基于ATXMEGA128A1的圖形界面開發(fā)板

1.引言

AVR8位單片機(jī)我想很多人都用過，它擁有片上資源豐富，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和家用電器等領(lǐng)域。但對(duì)于AVR單片機(jī)的產(chǎn)品應(yīng)用有一定了解的人會(huì)發(fā)現(xiàn)，AVR片機(jī)產(chǎn)品上很少采用分辨率較大的彩色液晶屏，主要原因是其處理速度不夠，并且不支持大容量的SRAM或SDRAM。比如說系列里配置較高的atmega128，其處理速度最高也就16MIPS，最大支持不到64K的外部ram。如果用戶希望能夠在實(shí)現(xiàn)工控任務(wù)的情況下額外再提高產(chǎn)品的圖像顯示能力，atmega顯然是無法完全勝任的。隨著人們對(duì)產(chǎn)品人機(jī)交互要求的不斷提高，越來越多的AVR用戶希望能找到一款相比以前的AVR單片機(jī)而言在人機(jī)界面處理上有更高表現(xiàn)的AVR單片機(jī)，這樣既能夠滿足用戶的需求，同時(shí)又不必轉(zhuǎn)換平臺(tái)從而最小化軟硬件的開發(fā)周期。

2.ATXMEGA單片機(jī)的介紹

atxmega系列是ATMEL公司2008年推出的一款A(yù)VR單片機(jī)，它將AVR產(chǎn)品擴(kuò)展到了新興的市場(chǎng)范圍，并改善了現(xiàn)有應(yīng)用。拿atxmega128A1來說，與以前的atmega128系列相比，atxmega128A1主要有了如下幾項(xiàng)改進(jìn)：

(1)內(nèi)部RAM提升為8K；

(2)處理速度可達(dá)32MMIPS；

(3)EBI總線支持16MB 8位SRAM或者128MB 4位SDRAM；

(4)USART，I2C，SPI的硬件資源數(shù)量比以前有了較大提高。

與atmega128相比，atxmega128A1處理速度翻了一倍，并且支持大容量的外擴(kuò)SDRAM。即使配置8M的SDRAM，如果配置240x320 16位色寬的屏，可以放下54頁(yè)的圖像。雖然atxmega處理速度仍然比較慢，但其支持SDRAM的能力使其具備了處理較大尺寸圖形界面的能力。還有一點(diǎn)需要說明，由于屬于AVR系列，atxmega可以使用與atmega相同的編譯器，如WINAVR。雖然與atmega系列相比，atxmega的底層寄存器定義有了部分變化，以前的產(chǎn)品代碼會(huì)不兼容，但是ATMEL公司提供了大量的庫(kù)函數(shù)給用戶，用戶還是可以只花少量時(shí)間就可以完成老代碼的移植工作。因此，對(duì)于那些需要提升產(chǎn)品的顯示能力而又不想更換開發(fā)平臺(tái)的用戶來說，用atxmega來代替atmega是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

本文中，筆者將介紹一下自己設(shè)計(jì)的atxmega128A1開發(fā)板，借此來評(píng)估atxmega在開發(fā)人機(jī)界面方面的能力。

3.開發(fā)板功能和系統(tǒng)硬件介紹

開發(fā)板配置以下功能：

(1)mp3播放，歌曲快進(jìn)快退等

(2)BMP圖片瀏覽，縮放，更換桌布，屏幕截圖

(3)SD和U盤雙接口

(4)揚(yáng)聲器輸出

(5)編碼器旋鈕控制

選用的硬件配置：

(1)ATXMEGA128A1作為MCU

(2)液晶屏選用東芝的2.2”TFT液晶屏，控制器為μPD161704A，分辨率達(dá)到QVGA240x320。

(3)選用鎂光8MB的SDRAM MT48LC16M4A2作為外擴(kuò)內(nèi)存

(4)SD卡和U盤作為存儲(chǔ)器

(5)VS1003B作為mp3解碼芯片

(6)TEA2025B作為揚(yáng)聲器功放，配2個(gè)0.8W的小揚(yáng)聲器

(7)一個(gè)編碼旋鈕控制界面菜單

(8)SST25VF016 flash存放字庫(kù)和界面圖標(biāo)

(9)串口轉(zhuǎn)USB接口

從上面的配置可以看出，這塊板子具有較多的硬件資源，可以滿足一般大專院校和單片機(jī)愛好者學(xué)習(xí)的需要，如圖1、2所示。

1)atxmega128A1；

2)液晶屏；

3)SDRAM；

4)SST25VF016；

5)VS1003B；

6)CH375B；

7)TEA2025B；

8)旋鈕編碼器；

圖1 開發(fā)板硬件系統(tǒng)框圖

圖2 開發(fā)板實(shí)物照片

圖3 SDRAM接口原理圖

圖4 旋鈕編碼器接口原理圖

9)SD（在液晶屏下部）SDRAM接口。

接口主要包括：地址線，數(shù)據(jù)線和控制線。控制線包括：行地址選擇RAS#、列地址選擇CAS#、寫選擇WE#、BANK塊地址選擇BA0-1、時(shí)鐘線CLK、數(shù)據(jù)有效DQM。Atxmega128A1的外部數(shù)據(jù)總線EBI支持3端口的連接方法，EBI的時(shí)鐘使用的是高速外部時(shí)鐘，速度為CPU的2倍，可達(dá)64MHz，如圖3所示。

