淺析彩色LCD在物探儀器中的應用

陳祥鵬 曾衛(wèi)華 原培超 王與意

（中國地質大學（北京）100083）

0 引言

近年來，隨著相關技術的進步和有效的成本控制，液晶觸摸屏憑借其友好的人機交互能力，被廣泛應用于消費電子、汽車中控、工業(yè)控制、多媒體娛樂等技術領域。但很多老式的物探儀往往采用點陣液晶屏，有的還必須通過連接上位機PC才能顯示，已經不能滿足物探儀器集成化、智能化、成像化的發(fā)展需求。而將彩色觸摸屏引入物探儀器當中，能夠配合主控芯片將探測數(shù)據(jù)以圖形化的方式進行顯示，同時代替?zhèn)鹘y(tǒng)繁多的按鍵進行探測參數(shù)輸入，高表現(xiàn)力特性符合物探數(shù)據(jù)顯示的需要，提高了儀器的集成度和便攜性，具有很大的現(xiàn)實意義。結合上述情況，以基于觸摸屏的三側向測井地面采集器為例，闡述屏幕類型屬性特點、屏幕相關軟硬件開發(fā)，探討其在物探儀器領域的實用性。

1 彩色LCD屏基本情況

目前常見的觸摸式LCD屏幕按照原理及傳輸介質分類有電容式、電阻式、紅外線式、表面聲波式這四類，這四類屏幕的基本屬性如下表1所示。

從表中可以看出，電阻式觸摸屏在各方面均有一定優(yōu)勢，尤其是能夠滿足物探儀器野外復雜條件下高可靠度的要求。目前工業(yè)用觸摸屏多半采用的就是四線電阻屏。儀器儀表領域最實用的產品類型是LCM(LCD Module)，即LCD顯示模組，是指將液晶顯示器件,連接件,控制與驅動等外圍電路,PCB電路板,背光源,結構件等裝配在一起的組件。其采用模組自帶的處理器處理絕大多數(shù)屏幕任務，從而將儀器的主控CPU從繁瑣的屏幕數(shù)據(jù)流中解放出來，提高運行效率。市場常見的此類電阻式LCD屏參數(shù)如下：對角線尺寸3.5-15吋；接口有USB、以太網、CAN總線、RS232、RS485、USART、SD卡等；極限工作溫度-40℃|70℃；最高分辨率4096*4096；色彩16bit及24bit；表面硬度2H以上（以JISK5400為基準）；面板防水特性IP65；抗電磁干擾 FCC class A；觸控次數(shù)：100萬次左右；工作電壓：3.3V-36V；點亮時額定電流200mA-1200mA（視屏幕尺寸與供電電壓不定）。

表1 四類屏幕基本屬性對比

可見彩色LCD屏幕分辨率高，色彩豐富，表現(xiàn)力較強，易于與多種儀器搭配，除了功耗相對過高以外，其他指標均能滿足野外儀器的工作需要。此外，很多產品還提供了動態(tài)曲線自動描繪、集成觸屏輸入法字庫、變量組態(tài)開發(fā)方式等諸多實用功能。

2 LCD屏在三側向地面采集器中的應用實例

三側向測井作為解決高礦化度泥漿和高阻薄層的測井方法，其測井儀有廣泛應用。本文設計了一種通用性采集器，能分別配合重慶地質儀器廠的JGS-1B探管和渭南煤礦的TYSC-QB探管進行采集，采集到的測井數(shù)據(jù)通過LCD以測井曲線形式當場顯示。以此為例，為其他儀器的觸摸屏開發(fā)提供參考。

