基于STM32嵌入式开发板的人机交互界面2

基于ＳＴＭ３２嵌入式开发板的人机交互界面设计

摘要

论文介绍了一种基于嵌入式开发板的人机交互界面设计，此界面利用STM32F103嵌入式开发板作为主控制器，完成类似于智能手机界面及内部软件的设计。将我们生活中常常接触到的智能手机界面引入到嵌入式开发板上，是将现有成果重返原始开发板的一次设计过程，旨在加深对嵌入式开发板的理解以及加强对嵌入式操作系统的实际操作与开发能力。本界面主要包括电子相册，万年历以及计算器等软件，具有结构简单，使用方便，设计精美等特点。

关键词：STM32F103嵌入书开发板；人机交互界面；电子相册；万年历；计算器。

The man-machine interaction interface design based on STM32

embedded development board

ABSTRACT

Paper introduces a kind of human-computer interaction interface design based on embedded development board, this interface using STM32F103 embedded development board as the main controller, the finish is similar to the smart phone interface and the design of the internal software. Will be our life often come into contact with the smart-phone interface is introduced in the embedded development board, to return to the original development board is the existing results of a design process that aims to deepen the understanding of embedded development board and strengthen the practical operation of embedded operating system and development capabilities. The interface is mainly including electronic photo album, calendar and calculator software, it has a simple structure, easy to use, exquisite design etc.

Key words:STM32F103 embedded development board book; The human-computer interaction interface; Electronic photo album; Calendar; Calculator.

目录

1绪论 (1)

1.1 项目的研究背景及意义 (1)

1.1.1 嵌入式系统概述 (1)

1.1.2 触摸屏应用与发展综述 (2)

2 课题目标分析及系统总体方案 (3)

2.1 主流人机界面概况 (3)

2.2 设计目标 (4)

2.3系统体系结构 (5)

2.3.1硬件平台结构 (6)

2.3.4系统软件平台 (7)

3 硬件平台设计......................................... 错误！未定义书签。

3.1 核心电路设计........................................ 错误！未定义书签。

3.1.1 电源.......................................... 错误！未定义书签。

3.1.2 晶振和时钟 (12)

3.1.3复位电路 (13)

3.1.4存储器

3.2触摸屏电路设计

3.4.1 电阻式触摸屏基本原理 (16)

3.4.2 触摸屏硬件接口电路 (17)

4 下位机软件设计...................................... 错误！未定义书签。

4.1开发环境的设计过程.................................. 错误！未定义书签。

4.1.1 人际系统的组合………………………………………………………………

4.1.2阐述3类原型开发方式的不同………………………………………………

4.1.3 总体设计框架…………………………………………………………………

4.2核心程序分析 (20)

5人机界面的操作 (23)

5.1 主页................................................ 错误！未定义书签。

5.1.1 相册 (12)

5.1.2万年历 (13)

5.1.3计算器

6总结与展望 (30)

致谢 (32)

参考文献 (33)

附录 (34)

1 绪论

1.1项目的研究背景及意义

人机界面（Human Machine Interaction，简称HMI），又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。

中国人机界面市场的发展现状

中国是全球人机界面需求量最大的市场，但却不是全球人机界面产品销售额最高的市场，这说明，低端人机界面用户在中国占有很大的份额。近些年来民族品牌的迅速发展，采取低价格等策略，正在大举进攻低端市场，在国内已经占据了低端市场的优势地位，赢得了广大用户的认可。国际品牌也在逐渐研发其经济型产品，以抢占低端市场的份额。因此，由于在低端市场的稳扎稳打，国内的人机界面厂商整体业绩呈现出快速增长的状态。

人机界面不再是单纯的显示和控制

国内的自动化产业，一些原本不用人机界面的行业，也开始使用人机界面了，这说明人机界面已经成为客户体验的不可缺少的一部分，人机界面的用户界面能更好地反映出设备和流程的状态，并通过视觉和触摸的效果，带给客户更直观的感受。

人机界面未来的发展趋势

有些机械行业，比如说机床、纺织机械、电子设备等行业，在国内已经发展有几十年的历史了，相对来说属于比较成熟的行业，从长远看，这些行业还存在着设备升级换代的需求。在这个升级换代的过程中，确实会有一些小的、一直使用比较低端产品的厂家被淘汰掉，但也有很多企业在设备更新过程中，将需求重新定位，去寻找那些能够符合他们发展计划，帮助他们提高自身生产力的设备供应商。

