针对工业人机界面设计的微控制器方案

　　微控制器是人机界面的核心，将传感器数据转换为命令。工艺技术和系统架构带来的性能提升使微控制器和 FPGA 能够通过硬件引擎或软件库处理更多的图形和音频，并在工业环境中提供更丰富的接口。

　　微控制器集成度的提高和成本的降低正在推动该技术进一步控制工业设计中的人机界面。集成 LCD 控制器和更高性能数字信号处理的能力允许实现和显示更复杂的显示器，包括 3D 图形，同时保持成本和功耗尽可能低。添加其他功能，例如触摸屏控制器和通信模块，可以实现更多集成，并使接口控制器成为系统中的关键元素。

　　ARM 生产了新一代处理器内核，例如 Cortex-M3 和 Cortex-M4，它们具有显着更高水平的性能和 DSP 支持，并允许新型微控制器处理广泛的接口功能。

　　但是，还有其他方法可以应对挑战。现有内核可以辅以专用图形硬件，以充分利用现有软件，而使用现场可编程门阵列可以提供专用硬件或优化的微控制器，两者都与驱动显示器的技术相结合。

　　飞思卡尔半导体的Kinetis K40 是一款直接针对工业人机界面设计的微控制器。它有一个硬件触摸感应接口，最多有 16 个输入，可避免软件轮询方法和一个灵活的低功耗 LCD 控制器，最多支持 320 段（40 x 8 或 44 x 4）。LCD 闪烁模式可在保持低功耗模式的同时实现低平均功耗，而分段故障检测模块可防止错误读数并降低 LCD 测试成本。

　　段式 LCD 控制器支持多达 40 个前板和 8 个背板，或 44 个前板和 4 个背板，所有这些都可以在软件中进行配置，以避免昂贵的显示设备重新设计。

　　它使用带有 DSP 指令的 ARM Cortex-M4 内核，以 100 MHz 运行，每 MHz 提供 1.25 Dhrystone MIPS，并具有高达 512 KB 的程序闪存。此外，还有 10 种低功耗模式可根据应用要求提供功耗优化。还有一个具有多主机保护的内存保护单元以及一个支持多达 64 个请求源的 16 通道 DMA 控制器。

　　一个接口需要从多个来源收集数据。因此，每个 ADC 中集成了两个 16 位 SAR ADC 和一个可编程增益放大器 （PGA）（最高 x64），以及一个 12 位 DAC 和三个包含一个 6 位DAC 和可编程参考输入。

　　为了与系统的其他部分进行通信，该器件包括一个通过片上收发器的 USB 全速/低速 On-the-Go 控制器以及两个控制器局域网 （CAN） 模块、三个 SPI 模块、两个 I2C模块、五个 UART 模块和一个 I2S 模块。这意味着该设备不仅可以充当接口的集线器，还可以充当系统其他部分的集线器。

　　富士通的图形显示控制器 （GDC） 使用基于 ARM926 内核的 SoC 架构。MB86R01采用了富士通成熟的 MB86296 3D 图形核心，并采用富士通的标准 90 纳米工艺，以提供功率（低漏电流）和性能的最佳平衡。

　　MB86R01 图形 SoC 采用分层总线系统，可将 3D 图形处理等高性能功能与低速 I/O 等常规操作隔离开来。此外，ARM 处理器旨在以两倍于图形核心的速率运行，以减少这两个主要功能之间的内存总线争用。

　　图 1：富士通的 MB86R01 图形 SoC。

　　MB86R01 架构的核心是一个完整的 3D 几何处理单元，它能够执行所有主要的 3D 操作，包括变换、旋转、背面剔除、视图平面裁剪和隐藏表面管理。

　　该设备具有一个显示控制器，支持两个捕获源（YUV/ITU656 或 RGB），并支持视频图像的放大和缩小。视频也可以映射到六个显示层中的任何一层，并且可以纹理映射到多边形以创建特殊效果。

　　显示控制器还具有双数字输出功能，支持不同分辨率的多种显示器配置。每个面板的内容可以相同或唯一。MB86R01 的六个显示层可以被视为六个单独的帧缓冲区或单独的画布，每个都可能包含独特的内容。这些层可以优化大小以节省内存并提高系统吞吐量和图形性能。考虑一个菜单栏示例。如果实际图形区域仅为 60 x 400 像素，则设备允许将图层设置为与 60 x 400 的显示区域匹配，而底层图层可能是高达 1080 x 768 的全分辨率。创建图层后通过渲染或块传输，GDC 实时混合内容，

　　除了多层之外，富士通 GDC 还提供各种 alpha 混合和透明度选项，设计人员可以使用这些选项来创建特殊效果并改进位图和字体的抗锯齿，从而使界面更易于使用。

　　该器件还包括多种接口，从 SD 卡和 IDE 到 USB、SPI、UARTS 和闪存/SRAM 端口。ADC 和 DAC 也包括在内，用于捕获数据。

　　还有其他方法可以使用微控制器来构建人机界面。Altera 的 DK-DSP-3C120NCyclone III 开发套件允许设计人员将 32 位 NIOS 处理器内核与图形引擎和 LCD 控制器模块集成在一起，这两者都可以根据应用的要求进行精确调整。低成本的 Cyclone III 系列 FPGA 允许以具有成本效益的方式实现设计的确切要求。

　　NIOS II 处理器可以配置有专门编写的附加指令，通过使用 Altera 的 Quartus 设计工具生成编译器，从而允许针对特定实现编译开发人员的 C 代码，从而增强图形应用程序。这可以为工业接口提供更快的性能和更高的响应能力，同时减少代码大小和内存需求，降低设备成本。

　　Lattice Semiconductor 的 LFE2-50E LCD-Pro 图形评估套件能够评估一组灵活、可配置的 IP 内核，用于通过 7 英寸 TFT 屏幕实现多功能和强大的显示控制、图形和视频应用。该库基于行业标准 AMBA 总线架构，允许 LCD-Pro IP 与各种与 AMBA 总线兼容的系统组件（如 ARM 处理器）互连。

　　LCD-Pro IP 内核针对 Lattice FPGA，专门针对LatticeECP2低成本 FPGA 系列进行了优化。该库包含多个 IP 内核，能够控制从低端 CIF 和 QVGA 到高清 TFT 的各种平板显示器，采用 8、16 或 24 位颜色，并在现场使用超过 30市售显示器。该 IP 支持显示控制器中可用的多层图像合成，支持简单的叠加、颜色键控透明度、alpha 混合和 alpha 遮罩以及可变图层颜色深度、大小、定位和平滑滚动。

　　图 ：莱迪思 LCD-Pro IP 内核。

　　该套件可用于构建视频模块，处理各种格式并结合图形，在工业应用中构建清晰且可用的人机界面。所有这些都为开发最新的工业接口提供了一系列强大的技术。从专用硬件到软件可配置设备，这些设备增强了设计人员控制显示器的能力并提供最佳的人机界面。