2.1 原理及硬件設計

設計了一種適用多種探管的通用型測井采集器，采用ARMCortex-M3芯片搭配CPLD的方案。數(shù)據(jù)采集主要來自井下探管和絞車，主要有四種形式：

（1）探管傳輸?shù)哪M信號，有直流信號和交流方波，由ADC進入 CPU（CPU 自帶 ADC）；

（2）探管傳輸?shù)臄?shù)字信號，主要是二進制編碼形式，通過CPLD進行曼徹斯特編解碼；

（3）絞車深度脈沖信號，兼有正負脈沖計數(shù)；

（4）電橋供電測量方式。

此外對于不同電性方法的探管，還有恒流式、恒壓式、恒功率式等探測方式，所以要求觸摸屏能夠進行多種參數(shù)的輸入和設置。

圖1 硬件結構框圖

硬件整體結構框圖如圖1所示。其中CPU采用的是STM32F103ZET6增強型芯片，高性能的32位RISC內核，主頻72MHz，內置高速存儲器、3個ADC、4個定時器、PWM定時器，以及I2C、SPI、USB、CAN和5個UART等豐富的接口，能夠同時滿足與探管、CPLD、上位機、LCD的通信。

液晶觸摸屏采用的是北京迪文科技生產的DMT10600T070_01W工業(yè)串口屏。 此屏幕采用UART與CPU通信，7.0英寸4線電阻觸摸屏，LED背光，分辨率1024*600，使用SD卡（2G）配置和下載，支持RTC與蜂鳴器。值得一提的是其采用K600+內核（32Bit RISC 400MHz）及人機界面系統(tǒng)軟件DGUS，可提供零代碼快速開發(fā)全圖形觸摸屏人機界面，實現(xiàn)觸屏輸入法、彈出菜單、變量圖標、讀數(shù)指針、曲線顯示等功能，能有效縮短研發(fā)周期。

STM32的UART可實現(xiàn)全雙工的異步通信，以此接口與屏幕通信。接口電路如圖2所示。LCD的1、2、3為電源輸入，4與CPU的PC6口連接作為波特率同步，5、6為屏幕接收發(fā)送口連接CPU的TXD3和RXD3，7為屏幕busy指示，8、9、10口為GND接地。屏幕只占用一組串口，使得CPU的RS485、USB、CAN總線可以用來連接上位機和其他外設（USB與CAN因使用同一RAM故不能同時使用）。

圖2 屏幕接口硬件原理圖

儀器電源采用AC：220V轉DC：12V供采集卡使用，由采集卡DC：12V轉DC：5V對此屏幕供電。

2.2 軟件設計

從數(shù)據(jù)流向上看LCD觸摸屏在此系統(tǒng)中的作用主要有兩點：一為接收CPU數(shù)據(jù)處理過的深度和電阻率數(shù)據(jù)，并通過二維坐標曲線的方式予以顯示；二為接收用戶觸摸控制信息，將控制量通過串口發(fā)送給CPU。整體程序如圖3所示。程序主題采用三種工作模式，分別是JGS-1B探管采集模式、TYSC-QB探管采集模式、曲線回放模式，通過屏幕觸摸輸入相關參數(shù)進行采集和顯示。

圖3 程序流程圖

其軟件設計分為兩部分，一部分為STM32的基于Keil MDK編程，另一部分是串口屏的DGUS人機界面編程。主要介紹與觸摸屏相關的程序編寫。

STM32的開發(fā)主要依托與固件函數(shù)庫進行，即將各個函數(shù)封裝好后以備調用，使得開發(fā)者不再面對底層寄存器進行操作，大大提升了編程效率。正如1.2所介紹的，CPU只需要將數(shù)值串口發(fā)送給屏幕和從屏幕接收控制量即可，無需涉及LCD顯示驅動。所以CPU對于此觸摸屏的編程即為串口編程，其關鍵代碼如下：

void RCC_Configuration(void);//設置系統(tǒng)時鐘

void GPIO_Configuration(void);//配置 GPIO口（使用GPIO_InitStructure庫函數(shù)把Tx腳設為第2功能推挽輸出、Rx為浮空輸入）

void USART_Configuration(void);// 設 置 UART（使用USART_InitStructure庫函數(shù)設置波特率為此LCD典型值115200；8位數(shù)據(jù)長度；1位停止位無校驗；禁用硬件流控制；禁止UART時鐘；使能UART3）