鉴于这种需求，以后人机界面的改变，将在形状上、观念上、应用场合等方面都有所改变，从而带来工控机核心技术的一次次变革。总体来讲，人机界面的未来发展趋势是六个现代化：平台嵌入化、品牌民族化、设备智能化、界面时尚化、通讯网络化和节能环保化。

1.1.1 嵌入式系统概述

嵌入式系统是把计算机直接嵌入到应用系统中，它融合了计算机软/硬件技术、通信技术和微电子技术。随着微电子技术和半导体技术的高速发展，超大规模集成电路技术和深亚微米制造工艺已十分成熟，从而使高性能系统芯片的集成成为可能，并推动着嵌入式系统向最高级构建形式，即片上系统SOC（System on a Chip）的水平发展，进而促使嵌入式系统得到更深入、更广阔的应用。嵌入式技术的快速发展不仅使其成为当今计算机技术和电子技术的一个重要分支，同时也使计算机的分类从以前的巨型机/大型机/小型机/微型机变为通用计算机/嵌入式计算机（即嵌入式系统）。

1．嵌入式系统高级语言开发过程

嵌入式系统的软件开发过程如图1.2所示。首先，每一个源文件都必须被编译或汇编成一个目标文件；然后，产生所有的目标文件被链接成一个目标文件，即为可重定位程序；最后，进行重定位，把

物理存储器地址指定给可重定位程序，产生一个在嵌入式系统上的可执行二进制映像文件。

Ada 编译器目标文件

C/C++

编译器

目标文件

汇编语言

汇编器

目标文件

链接器

可重定位程序

定址器

可执行文件

图1.1 嵌入式系统的软件开发过程

嵌入式系统是集成电路发展过程中的一个标志性成果，它把计算机直接嵌入到应用系统中，融合了计算机软/硬件技术、通信技术和微电子技术，是一种微电子产业和信息技术产业的最终产品。微电子产业是许多国家优先发展的产业。以超深亚微米工艺和IP核复用技术为支撑的系统芯片技术是国际超大规模集成电路发展的趋势和21世纪集成技术的主流。

通常，计算机连同一些常规的外设是作为独立的系统而存在的，而并非为某一方面的专门应用而存在。例如一台PC机就是一个计算机系统，整个系统存在的目的就是为人们提供一台可编程、会计算、能处理数据的机器。可以用它作为科学计算的工具，也可以用它作为企业管理的工具。所以，人们把这样的计算机系统称为“通用”计算机系统。但是有些系统却不是这样。例如，医用的CT扫描仪也是一个系统，里面有计算机，但是这种计算机（或处理器）是作为某个专用系统中的一个部件而存在的，其本身的存在并非目的而只是手段。像这样“嵌入”到更大的、专用的系统中的计算机系统，就称之为“嵌入式计算机”、“嵌入式计算机系统”或“嵌入式系统”。从字面上讲，后者似乎比前者更为广义，因为系统中常常还包括一些机电、光电、热电或者电化的执行部件，但是实际上却往往不作严格的区分。在不致引起混淆的情况下，一般把这三者用作同义词，并且一般总是指系统中的核心部分，即嵌入在系统中的计算机。

不过，虽然计算机在整个大系统中只是一个部件，却通常起着相当于“大脑”的作用。所以事实上所嵌入的计算机就是整个系统的核心，而系统中的其他部件则是其外部设备。只不过这些外部设备不同于常规的计算机外部设备，而所嵌入的计算机的作用和目的又只限于对这些外部设备的控制和管理而已。所以也可以说，常规的计算机系统是面向计算（包括数值和非数值）和处理的，而嵌入式计算机则一般是面向控制的。

所谓将计算机“嵌入”到系统中，一般并不是指直接把一台通用计算机原封不动地安装到目标系统中，也不只是简单地把原有的机壳拆掉并安装到机壳中，而是指为目标系统构筑起合适的计算机系统，再把它有机地植入、甚至融入目标系统。

