IPAD时代如何为仪器仪表/工业设备选择合适的人机界面

一，发展趋势         

随着现代电子技术的发展，传统的仪器仪表/工业控制系统也面临着技术升级，产品更新换代的考验。传统的设计理念已经无法满足当今社会的需要，主要体现在对产品的交互性，易用性和美观性的更高要求。苹果iphone/ipad的推出对便携电子产品产生了革命性的影响，将产品的易用性和用户体验提升到了一个全新的高度。这种革新同样会慢慢渗透到工业领域，仪器仪表/工业工业控制系统在保证性能的同时，其竞争力同样会蔓延到用户体验上，因此选择一款合适的人机界面(液晶屏和用户图像界面GUI)成为了关键。  

二，系统架构         

仪器仪表/工业控制系统典型架构如下：        

从框图中可以看出，系统主要分为四个部分：  

1，主控部分，主要是处理器。处理器的选择跟整个系统的功能和人机界面的选择有直接关系。如果系统功能不复杂，人机界面选择黑白液晶屏或小尺寸彩色屏(3.5英寸以下)，则可以选择单片机做为主控，否则就需要选择功能更强大，内容更多的DSP/ARM等中高端处理器。  

2，AD采集芯片。一般来说，单片机,ARM COTEX等中低端处理器都自带有AD，但精度和速度都比较低，一般是10位或12位，大部分情况下都不能满足数据采集的要求，因此有可能需要外加专门的AD转换芯片。  

3，驱动电路。这部分主要是对主控IO和外设连接的一个转换，比如传感器驱动，开关驱动，继电器驱动，和电机驱动。  

4，人机界面。主要包括显示部分，如液晶屏/数码管；输入输出设备，如键盘，触摸，指示灯和声音等。

三，人机界面选择  

1，  数码管  主要针对显示项目单一，并且显示内容局限于数字的系统。  数码管驱动简单，稳定性好，价格低廉，可使用主控处理器的IO直接驱动，IO有限时，也可以使用串转并(移位)芯片比如74HC595间接驱动。数码管显示基本谈不上人机交互和用户体验。  

2，  黑白液晶/小尺寸彩色液晶  传统的仪器仪表/工业控制系统大部分都采样黑白液晶作为显示和交互。黑白液晶优点是价格较低，功耗低，可视性好(比如户外/阳光下)，单片机可直接驱动。但黑白液晶显示基本上以单一的文字为主，设计的界面以实用性为主，配以简单的按键输入，美观性比较差，当然更谈不上用户体验。  

小尺寸彩色液晶主要是指3.5英寸以下的真彩色液晶屏。近年来，随着液晶屏技术的日臻完善以及大规模使用导致的价格下降，小尺寸彩色液晶也逐渐在仪器仪表/工业控制领域大行其道，大有全面替代黑白液晶之势。  

小尺寸彩色液晶要想在仪器仪表/工业控制领域大规模使用，必须解决以下问题：  

A, 驱动问题。仪表/工业控制系统大部分都采样单片机或低端ARM芯片如COTEX M0/M3, 这些处理器基本上都没有外置总线，而小尺寸彩色液晶都是采样8位或16位外部总线读写，直接连接的话需要使用IO模拟外部总线，这样的话占用了处理器的很多IO，并且速度较低，直接会导致刷屏效果差。  

B，存储问题。要想发挥小尺寸彩色液晶的界面优势，需要有字库和图片配合，而字库和图片需要占用比较多的内存FLASH空间，比如一个16*16的简体中文字库需要至少256K字节FLASH, 一张320*240的图片需要占用150K字节的FLASH。如果都存储到处理器的FLASH中，会导致处理器的选型大受局限，成本大幅度提高。  

C，可视性问题。彩色液晶属于被动发光器件，需要其背光亮度比环境亮度强，才能看的清楚。因此，如果是室外使用，需要选特殊型号。  

针对上述问题，解决方法主要是从两方面入手：  

(1)，更换速度比较快的主控处理器，例如将单片机换成ARM COTEX M3处理器，该处理器跟单片机一样都内置FLASH和RAM, 容量比单片机的更大，所以编程更方便，价格也与单片机相差无几；外接SPI的FLASH芯片存储字库和图片(单片容量可以到8M字节)。这种方法由于涉及到更换处理器，所以需要重新设计系统的硬件和软件。  

(2)，采样成熟的串口彩色液晶模块。串口彩色液晶模块一般都内置字库和存储器，只需要通过串口发送指令即可显示字和图形。  例如北京爱传科技推出的ATC序列串口液晶模块，该模块内置3种不同大小的字库，以及图片存储器，同时内置高效图片解析器，可以快速地直接显示多种格式的BMP文件，只需要简单的串口指令即可显示出漂亮的界面。同时该序列还有阳光下可视型号，彻底解决使用彩色液晶屏的诸多问题。  使用串口液晶模块，可以直接使用单片机的串口连接，发送指令进行显示，因此系统硬件基本不需要做修改，就可以将产品升级到彩色时代。  

3，  大尺寸彩色液晶屏  要想产品真正达到具有良好的易用性和用户能体验的级别，大尺寸彩色液晶屏将成为必然选择。5寸~8寸，带触摸的真彩色液晶显示屏，才有可能使我们的产品跟上后IPAD时代的脚步。  