液晶屏接口：接口主要包括數(shù)據(jù)線和控制線。控制線包括片選CS#、讀有效RS#、寫有效WR#、復(fù)位信號(hào)RST#。

圖5 部分界面截圖

旋轉(zhuǎn)編碼器接口：旋轉(zhuǎn)編碼器內(nèi)部是一個(gè)按鍵和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)開關(guān)，可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生不同相位信號(hào)。當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，開關(guān)A的輸出信號(hào)A signal相位超前；如果逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，則是開關(guān)B的輸出信號(hào)B signal相位超前，把A/B端分別接到MCU的兩個(gè)輸入端口，并在MCU內(nèi)設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器；就可以用軟件來判別是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以此判斷是增加還是減少計(jì)數(shù)器的值，如圖4所示。

4.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)上充分利用板載大容量SDRAM這一優(yōu)勢(shì)，開發(fā)板上電初始化時(shí)，會(huì)把存放在flash內(nèi)的所有系統(tǒng)文件一次性加載到SDRAM內(nèi)的指定地址上，而不必每次使用時(shí)都從flash去調(diào)數(shù)據(jù)。利用SDRAM的大容量還可以給圖形界面處理，數(shù)據(jù)拷貝等凡是要用到大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地方都開辟一定的空間。

整個(gè)軟件架構(gòu)分為3塊，應(yīng)用層部分，數(shù)據(jù)傳輸層部分，硬件層部分。

應(yīng)用層負(fù)責(zé)軟件上層的應(yīng)用，如負(fù)責(zé)圖像最終的顯示，歌曲的播放等。

數(shù)據(jù)傳輸層是核心部分，負(fù)責(zé)將硬件層過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理后發(fā)給應(yīng)用層，或者將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳給硬件層。它主要負(fù)責(zé)以下任務(wù)：

(1)FAT文件系統(tǒng)的管理。

(2)狀態(tài)機(jī)實(shí)時(shí)控制和判斷，當(dāng)插入或拔出SD或U盤，會(huì)自動(dòng)更新相應(yīng)桌面圖標(biāo)的狀態(tài)（souce圖標(biāo)和文件圖標(biāo)）。

(3)圖像數(shù)據(jù)的處理，如圖塊數(shù)據(jù)的搬運(yùn)，疊加，覆蓋，更新，混色，消隱等。

(4)與硬件層的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。

硬件層主要是硬件驅(qū)動(dòng)部分，負(fù)責(zé)查看和設(shè)置硬件狀態(tài)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至傳輸層，或傳輸層的數(shù)據(jù)傳回至相關(guān)硬件。它主要負(fù)責(zé)以下任務(wù)：

(1)Atxmega128A1的EBI接口與SDRAM的數(shù)據(jù)讀寫。

(2)CH375B，VS1003B，液晶屏的數(shù)據(jù)讀寫和控制。

(3)SST25VF016的數(shù)據(jù)燒寫和讀取。

(4)攻放的開關(guān)和旋鈕的邏輯判斷。

5.開發(fā)板的測(cè)試

通過實(shí)際測(cè)試，一幀240x320的16位色圖像從SDRAM里寫進(jìn)屏里需要的時(shí)間大約是1.5秒，這個(gè)速度相比其他速度更快的單片機(jī)速度稍顯不夠。但如果是小圖塊圖像，比如圖標(biāo)，則刷新速度很快，基本看不出有“拉窗簾”的跡象，并且在mp3頁(yè)面下的實(shí)時(shí)混色的速度還是不錯(cuò)的。因此這里可以得出結(jié)論，在對(duì)整屏顯示速度要求不是很高或者刷新面積不是很大的場(chǎng)合，atxmega還是基本勝任的，如圖5所示。

6.開發(fā)板的優(yōu)勢(shì)

(1)本開發(fā)板在代碼的可修改和可移植性方面做得比較好，代碼盡量做到讓各個(gè)功能塊留有最少的接口，并且在很大程度上進(jìn)行了打包處理，用戶只需調(diào)用上層的應(yīng)用函數(shù)就能做一些簡(jiǎn)單的修改。

(2)程序上在提高速度方面作了很大的優(yōu)化，當(dāng)前用到的數(shù)據(jù)都盡可能的堆放在SDRAM里，然后再進(jìn)行處理，這樣大大提高了效率。

(3)代碼提供了所有硬件的驅(qū)動(dòng)部分，用戶也可以只使用驅(qū)動(dòng)代碼，數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用部分自己另行開發(fā)。同時(shí)用戶也可以對(duì)該板進(jìn)行軟硬件裁減，截取需要的部分應(yīng)用到自己的產(chǎn)品。

7.開發(fā)板的成本

在目前的AVR單片機(jī)開發(fā)板市場(chǎng)上，由于atxmega是最近幾年才推出來的，atxmega開發(fā)板還非常稀少，即使有功能也相對(duì)簡(jiǎn)單，沒有充分利用其外擴(kuò)RAM的能力。當(dāng)然這里面也有目前atxmega成本還比較高，供應(yīng)量不足的因素，但相信在未來的幾年，隨著供貨量的增加和成本的下降，atxmega一定會(huì)取代atmega成為AVR的主推產(chǎn)品。

8.結(jié)語

筆者設(shè)計(jì)了一塊atxmega128A1開發(fā)板，利用其支持大容量SDRAM的能力驗(yàn)證其顯示圖形界面的速度性能，通過實(shí)際應(yīng)用證明了atxmega系列單片機(jī)具備了一定的圖形開發(fā)能力，基本能夠滿足對(duì)產(chǎn)品的圖形顯示有一定要求的AVR用戶的需要。

[1]溫正,何嘉揚(yáng).AVR單片機(jī)開發(fā)從入門到精通[M].中國(guó)電力出版社.

[2]吳雙力,崔劍.AVR-GCC與AVR單片機(jī)C語言開發(fā)[M].北京航空航天大學(xué)出版社.

[3]avr-libc-user-manual[OL].http://www.nongnu.org/avrlibc/user-manual/modules.html.