虽然嵌入式系统在工业、服务业、消费电子等领域的应用范围不断扩大，且已渗透到人们日常生活的方方面面，但是依然很难给它下一个明确的定义。嵌入式系统本身是一个外延很广的名词，凡是与产品结合在一起的、具有嵌入式特点的控制系统都可以叫做嵌入式系统。国际电工与电子工程师协会（即IEEE）曾经把嵌入式系统定义为“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。显然该定义具有突出的应用色彩，不过现在看来，似乎并未充分体现嵌入式系统现今的学术内涵。目前国内普遍认同的嵌入式系统的定义是“嵌入式系统是将计算机嵌入到某个应用系统内的一种计算机体系结构形式”。换言之，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件能灵活变化以适应所嵌入的应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。简言之，嵌入式系统就是嵌入式计算机系统的简称。

从20世纪80年代初，嵌入式系统的研发开始用商业级“操作系统”编写嵌入式应用软件，结果使嵌入式应用的开发周期缩短、成本降低。这些嵌入式操作系统均具有嵌入式技术的典型特点：采用占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，且具有可剪裁性、可扩充性和可移植性，可以移植到各种型号的微处理器（单片机）上；具有较强的实时性和可靠性，适合于嵌入式应用。20世纪90年代以后，随着诸多应用领域对嵌入式系统实时性要求的提高，各种应用软件的规模不断扩大，又促使嵌入式系统的实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS ），并作为一种软件平台逐步演变为目前国际上流行的嵌入式操作系统。

在嵌入式操作系统迅速发展的同时，系统芯片的制造与设计技术也在不断进步。系统芯片就是把一个完整的最终产品的主要功能单元集成到一块或一组大规模集成电路芯片上，这是现代集成电路工艺技术——深亚微米技术迅速发展的必然结果。系统芯片制造技术发展主要体现在硅圆片的尺寸逐渐增大，硅晶片的特征线宽逐步减小，同时芯片的集成度不断提高。系统芯片技术的发展，使得嵌入式系统硬件进一步向微型化、高集成化发展，从而为嵌入式系统的应用开辟更为广阔的天地。

2．嵌入式系统的编程特点

嵌入式系统处理的对象往往比较多，也比较复杂，为此，系统往往把这些对象作为任务的软件模块来处理；另外，系统对实时性的要求也比较高，用来快速响应各种事件的处理。嵌入式操作系统的内核虽然都不大，但一般都具有实时处理和多任务调度的功能，故有很多嵌入式操作系统也称为实时多任务操作系统RTOS 。

嵌入式系统在嵌入式操作系统支持下编程的框架如图1.3所示。在Intel XScale 处理器系统的LCD 液晶上定时闪烁“Hello World ”，并通过串口向主机发送。

在嵌入式系统上安装了操作系统后，还必须配备相应的设备驱动程序。有的设备驱动程序在操作系统安装时已生成，有的则需根据某些设备的特性来编写。然后，根据应用的要求编写相应的任务。因此，安装了操作系统以后，需配备LCD 驱动、Timer 驱动和串行口驱动程序来实现LCD 显示、定时闪烁和主机通信的功能，用户在此基础上编写闪烁LCD 显示任务和“Hello World ”字符发送任务。

硬件 软件 LCD

驱动 Timer 驱动 操作系统 串行口

驱动

闪烁LCD 任务

Hello World 任务

Intel XScale 处理器系统

图1.2 嵌入式系统的编程框架

1.1.2 触摸屏应用于人机界面的发展综述

触摸是人类最重要的感知方式,也是人机交互最自然的方式。近年来,手机、PDA 等便携式终端设备大规模地使用了触摸屏技术。移动地图的人机交互越来越受到重视,并且人机交互界面在不断地发展变化,而且朝着人性化、智能化的方向发展。分析触摸屏类型和发展趋势,总结出在触摸屏下的人机交互界面的新特点,结合地图认知和感受理论提出针对触摸屏的移动地图的人机交互界面设计原则。

触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要是公共信息的查询；如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询；城市街头的信息查询；此外应用于领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。将来，触摸屏还要走入家庭

