基于組態(tài)設(shè)計(jì)的車(chē)用RGB-LED觸控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

萬(wàn)國(guó)春， 司玉棟， 童美松

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

0 引 言

通過(guò)紅綠藍(lán)三基色混合實(shí)現(xiàn)調(diào)色調(diào)光，RGB-LED越來(lái)越被廣泛地用于汽車(chē)電子行業(yè)，例如氛圍燈場(chǎng)景，用以滿足內(nèi)飾要求［1］。傳統(tǒng)的RGB-LED 控制方式包括車(chē)內(nèi)按鈕按鍵、中控臺(tái)等方式，存在成本較高、使用不便、缺乏體驗(yàn)感等短處。觸摸串口屏具備響應(yīng)速度高、性能穩(wěn)定和易于維護(hù)的特點(diǎn)［2］，結(jié)合組態(tài)設(shè)計(jì)可以精簡(jiǎn)功能開(kāi)發(fā)，提供良好的人機(jī)操作界面，使交互性大大提升。

本文結(jié)合組態(tài)設(shè)計(jì)思想和嵌入式開(kāi)發(fā)，利用串口通信和LIN原理完成觸控指令到RGB-LED 的控制數(shù)據(jù)定義，基于PWM 實(shí)現(xiàn)調(diào)色效果。系統(tǒng)面向汽車(chē)電子領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)的觸控系統(tǒng)不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生技能而且具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括串口屏、微控制器模塊和RGB-LED模塊。系統(tǒng)總體方案是首先對(duì)串口屏完成組態(tài)設(shè)計(jì)，提供人機(jī)操作界面（HMI），微控制器模塊接收來(lái)自串口屏的觸控指令后進(jìn)行指令解析，經(jīng)LIN 協(xié)議端口轉(zhuǎn)發(fā)至PWM恒流驅(qū)動(dòng)模塊，輸出占空比不同的三基色通道驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)RGB-LED的調(diào)光調(diào)色。

其中串口屏組態(tài)設(shè)計(jì)面向顯示區(qū)和觸摸區(qū)，觸摸區(qū)實(shí)現(xiàn)16 種常用顏色觸摸點(diǎn)亮、占空比和亮度輸入點(diǎn)亮；顯示區(qū)則實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)占空比數(shù)據(jù)顯示。組態(tài)設(shè)計(jì)基于變量存儲(chǔ)器的規(guī)劃，完成后觸控操作和串口指令實(shí)現(xiàn)綁定；微控制器模塊包括中斷模塊和串口/LIN接口模塊，中斷模塊接收串口數(shù)據(jù)進(jìn)入中斷解析服務(wù)，經(jīng)LIN協(xié)議端口轉(zhuǎn)發(fā)；RGB-LED 模塊包括PWM 恒流驅(qū)動(dòng)模塊和燈頭?；诮M態(tài)設(shè)計(jì)的車(chē)用RGB-LED 觸控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 串口屏組態(tài)設(shè)計(jì)

串口屏組態(tài)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是人機(jī)交互界面的制作和控件配置，最終實(shí)現(xiàn)觸控和參數(shù)指示功能。

選擇DMT10600T102_07WT 電容式觸摸串口屏，即DGUS屏。軟硬件開(kāi)發(fā)體系如圖2 所示，串口屏采用直接變量驅(qū)動(dòng)顯示方式，所有的顯示和操作基于預(yù)先設(shè)置好的變量配置文件［3］，支持文本、圖標(biāo)、圖形的TFT驅(qū)動(dòng)顯示。人機(jī)交互界面使用組態(tài)軟件進(jìn)行變量規(guī)劃和具體的控件定義，生成13.bin、14.bin、22.bin文件和config.txt文件，通過(guò)SD卡下載工程。

圖2 系統(tǒng)軟硬件開(kāi)發(fā)體系框圖

串口屏包含F(xiàn)LASH、寄存器、變量存儲(chǔ)器和曲線緩沖區(qū)4 類(lèi)存儲(chǔ)空間。其中變量存儲(chǔ)器大小為56 KB，地址為0x0000 ～0x6FFF，為用戶自定義變量開(kāi)發(fā)所使用，服務(wù)顯示變量和格式控制需求。

由于串口屏的工作模式和界面狀態(tài)完全由數(shù)據(jù)變量控制，因此串口指令只需要對(duì)變量進(jìn)行讀、寫(xiě)即可，指令集一共有5 條指令，即0x80、0x81、0x82、0x83、0x84指令，分別對(duì)應(yīng)對(duì)寄存器寫(xiě)、寄存器讀、變量存儲(chǔ)器寫(xiě)、變量存儲(chǔ)器讀和曲線緩沖區(qū)寫(xiě)操作，基本實(shí)現(xiàn)了用戶“零代碼”完成觸摸屏人機(jī)交互［4］。串口指令結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 串口指令結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)16 種常用顏色觸摸點(diǎn)亮、占空比和亮度輸入點(diǎn)亮和參數(shù)顯示功能。根據(jù)功能需求，定義幀頭為5AA5，利用0x82、0x83 串口指令，即通過(guò)對(duì)變量存儲(chǔ)器特定地址的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并配合組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)。

