EMS液晶顯示觸摸屏設計方案
引言
電動車一直以清潔環(huán)保而備受關注，加上能源危機加劇、油價不斷上漲，電動車也越來越受到用戶的青睞。電動車一般采用鋰電池供電，由多個單體電池串聯(lián)成電池組作為動力電源。但由于各個串聯(lián)單體電池特性不能保證完全一致，因此相同的電流下充電放電速度也會不同，如果不進行均衡干預，電池壽命會大大縮短，因此需要實時監(jiān)控各個單體電池的狀態(tài)、總電壓、總電流，根據(jù)狀態(tài)適時進行電池充放電均衡，并且充放電均衡時，均衡狀態(tài)也要實時進行檢測，所以就有了電動車電池能量管理系統(tǒng)（EMS）。實踐證明EMS可以有效延長電動車電池使用壽命，是電動車中十分重要的管理系統(tǒng)。
EMS主要包括：信息采集模塊、充放電均衡模塊、信息集中處理模塊以及顯示模塊。圖1為自主研發(fā)的電動車電池能量管理系統(tǒng)（EMS）的結構圖，其中信息采集模塊主要完成實時采集電池組以及單體電池的電壓、溫度、電流等狀態(tài)，對電池進行實時監(jiān)控的同時也為均衡模塊的開啟與關閉提供依據(jù)。均衡模塊主要完成對電池特性差異進行補償，根據(jù)采集模塊采集來的信息判斷電池狀態(tài)，對單節(jié)電池進行充放電均衡，來實現(xiàn)狀態(tài)特性一致。信息集中處理模塊負責將采集得到的數(shù)據(jù)進行處理、分析、計算（如SOC等），并監(jiān)控均衡模塊的工作，對其進行控制，同時與顯示模塊通信，在整個系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。顯示模塊作為唯一的人機交互接口，不僅承擔著將所有數(shù)據(jù)、以及設備狀態(tài)實時地顯示給用戶，讓用戶能夠直觀地看到電池狀態(tài)和EMS工作效果，而且還為用戶與EMS的控制交流提供接口，可以讓用戶設置參數(shù)，更改EMS工作狀態(tài)，達到實時監(jiān)管和控制的目的。如果沒有顯示模塊人們就無法看到電池和EMS的信息，EMS的報警或提示信息無法通知到客戶，一些報警狀態(tài)得不到及時處理輕則造成電池損壞，重則會導致電動車工作失控，釀成嚴重事故。同樣客戶也無法根據(jù)情況來調(diào)整和控制EMS，也不能完全發(fā)揮EMS的作用?？梢婏@示模塊的人機交互功能是EMS中不可或缺的組成部分，從顯示模塊所需的功能看觸摸屏是不錯的選擇。但如果購買市面上的觸摸屏，不僅顯示內(nèi)容會受觸摸屏本身顯示功能固定的限制而降低顯示設計的靈活度、影響顯示質(zhì)量，并且市面上觸摸屏的價格也普遍較高，給產(chǎn)品增加了很大一部分成本，這無疑會大大降低產(chǎn)品的市場競爭力。基于這種情況本文提出一種以STM32F103單片機為控制核心的比較通用的液晶觸摸屏的設計方案。
圖1 EMS結構框圖
1 觸摸屏的種類及工作原理
觸摸屏種類眾多，可以分為電阻式、電容式、紅外線式、聲表面波式、矢量壓力傳感器等，其中電阻觸摸屏使用最為普遍。觸摸屏系統(tǒng)一般包括觸摸屏控制器和觸摸檢測裝置兩個部分。其中，觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給微控制器，它同時能接收微控制器發(fā)來的命令并加以執(zhí)行，觸摸檢測裝置一般安裝在顯示器的前端，主要作用是檢測用戶的觸摸位置，并傳送給觸摸屏控制器。觸摸屏的基本原理是，用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏時，所觸摸的位置（以坐標形式）由觸摸屏控制器檢測，并通過接口送到微控制器，從而確定輸入的信息。其中觸點坐標的求取方法是：如圖2所示，給觸摸屏的X+加正電壓V，X-接地時，在X+，X-方向上會形成均勻的電壓梯度，當屏幕有觸摸時，可以通過讀取Y+的電壓，經(jīng)過A/D轉換后計算求得觸摸點X坐標。同理，在Y+，Y-方向上加電壓，可以通過X+上的值計算出觸摸點Y坐標。計算坐標的公式如下：
式中，W 為觸摸屏的寬度；H 為觸摸屏的高度。
本方案采用的是四線電阻式觸摸屏并且不使用專用的觸摸屏控制器，直接由STM32F103控制以降低成本，如圖2所示。
圖2 四線電阻觸摸屏示意圖
方案用到的主要器件介紹
2.1 STM32F103介紹
方案中主控器件STM32F103單片機使用的是ARM 公司為要求性能高、成本低、功耗低的嵌入式應用專門設計的32位的ARMCortex-M3內(nèi)核。
擁有可達128KB的嵌入式閃存、20kB的SRAM 和十分豐富的外設：兩個1μs的12位ADC，一個全速USB（OTG）接口，一個CAN 接口，三個4 M/S的UART，兩個18 M/S的SPI，兩個I2 C等。內(nèi)部還集成了復位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等，大大方便了用戶的開發(fā)。該系列單片機不僅功能強大而且功耗相當?shù)?，?2 MHz時消耗36 mA（所有外設處于工作狀態(tài)），相當于0.5 mA/MHz，待機時下降到2μA ，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。綜上STM32F103系列單片機的性能完全可以滿足液晶觸摸顯示屏的所有控制需要，內(nèi)置A/D可以用于觸摸屏控制，豐富的I/O 接口可以用于與TFT液晶屏模塊的通信，并且其本身自帶CAN控制器可以作為與外界通信接口，用STM32F103做主控制器可以減少使用器件從而簡化使整體電路，很好地達到降低EMS成本的目標。