随着使用电脑作为信息来源的与日俱增，触摸屏以其易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等优点，使得系统设计师们越来越多的感到使用触摸屏的确具有相当大的优越性。触摸屏出现在中国市场上至今只有短短的几年时间，这个新的多媒体设备还没有为许多人接触和了解，包括一些正打算使用触摸屏的系统设计师，还都把触摸屏当作可有可无的设备，从发达国家触摸屏的普及历程和我国多媒体信息业正处在的阶段来看，这种观念还具有一定的普遍性。事实上，触摸屏是一个使多媒体信息或控制改头换面的设备，它赋予多媒体系统以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。发达国家的系统设计师们和我国率先使用触摸屏的系统设计师们已经清楚的知道，触摸屏对于各种应用领域的电脑已经不再是可有可无的东西，而是必不可少的设备。它极大的简化了计算机的使用，即使是对计算机一无所知的人，也照样能够信手拈来，使计算机展现出更大的魅力。解决了公共信息市场上计算机所无法解决的问题。

2课题目标分析及系统总体方案

2.1 主流人机界面概况

人机界面是计算机科学和认知心理学两大学科相结合的产物，同时也吸收了语言学、人机工程学和社会学等学科的研究成果。经过40余年的发展，已经成为一门以研究用户及其与计算机的关系为特征的主流学科之一。

早期的人机界面是命令语言人机界面，人机对话都是机器语言。人机交互方式只能是命令和询问，通信完全以正文形式通过用户命令和用户对系统询问方式来完成，这一时期被认为是人机对峙时期。

随着硬件技术发展以及计算机图形学，软件工程，窗口系统等软件技术进步，图形用户界面产生并得到广泛应用。

多媒体技术的迅速发展为人机界面的进步提供契机，在原来只有静态媒体的用户界面中，多媒体技术引入了动画，音频，视频等动态媒体，特别是引入了音频媒体，大大丰富了计算机表现信息的形式，拓宽了计算机输出的带宽。同时，多媒体技术的引入也提供了人对信息表现形式的选择，控制能力，增强了信息表现与人的逻辑，创造能力的结合，拓展了人的信息处理能力。借助多媒体用户能提高接受信息的效率，所以，多媒体信息比单一媒体信息具有更大的吸引力，它更有利于人对信息的主动探索。

随后，多通道人机界面成为人机交互技术研究的崭新领域，在国际上受到高度重视。多通道用户界面的研究正是为了消除当前用户界面即多媒体用户界面通信带宽不平衡的弊病而兴起的。在多通道用户界面中，综合采用视线，语音，手势等新的交互通道，设备和技术，使用户利用多个通道以自然，并行，协作的方式进行人机对话，而机器则通过整合来自多个通道的精确的和不精确的输入来捕捉用户的交互意图，提高交互的自然性和高效性。

不过，人们还想更自然地“进入”到环境空间中去，形成人机“直接对话”，取得“身临其境”的体验，为此，又有了虚拟现实的人机界面。

计算机人机界面的发展经历了命令语言界面和图形用户界面,现在正向多媒体、多通道界面、虚拟现实用户界面发展.目前多媒体、多通道界面的发展已取得了一定的成果,让人们看到了自然人机交互的曙光,虚拟现实人机界面的发展虽刚刚起步,但作为一种新型人机交互形式,它比以往任何人机交互形式都有希望彻底实现和谐的、人机合一的交互局面.虚拟现实人机界面的发展预示着人机界面将会到达人所希望的完美境界。

2.2 设计目标

1.帅掉渣的滚动电子相册

2.你想都不敢想的万年历

3.宇宙超级无敌计算器

2.3系统体系结构

2.3.1硬件平台结构

本文提出了一种应用PXA255处理器和Windows CE操作系统搭建用于人机界面装置的嵌入式系统的实现方法。本课题采用了高速信号的硬件设计、嵌入式操作系统、通用串行总线等新技术,这些技术的采用使人机界面装置具有操作简单、体积小、时钟频率高、功耗低等优点。应用PXA255处理器和Windows CE操作系统建立的嵌入式系统设计推动了电子技术在工业领域的发展。

当前工业、医疗卫生、国防等各部门对智能控制的需求不断增长,用户在控制下位机的同时也希望随时得到他所需要的参数,人机界面就是一种可用于多个领域的监控设备,主要用途就是在控制过程中监视下位机和显示用户关心的各种参数。嵌入式人机界面装置集操作、显示于一身,优点是显示直观,使操作者从大量的按扭、参数设定器、指示灯和显示装置中解脱出来,从而提高了生产效率。本课题建立了以PXA255处理器为中心,搭配其它存储、通讯和多媒体等外围芯片的多功能硬件平台,同时用Windows CE操作系统的开发工具搭建一个可以运行在该硬件平台上的软件平台，该硬件平台和软件平台一起构成了嵌入式人机界面主体。