……

main()

{……

U8 RxData,TXData;

……

USART_SendData(USART3,u8Data);//向串口發(fā)送要顯示的數(shù)值

……}

屏幕人機界面編程采用迪文自主開發(fā)的DGUS軟件。需要完成開機動畫、時間顯示、模式選擇、變量設置、曲線繪制、蜂鳴警報、超時滅背光等設置。其開發(fā)過程有四步：

（1）變量規(guī)劃，將模式選擇、采樣率等控制量定義變量地址和長度；

（2）界面設計，利用繪圖軟件進行界面元素（圖標、字庫、儀表盤、曲線坐標系）設計；

（3）界面配置，利用迪文提供的圖形化工具軟件進行界面配置，生成觸控配置文件和變量配置文件；

（4）把配置文件、圖片、字庫、圖標庫等借助SD卡下載到屏幕，進行界面測試和修改。將串口連上采集卡，進行數(shù)據(jù)聯(lián)調。

主要設計完成人機交互面板和視電阻率曲線繪制顯示兩個核心界面。

3 觸摸屏與其它物探儀器的搭配

地球物理探測儀器根據(jù)物探方法分類主要有電法、重力、磁法、放射性、測井、地震6類儀器，其實不論哪一類儀器，觸摸屏在其中的作用都無非是數(shù)據(jù)顯示和控制輸入這兩種。本文將從實用性、功耗、尺寸及防護性、接口及開發(fā)難度、價格、發(fā)展趨勢等方面入手，并結合上述測井采集卡的例子對觸摸屏在物探儀器中的開發(fā)和應用做簡要概述。

實用性：從實例也可以看出，觸摸屏的使用滿足了物探儀器成像化的需求，有效地精簡了儀器面板的按鈕，人機界面友好。例如測井類儀器，LCD觸摸屏能將SP、AC、GR、RT、LLD等測量值與深度匹配，以曲線的形式將某一鉆孔的測量結果直觀的顯示出來。高密度電法儀也能體現(xiàn)出LCD觸摸屏的優(yōu)勢，能將不同的電阻率區(qū)域用不同的顏色在儀器端就能直觀，無需連接PC，這是傳統(tǒng)點陣液晶屏幕所做不到的，當場顯示出異常點也能就地展開異常點分析，提高了物探效率。此外，配合帶字庫的LCD模組，還能進行中英文輸入，這也彌補了面板按鍵操作的短板，觸控的方式也無異更方便快捷直觀。

功耗：功耗往往是制約觸摸屏在便攜性物探儀器上使用的主要因素。屏幕的耗電與否主要在于背光源的類型，市場上的工業(yè)觸摸屏主要有兩種，LED發(fā)光二極管與CCFL冷陰極熒光管，其中采用前者背光的屏幕耗電量較小。本文所采用的迪文7吋LED背光屏幕，5V供電下屏幕點亮時電流約為300mA-350mA，背光熄滅時電流約為100-120mA，而同尺寸的CCFL背光屏幕額定電流約為800mA-1500mA。以核地球物理使用的ZDD3901石材儀為例，其采用四節(jié)1號電池串聯(lián)供電，一節(jié)一號充電電池的有效容量5000mAh左右，其工作電流平均150mA左右，在使用LED背光屏幕以后功耗變?yōu)樵瓉砣叮褂脮r間縮短為原來的三分之一,10小時以內。所以對于對功耗要求苛刻的儀器，觸摸屏建議選擇LED背光源，并且編程時注意在不需要顯示的時刻關閉背光，并考慮供電電壓、電池容量和使用時長來決定是否采用背光LCD屏方案。