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3.3 V，最大工作電流70 mA.支持320×240分辨率，內(nèi)置230K內(nèi)存顯示可到256K色，可顯示文字和圖形，采用LED背光設計，使用軟件即可對背光亮度進行調(diào)節(jié)，內(nèi)置簡體中文字庫，支持2D的BTE引擎，同時建幾何圖形加速引擎，可以對顯示對象進行復雜的操作如畫面旋轉功能、卷動功能、圖形Pattern、雙層混合顯示和文字放大等等。這些功能將可節(jié)省用戶在TFT屏應用的開發(fā)時間，提升MCU軟件的執(zhí)行效率并且使畫面更加絢麗，顯示功能更加豐富，使顯示屏顯示能力大大增強。提供8位或16位總線接口，方便與MCU的連線，適應性強，連接設計靈活。
硬件連接設計方案
3.1 總體構架
液晶觸摸顯示屏系統(tǒng)主要由微控制器STM32F103F103、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3所示，其中四線電阻觸摸屏的觸摸檢測裝置安裝在TFT液晶屏前面用于檢測用戶觸摸的位置，本方案利用STM32F103 自帶A/D 轉換功能，由STM32F103實現(xiàn)觸摸屏控制器的功能來直接控制四線電阻觸摸屏，檢測觸摸信息并計算出觸點坐標。然后STM32F103通過I/O接口與TFT液晶屏模塊通信，將處理好的有效信息通過TFT 液晶屏顯示出來。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，用來與EMS進行通信，完成現(xiàn)實信息采集，設置參數(shù)等功能。
圖3 方案總體框圖
3.2 STM32F103F103與四線電阻觸摸屏的接口電路
如圖4所示，STM32F103F103與四線電阻觸摸屏直接通過自身的I/O口連接，實現(xiàn)觸摸屏控制器功能。其中PA8、PA9、PA10、PA11分別作為四個三極管的控制端，通過控制三極管通斷，來控制四線觸摸屏的Y+、Y-、X+、X-.PA1，PA2是兩個A/D轉換通道，分別連接Y+和X+用于計算觸摸點的X和Y坐標。PA3連接內(nèi)部中斷用于檢測觸摸屏是否有觸摸動作。觸摸屏平時運行時，令PA8、PA9、PA11輸出0，PA10=1，即只讓VT2導通。當有觸摸動作時，D1導通給PA3一個中斷信號，STM32F103接收到中斷請求后立即置PA8=1，導通VT1，這樣在Y+、Y-方向上就加上電壓，同時啟動A/D轉換通道PA2，通過輸入X+上電壓計算出觸摸點的Y坐標，然后同理令PA8、PA10為0，PA9、PA11為1，啟動A/D轉換通道PA1，通過輸入Y+上電壓計算出觸摸點X的坐標。
圖4 STM32F103與四線電阻觸摸屏接口電路
3.3 STM32F103F103與TFT液晶屏模塊控制器的接口電路
如圖5所示，STM32F103F103通過I/O 接口與TFT液晶模塊相連接，雖然很多的TFT液晶模塊中內(nèi)置的液晶屏控制器都支持SPI 接口通信（如ILI9325）但由于SPI傳輸速度較慢不利于液晶數(shù)據(jù)的快速傳輸，因此很多液晶模塊都選擇采用并口通信。
其中PB0-PB15分別與D0-D15相連作為數(shù)據(jù)通信口，PA0、PA4、PA5、PA6、PA7 分別連接RESET、CS、RS、WR、RD，作為控制口，實現(xiàn)復位、片選、指令數(shù)據(jù)切換、讀寫等控制功能。
圖5 STM32F103F103與TFT液晶模塊接口電路
軟件設計
軟件部分的編程采用C語言，一方面主要完成STM32F103對I/O 管腳的配置，用來實現(xiàn)對四線電阻觸摸屏端子狀態(tài)的控制，通過中斷方式檢測是否有觸摸信息，配置A/D轉換通道，讀入電壓根據(jù)公式計算出觸點坐標。另一方面主要完成通過與TFT液晶模塊的通信控制，實現(xiàn)觸摸點坐標與液晶屏坐標的對應并有效完成顯示任務。軟件的開發(fā)環(huán)境是MDK，MDK 將ARM 開發(fā)工具RealView DevelopmentSuite（簡稱為RVDS）的編譯器RVCT與Keil的工程管理、調(diào)試仿真工具集成在一起，支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核處理器，自動配置啟動代碼，集成Flash燒寫模塊，強大的Simulation設備模擬，性能分析等功能，與ARM 之前的工具包ADS等相比，RealView編譯器的最新版本可將性能改善超過20%.具體流程如圖6所示。
結束語
本文提出了基于STM32F103F103單片機的EMS液晶顯示觸摸屏的設計方案。STM32F103F103的高速、低耗的優(yōu)越性能完全可以達到觸摸屏的主控制芯片要求，TFT液晶顯示器可以滿足更復雜、多彩、靈活的顯示任務，符合顯示屏性能不斷攀升的發(fā)展趨勢。本設計充分利用了STM32F103芯片的優(yōu)勢，拋棄了傳統(tǒng)觸摸屏控制器控制觸摸屏的方案，利用自身A/D完成了觸摸屏功能，本方案大大簡化了硬件電路結構，通信更可靠，編程也更加簡潔，最終既能達到EMS顯示要求，出色地顯示和設置了系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)，又能降低系統(tǒng)的成本，通過實際使用達到了良好的效果。鑒于當前電動車的快速發(fā)展，本方案可以擁有不錯的應用前景。