硬件设计部分讨论了如何围绕PXA255处理器进行系统的电路设计，存储器设计部分共分为静态存储器和动态存储器，并给出了各部分模块的地址分配表。系统中还有大量的外围电路模块 包括液晶显示、电源、网口、串口、存储卡、USB口和音频模块等部分。印刷线路板的绘制采用的是Cadence公司的CadencePSD制板软件,并给出了绘制印刷线路板的设计流程和注意事项。

软件部分讨论了如何围绕Windows CE建立适合于硬件系统的软件平台。微软的Windows CE是用于嵌入式系统的操作系统软件,是一个多平台、可裁剪的32位嵌入式操作系统。针对不同的硬件设备环境,可以在内核的基础上添加各种模块 从而形成一个定制的嵌入式操作系统。定制Windows CE过程是一个复杂的过程,需要四个主要步骤:设计启动初始化程序, 设计OAL层,设计驱动程序及编写系统配置文件,在硬件平台的启动初始化程序Bootloader的设计过程里,描述了Startup低层初始化程序的编写过程;在OAL层的设计中,需要设计从硬件地址到虚拟地址的地址分配表; Windows CE的驱动程序数量比较多,这里只描述了系统的触摸屏控制器驱动程序的设计。

2.3.4系统软件平台

界面设计是为了满足软件专业化标准化的需求而产生的对软件的使用界面进行美化优化规范化的设计分支。具体包括软件启动封面设计，软件框架设计，按钮设计，面板设计，菜单设计，标签设计，图标设计，滚动条及状态栏设计，安装过程设计，包装及商品化。

软件界面也称作UI（User Interface），是人机交互重要部分，也是软件使用的第一印象，是软件设计的重要组成部分。软件界面设计现在越来越被软件设计重视，所谓的用户体验大部分就是指软件界面的设计。

软件界面其中的主要部分即为UI。

UI(User Interface)即用户界面，也称人机接口。是指用户和某些系统进行交互方法的集合，这些系统不单单指电脑程序，还包括某种特定的机器，设备，复杂的工具等。User interface也可以称之为用户接口或人机接口，是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。它是介于使用者与硬件而设计彼此之间互动沟通相关软件，目的在使得使用者能够方便有效率地去操作硬件以达成双向之互动，完成所希望借助硬件完成之工作。用户接口定义广泛，包含了人机交互与图形使用接口，凡参与人类与机械的信息交流的领域都存在着用户接口。

软件设计可分为两个部分：编码设计与UI设计。编码设计大家都很熟悉，但是UI设计还是一个很陌生的词，即使一些专门从事网站与多媒体设计的人也不完全理解UI的意思。UI的本意是用户界面，是英文User和interface的缩写。从字面上看是用户与界面2个组成部分，但实际上还包括用户与界面之间的交互关系。

软件框架设计

软件的框架设计就复杂得多，因为涉及软件的使用功能，应该对该软件产品的程序和使用比较了解，这就需要设计师有一定的软件跟进经验，能够快速的学习软件产品，并且在和软件产品的程序开发员及程序使用对象进行共同沟通，以设计出友好的，独特的，符合程序开发原则的软件框架。软件框架设计应该简洁明快，尽量少用无谓的装饰，应该考虑节省屏幕空间，各种分辨率的大小，缩放时的状态和原则，并且为将来设计的按钮，菜单，标签，滚动条及状态栏预留位置。设计中将整体色彩组合进行合理搭配，将软件商标放在显著位置，主菜单应放在左边或上边，滚动条放在右边，状态栏放在下边，以符合视觉流程和用户使用心理。

人机界面包括的要点

要点：直接操作、界面模型、选单设计、信息呈现、设计隐喻等；

界面模型分为概念模型和心理模型。

心理模型：

通过对软硬件界面设备的交互之后，用户在意识层面对该系统所形成的模型，一般而言是自然逐步地形成，有时甚至会转化为一种习惯，通过与系统不断地交互，用户势必会不断修正其心理模型。