大尺寸彩色液晶屏，漂亮的图形界面加上全触屏操作，必将极大提升产品的形象和竞争力，彻底改变工业控制领域的呆板形象。使用大尺寸彩色液晶屏，对研发设计能力更新较慢的工业控制领域，无疑是一次全新的挑战：  

A，驱动。大尺寸彩色液晶屏都使用行列扫描接口，必须外置图形缓存，比如一个800*480的液晶屏，要求主控处理器提供的缓存至少就是750K字节RAM。这两点成为了单片机等低端处理器无法逾越的鸿沟，甚至ARM7处理器都无法满足。因此，我们需要将主控处理器升级到ARM9/DSP级别。  

B，硬件设计。彩色液晶屏行列扫描接口要求扫描频率高达几十兆HZ，ARM9/DSP系统则运行在几百兆HZ，同时外置大容量高速FLASH和SDRAM存储，这对硬件设计的稳定性是个极大的挑战，特别是工业领域。这种设计复杂度远非单片机系统可比。  

C，软件设计。ARM/DSP的系统移植，操作系统的运行，图形界面的设计以及触摸屏的控制，都将使软件设计的复杂度连上好几个台阶，其复杂度几乎可以媲美手机和平板电脑。  

针对上述几点，我们可以采用以下方案：  

(1) ARM9+彩色液晶屏+触摸屏方案。我们需要选择具有扫描型LCD接口的ARM9序列，例如三星的S3C2410序列。软件方面可以移植比较成熟的LINUX系统配以GUI系统，比如MiniGUI、 Microwindows 、OpenGUI 、Qt等等。该方案的优点是功能强大，缺点是成本较高，硬件设计比较复杂，对生产的要求也比较高(BGA封装，多层板)，系统软件和应用软件设计也都非常复杂，开发周期比较长。  

(2) ARM7/COTEX M3+彩色串口液晶屏方案。目前市面上已经有比较成熟的大尺寸彩色串口液晶屏模块。该方案对主控处理器要求稍低，当然你要是准备用单片机可能稍显不理智(虽然也能开发出产品，但效果和性能无疑大打折扣)。该方案主要是硬件设计会比第1种方案简单，但软件设计方面却显得左右为难，使用GUI系统很难和串口指令配合且效率太低，不使用GUI系统，界面设计又会变的异常繁琐，为设计一个比较美观的界面，必须大量使用图片操作，导致程序可读性很差，升级困难；并且对键盘的处理尤其麻烦。笔者曾经使用该方案设计过一款产品，主控处理器选用了STM32F103序列ARM COTEX M3处理器，硬件设计不费周折就圆满完成，软件设计历时三个月，大部分时间都花费在界面设计和触摸屏处理上。完成之后，发现想添加一些功能，修改一些界面变的异常麻烦。  

(3)使用智能液晶屏。所谓智能液晶屏，是指液晶屏本身除了显示之外，具备了其他完善的软硬件功能，以及配备成熟的软件开发平台。以笔者使用过的北京爱传科技的AtPAD系列智能液晶面板为例，AtPAD由ARM9处理器驱动, 集成32MRAM, 128M FLASH, 集成了丰富的硬件资源，包括：触摸屏，按键，通用IO, 多路AD, U盘读写，UART/485，GPRS通讯等，内置全套的图形界面，包括文本框，选择框，按键，自定义控件等，并支持矢量字库。具体资源如下：  

硬件配置： 软件配置：ARM9处理器，32M SDRAM, 128M FLASH工业嵌入式操作系统, 多任务运行，响应速度极快4M/8M 数据存储区变量存储/自动恢复7寸真彩液晶屏，800*480分辨率工业界面(GUI)，效果类似电脑，简单易开发高精度触摸屏内置触摸屏驱动/应用，全触摸操作/输入8路12位/16位 AD 采样内置AD驱动，支持单端/差分模式15路通用IO口，2路外部中断输入内置驱动，支持输入/输出/PWM1路IIC总线内置IIC驱动，轻松连接外设2路串口(TTL/232电平)，1路485口内置收发驱动，支持GPRS/GPS等3路指示灯直接使用IO驱动蜂鸣器内置驱动，触摸音效，按键音效及自定义音效实时时钟内置接口，支持界面直接显示时间USB口连接电脑，USB口读取U盘(可选)直接应用，当U盘使用，读写U盘(可选)工业级器件，宽电压，防静电/电磁干扰内置电池管理/充电管理 使用AtPAD首先在硬件设计上会变得非常简单，系统架构变化如下图， AtPAD替代了典型架构中的主控制器，显示屏，输入输出，通讯接口，AD芯片等等，外围只剩下简单的一些驱动电路。      

软件方面，AtPAD提供PC模拟开发环境(VC)，以及C语言板级开发包，模块直接调用；JTAG调试。PC上开发好后可以直接移植到板级开发包。这样软件开发变得非常简单且易于调试。下图是笔者使用AtPAD花了2天即设计出的一个界面和界面中的应用。    四，结束语         仪器仪表/工业控制系统进行显示系统和用户交互的升级换代已经是势在必行，选择一款合适的显示产品以及选择合适的系统架构对产品的开发和成本起了决定性的作用，好的系统架构选择对产品的开发起到了事半功倍的作用。   

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