具體地，首先制作人機(jī)交互頁(yè)面，頁(yè)面包括觸摸區(qū)的常用顏色、占空比輸入框、亮度輸入框和對(duì)應(yīng)參數(shù)顯示框。其中，常用顏色利用“同步數(shù)據(jù)返回”控件進(jìn)行設(shè)置，定義為觸摸色塊則通過(guò)串口發(fā)送變量存儲(chǔ)器規(guī)劃地址內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，這里規(guī)劃地址為0x000 ～00x000F，對(duì)應(yīng)地址存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為字符00 ～FF。占空比和亮度輸入控制和顯示則利用“變量數(shù)據(jù)錄入”和“數(shù)據(jù)變量顯示”控件聯(lián)合設(shè)置，定義為輸入有效數(shù)據(jù)后顯示并發(fā)送“5A A5 06 83 00 XX 01 00 YY”的串口指令，指令中XX是30、31、32、33 之一，對(duì)應(yīng)字符0、1、2、3，用來(lái)區(qū)分三基色和亮度，YY 即輸入的具體數(shù)據(jù)。另外地址和功能標(biāo)號(hào)可以在系統(tǒng)初始化時(shí)顯示。

HMI組態(tài)設(shè)計(jì)界面如圖4 所示，串口屏組態(tài)設(shè)計(jì)完成后變量地址和數(shù)據(jù)分配如表1 所示。

表1 變量地址和數(shù)據(jù)分配

圖4 HMI組態(tài)設(shè)計(jì)界面

1.2 微控制器模塊設(shè)計(jì)

模塊選擇Kinetis EA MCU，其內(nèi)部架構(gòu)如圖5 所示，集成了低功耗Cortex-M0 ＋內(nèi)核和嵌入式閃存，系統(tǒng)外設(shè)包括電源管理模塊、內(nèi)外振蕩器、低壓檢測(cè)、WDG、單周期GPIO 和位操作引擎［5］，并且具有支持LIN協(xié)議的UART 接口，脈沖寬度計(jì)時(shí)器和按鍵中斷模塊。

圖5 Kinetis EA MCU內(nèi)部架構(gòu)

LIN是一種基于UART/SCI的低成本開(kāi)放式串行通訊總線，是對(duì)包括CAN總線在內(nèi)的多種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充［6］。報(bào)文包括報(bào)頭與響應(yīng)兩部分，主機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送報(bào)頭，從機(jī)接收?qǐng)?bào)頭并對(duì)所含信息進(jìn)行解析，然后決定是否發(fā)送應(yīng)答。一個(gè)完整的LIN 信息幀包括間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)、標(biāo)識(shí)符場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)以及校驗(yàn)和場(chǎng)［7］，幀的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。其中標(biāo)識(shí)符場(chǎng)包括6 位幀ID 和2 位奇偶校驗(yàn)位，幀ID標(biāo)識(shí)了幀的類(lèi)別和目的地，從機(jī)據(jù)此作出接收/發(fā)送/忽略應(yīng)答動(dòng)作。根據(jù)幀ID 的不同可以將幀分為信號(hào)攜帶幀、診斷幀和保留幀［8］。

圖6 LIN幀的結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用Kinetis EA64 串行接口1，即UART1 接收串口屏數(shù)據(jù)，UART1_BUF 串口緩沖區(qū)暫存數(shù)據(jù)，MCU主芯片解析收到的觸控指令后通過(guò)RxD_LIN和TxD_LIN引腳經(jīng)附設(shè)的LIN 通信收發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)至RGB-LED模塊。

微控制器附設(shè)LIN通信收發(fā)器電路圖設(shè)計(jì)如圖7所示，其核心MC33662LEF 是一款專門(mén)用于汽車(chē)LIN子總線應(yīng)用的物理層組件［9］。同時(shí)，通過(guò)LIN 描述文件（LDF）自定義使用幀ID ＝15，PID ＝55 的信號(hào)攜帶幀點(diǎn)亮RGB-LED。點(diǎn)燈時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)PWM方波調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制LED快速地閃爍點(diǎn)亮，由于人眼具有視覺(jué)惰性，當(dāng)PWM 的頻率足夠高，人眼無(wú)法察覺(jué)閃爍［10-12］。

圖7 微控制器附設(shè)LIN通信接口電路圖

1.3 RGB-LED模塊設(shè)計(jì)

PWM恒流驅(qū)動(dòng)模塊選擇MLX81108 芯片，LRTB GVSG燈頭。芯片內(nèi)部集成了LIN 收發(fā)器和控制器、穩(wěn)壓器、16 位微控制器，支持16 位電流調(diào)制以及LED色彩與老化補(bǔ)償，具備LIN自動(dòng)配置功能。