系统启动以后，首先完成时钟的初始化，采用外部8 MHz的晶振作为输入时钟，内部锁相环将时钟倍频到72 MHz作为系统时钟，完成GPIO的初始化，作为LCD驱动IO的通用IO口的时钟设置为50 MHz的推挽模式，接着完成硬件SPI1的初始化，SPI时钟频率设置为18 MHz，接着完成液晶的初始化，此过程是通过发送特定的命令序列来实现的，然后刷新显示背景颜色，设置字体颜色，通过上面的程序完成字库中汉字点阵序列的查询，将汉字点阵送液晶屏显示。

系统软件设计的流程图如图4所示

3 硬件平台设计

3.1 微控制器及其理论介绍

3.1.1 芯片总体描述

STM32F103RBT6增强型系列基于高性能的ARM Cortex-M3[3]，32位的RISC内核，工作频率72MHz，内置包高速存储器，包含128K Flash，20K RAM。丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口，多达两个I2C和SPI、3个USART[3]、1个USB和1个CAN还有很实用的FSMC[3]总线接口SDIO接口。

STM32F103RBT6增强型系列工作于-40℃至105℃的温度范围，供电电压2.0V至3.6V,一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。该芯片拥有64个引脚，其中51个引脚是IO引脚，每一个引脚都可以配置成中断输入接口,IO均支持位操作，端口可映射，先进的中断控制器NVIC[1]等等。丰富的IO资源加上灵活内部结构和先进指令集的支持使设计变得更加容易。

3.1.2典型应用场合

销售终端，身份识别设备，工业自动化，消费电子，建筑安防/消防/HVAC，医疗，通信领域，家电，仪器仪表等。

3.1.3典型外设及接口

1.SPI[3]串行外设接口

● 3线全双工同步传输

●带或不带第三根双向数据线的双线单工同步传输

● 8或16位传输帧格式选择

●主或从操作

●支持多主模式

● 8个主模式波特率预分频系数(最大为fPCLK/2)

●从模式频率 (最大为fPCLK/2)

●主模式和从模式的快速通信

●主模式和从模式下均可以由软件或硬件进行NSS管理 主/从操作模式的动态改变

●可编程的时钟极性和相位

●可编程的数据顺序MSB在前或LSB在前

●可触发中断的专用发送和接收标志

● SPI总线忙状态标志

●支持可靠通信的硬件CRC -在发送模式下CRC值可以被作为最后一个字节发送 -在全双工模式中对接收到的最后一个字节自动进行CRC校验

●可触发中断的主模式故障、过载以及CRC错误标志

●支持DMA功能的1字节发送和接收缓冲器 产生发送和接受请求

● MISO主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据 在主模式下接收数据。

● MOSI主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据 在从模式下接收数据。

● SCK串口时钟,作为主设备的输出,从设备的输入

● NSS从设备选择。这是一个可选的引脚,用来选择主/从设备。它的功能是用来作为“片选引脚”,

让主设备可以单独地与特定从设备通讯,避免数据线上的冲突。从设备的NSS引脚可以由主设备的一个标准I/O引脚来驱动。一旦被使能(SSOE位)NSS引脚也可以作为输出引脚,并在SPI处于主模式时拉低,此时,所有的SPI设备,如果它们的NSS引脚连接到主设备的NSS引脚,则会检测到低电平 如果它们被设置为NSS硬件模式,就会自动进入从设备状态。当配置为主设备、NSS配置为输入引脚(MSTR=1,SSOE=0)时,如果NSS被拉低,则这个SPI设备进入主模式失败状态 即MSTR位被自动清除,此设备进入从模式。

2.GPIO[3]接口 STM32的输入输出管脚有下面8种可能的配置,4输入+2输出+2复用输出

一、浮空输入_IN_FLOATING

二、带上拉输入_IPU

三、带下拉输入_IPD

四、模拟输入_AIN开漏输出_OUT_OD

五、推挽输出_OUT_PP

六、复用功能的推挽输出_AF_PP

七、复用功能的开漏输出_AF_OD

I/O口的输出模式下,有3种输出速度可选(2MHz、10MHz和50MHz),这个速度是指I/O口驱动电路的响应速度而不是输出信号的速度,输出信号的速度与程序有关,芯片内部在I/O口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路,用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路。所有端口都有外部中断能力。为了使用外部中断线,端口必须配置成输入模式。GPIO口的配置具有上锁功能,当配置好GPIO口后,可以通过程序锁住配置组合,直到下次芯片复位才能解锁。