尺寸及防護性：由1.2可知主流的LCD提供多種尺寸的屏幕，其中以4.3吋、7吋、10吋最為常用。4.3吋的適用于顯示數(shù)據(jù)量較少或者儀器較小的場合，例如FD3013輻射儀、質子磁力儀等，此類屏幕主要代替面板進行儀器控制；7吋與小號信封大小類似，與大多數(shù)儀器外殼尺寸相符，比較適合曲線、圖像的顯示和中英文的輸入；10吋主要應用于對顯示效果有較高要求的儀器，例如高密度電法儀。至于防護性有兩方面，一為防止野外環(huán)境對屏幕的破壞，二為防止屏幕產生的電磁干擾影響儀器的測量，選配時建議注意屏幕的各個參數(shù)。

接口及開發(fā)難度：傳輸效率較高的接口是RS485、USB、以太網，但是一般的主控芯片往往每類接口只能提供一個，考慮到還需要跟上位機、探頭等其他設備通信，所以利用芯片豐富的串口搭配屏幕是個比較好的選擇，其編程開發(fā)也相對容易。此外，例如有些探地雷達、地震儀設備如果對顯示信息量有高要求的，可以選擇VGA或者DVI接口的屏幕。市場上的大多數(shù)工業(yè)觸摸屏都有配套的人機界面開發(fā)軟件，利用圖形化編程也大大降低了開發(fā)難度，能有效縮短開發(fā)周期。

價格：近年來液晶觸摸屏做到了很好的成本控制，帶內核的主流工業(yè)觸屏單價在300-1500元范圍內，隨屏幕尺寸單價不同，7吋的一般價格在500元左右，有特殊要求的在1000元左右，在動輒幾萬單價的物探儀器中采用高質量LCD方案并沒有過多的增加開發(fā)成本。即便是相對廉價的萬元級設備，如FD3013輻射儀與SM-30磁化率儀，其硬件成本在2500-4500左右，增加一塊4.3吋觸屏，僅增加了350元成本，卻能帶來更好的人機交互體驗，也提升了儀器檔次。

發(fā)展趨勢：儀器領域整體的發(fā)展趨勢是集成化便攜化智能化，物探儀器中觸摸屏的發(fā)展依賴著多種技術的共同提高。隨著ARM為首的嵌入式芯片近年來的飛速發(fā)展，配合類似windows8的跨界操作系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)有望逐步實現(xiàn)通用運算并逐步取代傳統(tǒng)PC上位機，使得儀器更小更輕并擁有更強勁的運算能力。在此基礎上，未來的人機交互也許是通過帶觸屏的平板電腦甚至是智能手機進行儀器控制和探測結果顯示，這無疑會給物探工作者帶來極為便利的儀器應用體驗。目前已經有一些探地雷達已經開始嘗試采用觸屏平板電腦方案了。

4 結束語

LCD觸摸屏有著友好的人機交互能力，技術成熟，開發(fā)便利，能有效地取代傳統(tǒng)按鈕式面板，顯示表現(xiàn)力強，便于與各種智能儀器儀表搭配。本文設計的帶觸屏的數(shù)據(jù)采集卡經過測試顯示工作穩(wěn)定，觸屏控制和屏幕顯示性能良好，能滿足高效測井的需要。綜上所述，將觸摸屏搭配物探儀器滿足了其數(shù)據(jù)成像和便攜化的需要，建議儀器開發(fā)者根據(jù)需要選配不同的觸摸屏方案。

[1]褚昌鈴.LED顯示屏系統(tǒng)原理及工程技術[M].成都：電子科技大學出版社，2000.

[2]鄒玉忠，張輝.TYSC—QB型和JGS-1B型數(shù)字測井儀比較[J].西部探礦工程，2006(11)：56—58.

[3]張鳳陽.全彩LED顯示屏控制系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶大學，2008.7.

[4]張家田，陳寶，嚴正國.測井電子信息技術[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010

[5]蒙博宇.STM32自學筆記[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012

[6]威綸通科技有限公司.產品中心資料[EB/OL].[2012-7-27].http://www.weinview.cn /index-3.asp.

[7]曾周末.儀器儀表系統(tǒng)設計與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012