模塊核心電路原理圖如圖8 所示，該模塊接收微控制器模塊發(fā)出的LIN信號(hào)之后，連接RGB-LED燈頭的芯片HV0、HV1、HV2 引腳將輸出三基色通道驅(qū)動(dòng)電流完成點(diǎn)燈。三基色通道驅(qū)動(dòng)電流大小通過(guò)PWM調(diào)制設(shè)定。

圖8 RGB-LED模塊核心電路圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括微控制器模塊和RGB-LED 模塊的軟件設(shè)計(jì)，目的是微控制器模塊可以實(shí)現(xiàn)串口屏數(shù)據(jù)的接收、解析和轉(zhuǎn)發(fā)，RGB-LED模塊可以實(shí)現(xiàn)PWM驅(qū)動(dòng)點(diǎn)燈。微控制器模塊的軟件設(shè)計(jì)流程如圖9 所示。首先進(jìn)行CLK、UART、LIN 初始化，完成系統(tǒng)時(shí)鐘、串口、LIN 通信的基本設(shè)置，然后對(duì)LIN 進(jìn)度表設(shè)置，確定事件觸發(fā)幀和診斷幀兩種消息格式和相應(yīng)的幀ID，之后開(kāi)啟UART1 中斷，完成地址初始化顯示，進(jìn)入中斷等待階段。

圖9 微控制器模塊軟件流程圖

根據(jù)串口屏組態(tài)設(shè)計(jì)的結(jié)果，觸控指令與預(yù)定格式的串口指令相對(duì)應(yīng)。當(dāng)串口屏觸摸區(qū)被觸摸即發(fā)出組態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)的串口指令，微控制器接收數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)ART1_BUF數(shù)組，然后進(jìn)行解析轉(zhuǎn)發(fā)。具體過(guò)程：數(shù)組將存入以下兩類(lèi)5 種指令數(shù)據(jù)：00 ～FF和5A A5 06 83 00 XX 01 00 YY，其中第6 位XX 為30、31、32、33之一，也就是字符“0”“1”“2”“3”之一，而第9 位YY為具體數(shù)值。然后判斷數(shù)組第1 位和XX，當(dāng)?shù)? 位判得00 ～FF時(shí)執(zhí)行16 種常用顏色點(diǎn)亮；判斷XX為“3”時(shí)進(jìn)行亮度調(diào)整，YY 就是亮度值，如果是“0”“1”“2”，YY就是RGB具體值，實(shí)現(xiàn)三基色調(diào)光。

微控制器模塊軟件設(shè)計(jì)完成后，即可從串口屏觸控?cái)?shù)據(jù)中提取出三基色和亮度值4 個(gè)量，最后通過(guò)LIN口發(fā)給RGB-LED 模塊，通過(guò)PWM 驅(qū)動(dòng)。RGBLED模塊的軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，其流程圖如10 所示。

圖10 RGB-LED模塊軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)效果

系統(tǒng)各模塊完成電性連接并上電后，串口屏HMI正常顯示，可以進(jìn)行觸控操作，系統(tǒng)預(yù)期功能實(shí)現(xiàn)，整體實(shí)物圖如11 所示。開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試，首先16 種常用顏色點(diǎn)亮測(cè)試，其中綠色點(diǎn)亮效果如圖12所示。

圖11 系統(tǒng)整體實(shí)物圖

圖12 綠色點(diǎn)燈

三基色和亮度輸入點(diǎn)燈測(cè)試中，顏色和亮度設(shè)置框內(nèi)分別輸入255、0、0、52，即希望點(diǎn)亮紅燈，亮度為52。此時(shí)，串口成功收到觸摸屏四條指令，如圖13 中紅綠藍(lán)黃矩形框中的指令分別為三基色和亮度控制指令，每條指令最后一位即為輸入數(shù)值的16 進(jìn)制表示，即FF、00、00、34，實(shí)測(cè)結(jié)果為成功點(diǎn)亮，如圖14 所示。

圖13 三基色和亮度輸入時(shí)發(fā)送的指令

圖14 三基色和亮度輸入點(diǎn)燈

4 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)基于組態(tài)設(shè)計(jì)和Kinetis EA 微控制器模塊構(gòu)建了面向車(chē)用RGB-LED 的觸控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)涉及串口屏組態(tài)設(shè)計(jì)、嵌入式開(kāi)發(fā)、PWM 的三基色調(diào)色等知識(shí)，同時(shí)對(duì)于學(xué)生熟悉UART通信協(xié)議、LIN通信協(xié)議的基本運(yùn)用有更加深刻的理解。另外本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的觸控系統(tǒng)采用了車(chē)規(guī)級(jí)芯片和在汽車(chē)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的LIN協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，有利于升級(jí)維護(hù)，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用也有一定價(jià)值。