3.2 核心电路设计

3.2.1 电源

电源引脚连接图如下 :

VDD1/2/3/4/5,VDDA供电电源范围在2.0--3.6V,VBA T(备份操作电压)在1.8V--3.6V之间。采用稳压

芯片AMS1117,该器件固定输出版本电压输出值有1.8V,2.85V,3.3V,5.0V本设计选用3.3V。VDD引脚必须连接外部未定电容器(五个100nF的陶瓷电容器和一个钽制电容器min4.7uF,typ.10uF)。

备份寄存器的电源采用CR1220电池单独供电,防止板子掉电时,备份寄存器中的数据丢失。

3.2.2 晶振和时钟

需要提供的外部时钟源有HSE和LSE。HSE采用8MHz的外部晶振有点在于能产生非常精确的主时钟。LSE是32.768kHz的低速外部晶体或陶瓷共鸣器。能为实时时钟提供低速,精确的时钟源。

3.2.3复位电路

电路图如下图 ：

复位电路的功能是完成系统的上电复位和系统运行时的按键复位功能。复位电路采用简单的、常见的RC复位电路即可实现复位功能。当复位按键为按下时电容将电路断开 此时

NRST线接的是高电平。不能复位。当按键按下以后电容放电 电容两端的电压逐渐降低为零 实现复位功能。

3.2.4存储器

3.2.

4.1原理图

FLASH芯片采用的是SST25VF080其引脚连接如图:

CE : 芯片使能端SI : 串行数据输入

SO : 串行数据输出WP : 写保护

HOLD : 保持VDD : 电源2.7--3.6V

VSS : 接地端

3.2.

4.2功能描述

存储从串口读取的数据，用作TFTLCD的缓冲区。FLASH容量1Mbyt，因字库装载在FLASH 中占用前756KByte。可以读写的区域只有244KByte。可以将0X40000H--0XFFFFFH作为报文存储空间。

3.3触摸屏电路设计

3.3.1 电阻式触摸屏基本原理及特点

间的隔离层及电极。触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，经过 A/D 转换知道接触点处的坐标。比如，在底层的电极Y+,Y-，上加上电压，则在底层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在顶层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极K+之间的距离关系，知道该处的 Y 坐标。然后，将电压切换到 K+，X-顶层电极上，并在底层测量接触点处的电压，从而知道 X 坐标。为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置，将它的一边接VREF，另一边接地。同时，将未偏置的那一层连接到一个ADC的高阻抗输入端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比，如图所示 ：

电阻式触摸屏分压原理

内部结构：

触摸屏控制芯片之所以能完成对触摸屏的控制，主要原因有两点，其一，是完电极电压的切换，其二，是采集接触点处的电压值，即 A/D。而控制芯片ADS784之所以更好的控制触摸屏，主要是得益于其内部结构很容易实现电极电压的切换，并能进行快速 A/D 转换。

参考电压的选择：ADS7843 支持两种参考电压输入模式，一种是参考电压固定为VREF另一种采取差动模式，参考电压来自驱动电极。这两种模式分别如图 a所示。采用图b的差动模式可以消除开关导通压降带来的影响。图 a和b为两种参考电压输入模式所对应的内部开关状况。

图a 图b

电阻式触摸屏的优缺点可以归类为：

1.电阻式触控屏的精确度高 可到像素点的级别 适用的最大分辨率可达

4096x4096。

2. 屏幕不受灰尘、水汽和油污的影响，可以在较低或较高温度的环境下使用。

3. 电阻式触控屏使用的是压力感应，可以用任何物体来触摸，即便是带着手套也可以操作，并可以用来进行手写识别。

4. 电阻式触控屏由于成熟的技术和较低的门槛，成本较为廉价。

5. 电阻式触控屏能够设计成多点触控，但当两点同时受压时，屏幕的压力变得不平衡导致触控出现误差，因而多点触控的实现程度较难。

6. 电阻式触控屏较易因为划伤等导致屏幕触控部分受损。

3.3.2 触摸屏硬件接口电路

3.3.2.1触摸屏的选择

本次设计触摸屏选用基本的四线电阻式触摸屏。电阻式触摸屏有很多特点，高解析度高速传输反应，表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理，具有光面及雾面处理。一次校正稳定性高,永不漂移。更重要的是四线电阻式触摸屏是几种触摸屏类型中最基本的一个,他性能优越、结构简单且价格低廉,适合学生做基础研究。

