPIO显示/用户输出用户输入设备(或者用触摸屏输入)MCU或者MPU+Memory通信接口:串口,以太网,CAN,USBHMI软件架构用户输入数据处理用户输出嵌入式网页服务器(可选的)RTOS或OS设备驱动用户界面导航USBCANI2CUARTSSI10/100Ethernet评估套件1客户化定制2量产3设计HMI流程产品Stellaris模块现成模块、可直接集成到产品的模块StellarisMCUs使用我们的开放式工具进行软件和硬件设计产品定制、调试你的开发板使用任何的ARMCortexM3JTAG仿真器+第三方工具Stellaris评估板Stellaris开放式工具的参考设计10-pin到20-pinJTAG转接头接口选择•Stellaris微控制器没有自带LCD驱动器，所以需要外扩LCDDriver。有如下选择：串行接口：常用I2C或SPI.并行接口：简单的主机类型系统，可以使用8位或16位数据形式，通过高速GPIO（位操作）或者EPI接口。•寻找大于4英寸的集成控制IC比较困难。在很多情况下，需要使用自定义显示来满足需求。•如果没有集成的控制器，一个独立的控制器支持的微控制器接口芯片可以放置在微控制器和显示器面板之间。接口选择-串行StellarisMCUSSII2CLCD控制器•显示控制芯片最常见的接口是SSI/SPI和I2C.•优点:较少的信号线,合适的速度(SSI,可达系统时钟的½系统时钟)缺点:速度比较慢(I2C),大尺寸屏幕不常用•例子:EK-LM3S2965,EK-LM3S6965,EK-LM3S8962,EK-LM3S811方案1:带LCD驱动器的屏方案2:LCD控制器+屏或内部集成电路接口(I2C)和同步串行接口(SSI)内部集成电路接口(I2C)•I2C总线上的设备可以设计为主机或从机，每个模块支持同时发送和接口数据，也支持作为主机和从机的同步操作•4中I2C模式:−主机发送：主机接收−从机发送：从机接收•Stellaris®I2C模块能够运行在两种速度下：标准(100Kbps)和快速(400Kbps).•I2C主机模式和从机模式均能产生中断−I2C主机在发送或接收操作完成（或由于错误中止）时产生中断−I2C从机在主机已向其发送数据或发出请求时产生中断.同步串行接口•TheStellaris®SSI模块有以下特性:−主机或从机操作模式−主机时钟可达系统时钟的1/2(25Mb@50MHz)−从机时钟可达系统时钟的1/12(4.1667Mb@50MHz)−时钟位速率和预分频可编程−独立的发送和接收FIFO，16位宽，8个单元深−FreescaleSPI,MICROWIRE,或TexasInstruments同步串行接口的操作可编程−数据帧大小可编程，范围为4~16位−内部回送测试(loopbacktest)模式，可进行诊断/调试测试接口选择–并行StellarisMCUGPIOEPIDisplayControllerIC•显示控制器芯片通常支持的并行接口为8/16位6800或8080兼容接口•优点:由于是并行传输，速度快缺点：资源消耗大，需要较多引脚•例子:EK-LM3S3748,DK-LM3S9B96,所有RDK-IDM板卡方案1:带LCD驱动器的屏方案2:LCD控制器+屏或Stellaris外设I/O接口•可编程控制GPIO引脚配置•所有的GPIO能够配置成外部中断•引脚位寻址•快速输出切换：切换速率可达1/2CPU时钟•输入/输出可承受5V电压•单片最多高达72个GPIO口•可编程驱动能力2mA4mA8mA8mA带斜率控制•可编程弱上拉或弱下拉电阻•使能开漏(opendrain)状态•数字输入使能GPIO开关速率比较Togglerate=CPUClk/2OutputFreq=CPUClk/4Togglerate=CPUClk/7OutputFreq=CPUClk/14StellarisARM7外扩总线(EPI)•支持多种类型设备机器到机器:宽并行接口用于快速通信例如,CPLDsandFPGAs数据宽度可达32位，数据速率可达150Mbytes每秒可选地址大小从4位到20位可选时钟输出，读写频率，和时钟使能输入•其他特性普通并行GPIO，快速控制的FIFO用于普通外设和数字控制阻塞和非阻塞读取写FIFO和处理器在时间上独立直接内存访问(DMA)接口选择–为什么不直接驱动?•液晶显示器的接口在理论上可以从微控制器直接驱动，只要我们有足够的管脚。•如果现在没有控制器IC，每个像素需要刷新多次来避免屏幕闪烁(典型是60)•写入的像素数据需要存在本地，假设16位色彩，就是说每个像素点16位，简单例子如：屏幕:320x240,16位色彩假设:单周期GPIO写数据，忽略VSYNC和HSYNC,信号需要3个GPIO口(2个数据线，1个控制线)320*240=76,800像素16位色彩=76,800x16位(2字节)=153,600字节每帧76,800*3周期(每个GPIO口写算1个周期)=230,400周期60fps=230,400*60=13,824,000周期接口选择–为什么不直接驱动?•从上面的例子看，它需要13,824,000个周期每秒，这些时间仅仅把数据放入了显示缓存区这里还没有考虑到帧缓冲内存访问而且还没有考虑HSYNC和VSYNC.•Stellaris设备没有足够的内部SRAM在本地存储显示用的缓存外部的慢速存储器用来存贮帧缓存假设每4个时钟周期1个像素(位并行接口，通过EPI),这样就额外需要18,432,000时钟每秒。而现实中，大多数访问都超过4个时钟。•当需要读取外部存储器和精确地同步信号时，画一些简单的帧缓冲区已经消耗了CPU的大部分时间。SEED-IDM9B9X方案介绍以太网USBCAN&IICSD卡音频DB9串口8MBSDRAM1MBFlash3.5寸真彩触摸屏双Jtag口用户扩展I/O口板卡硬件为HMI做的优化•8MByteSDRAM可以作为显示用缓存存储器，LM3S9B9X可以支持最大64MB大小和50MHz的速度。•1MB的外扩Flash可以存放标准汉字库等数据及程序。•3.5寸16位真彩触摸屏，可以适用大部分工业HMI场合。•USBA型接口，可以接鼠标、WIFI模块、3G模块、U盘等从设备，也可以通过配置，将其配置成从设备接PC。•硬件支持同步以太网（LM3S9B96），方便联网的工业设备实现时钟同步校准•CAN接口以及IIC接口引出，方便联网。•标准DB9串口接口，方便扩展Wifi模块以及其他标准DB9接口模块。•音频接口扩展，可以实现录音、回放、音乐播放等功能。•SD卡接口，可以存放图片、波形等信息文件。•用户扩展I/O,板上用IIC扩展了8个用户I/O供客户使用。如果客户需要更多的I/O,可用CPLD或FPGA扩展，合众达可为其提供相应参考设计。•双Jtag接口，方便CCS和IAR/Keil原有用户开发。•更多更大的屏驱设计（800*600分辨率）方案正在设计中。配套软件为HMI做的优化•TI丰富的图形界面库，以源代码形式开放。客户通过修改即可简单完成自己的人机界面程序，节省了大量的软件开发时间。•ROM中固化了Stellarisware软件库。•RTOS：‹每个LM3S器件，都支持FreeRTOS操作系统（免费的，无版权问题）‹LM3S1968/2965/3748/6965/8962/9B90移植UCOSII,正在移植给其他产品。都已经已经‹LM3S9B96的ROM中固化了SafeRTOS，经过了IEC61508和FDA510(k)的认证。省去65K美金的购买费用。•TCP/IP协议栈:‹所有支持以太网的TIM3都完成了lwIP和uIP的协议栈。•合众达专业的技术团队可以帮助客户一起完成基于相应行业的人机界面，欢迎来电咨询并合作。LM3S9B96的ROM中固化了SAFERTOS•在ROM中集成高度完整的RTOS•可作为一个标准的操作系统，或者作为需要CanbeusedasastandardoperatingIEC61508或FDA510(k)认证应用的一部分•RTOS价值$65k，但使用LM3S9B96•是免费的•集成的硬件/软件解决方案，缩短产品上市时间，并大大降低了工业和医疗应用的成本•创新的设计保证将WITTENSTEIN提供完整的密钥和处理文件分开图形库示例PrimitivesRadioButtonsCheckboxCanvasPushButtonsContainerSecurityKeypadBLDCTouchscreenMotorControllerSEED-IDM9B9X板卡使用教程视频正在录制中，很快会在TIE2E工程师社区中发布……谢谢！