3.3.2.2触摸屏接口芯片的选择

触摸屏主要由触摸屏接口控制芯片来驱动。本设计选择Burr -Brown公司的控制芯片

ADS7843。ADS7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供

电电压2.7~5 V参考电压VREF为1 V~+VCC转换电压的输入范围为0~ VREF最高转换,速率为125 kHz。ADS7843具有两个辅助输入:IN3、IN4,可设置为8位或12位模式。该电路的基准电压确定了转换器的输入范围,输出数据中每个数字位代表的模拟电压等于基准电压除以4096,平均基准输入电流由

ADS7843的转换率来确定.ADS7843的引脚配置如下图所示：

ADS7843的引脚配置

引脚号引脚名功能描述

1 ,10 +V 供电电源5V

2 ,

3 X+ ，Y- 接触摸屏正电极，内部A/D通道

4 ,

5 X- ，Y+ 接触摸屏负电极

6 GND 电源地

7 ,8 IN3 ，IN4 两个附属A/D输入通道

9 V A/D参考电压输入

11 PENIRQ 中断输出，接外拉电源

12 ,14 ,16 DOUT ，DIN ，DCLK 串行接口引脚，在时钟下降沿数

据移除，上升沿移入

13 BUSY 忙指示，低电平有效

15 CS 片选

3.3.2.3接口电路的设计

触摸屏控制器接口电路包括触摸屏和所示，ADS7843控制芯片，具体接口电路如下图所示：

ADS7843的硬件接口电路

4 下位机软件设计

4.1开发环境的设计过程

4.1.1人机系统的组合

人机界面是一类特殊的软件，它帮助实现计算机硬件、软件和人三者之间进行恰当联系和 协调一致的工作。简单地说，人机界面是专门处理人机交互活动的软件，它是人与硬件、软件的交叉部分。

在人机系统模型中，人与机之间存在一个相互作用“面”，称为人机界面，人与机之间的信息交流和控制活动都发生在人机界面上。

人机界面的设计直接关系到人际关系的合理性，研究人机界面主要是针对显示和控制两个问题。

机具 本体 人机界面 感觉

运动器官

显示器 操作器 中枢神

经系统

人子系统

机子系统 环境

4.1.2 阐述3类原型开发方式的不同

1.抛弃是原型 最终会被抛弃，作为软件开发的一种辅助手段，不是作为一个一个真正的

产品，主要用来确定系统的规格说明。

2.递增是原型

把系统整体分成几个小的组成部分，在设计出软件整体结构框架后，一个部分、一个部分地完成原型开发。 3.演化式原型 用于软件开发过程的各个阶段。它允许设计者先设计产品系统的粗糙的仅

能完成部分功能的最初版本，而后通过用户使用、评价及修改意见，不断细化、

改进原型，直到用户满意为止。

特点：A. 演化式原型开发过程是高度交互和动态演变

B. 演化式原型以迭代方式进行开发，每次迭代包含了重新进行需求分析、重新设计，和重新测

试评估等环节。

C. 演化式原型开发过程的最终原型就是最后的实际产品，或很接近于实际的产品。 建立原型的步骤：

4.1.3总体设计框架

生命周期 主要任务

主要文档 调查用户要求和环境

可行性研究

可行性研究报告 初步的软件开发计划 研究现实环境

分析用户需求

建立系统目标逻辑模型

软件需求说明书 修改后的软件开发计划 软件配置管理计划 建立目标系统的总体结构

模块功能描述

设计数据结构

概要设计说明 数据结构设计说明 对程序模块进行过程描述

确定模块间的详细接口

详细设计说明 模块开发卷宗 程序编码

模块开发卷宗 初步操作手册 执行系统组装测试

分析测试结果

可运行的原程序清单 测试分析报告 完成确认测试

分析测试结果

用户手册、操作手册 测试分析报考 项目开发总结报告 对修改需求进行评价

对程序进行修改和扩充

修改有关文档 运行日志 软件问题报告 软件修改报告

1.确定用户需求

2.建立原型

3.评估原型

4.是否完成？

完成

Y

N 需求分析 概要设计 详细设计 实现 组装测试 确认测试 运行和维护

可行性研究与计划 定义阶段 开发阶段 维护阶段