触摸屏显示接口设计-用于便携式热像仪的OMAP双核处理器
引言
近年来以美国苹果公司iPad、iPhone为代表的新一代IT产品在世界市场掀去了疯狂的购买热潮，其方便快捷的触摸屏操作模式不仅使人们充分感受到兴手拾来“信息”的快感，更代表了便携式仪器产品人工界面设计的重要发展趋势，触摸屏维修维护的市场也备受关注。
便携式热像仪在电力设备检测、安防、医学和军事等领域具有广泛的应用，相关产品普遍具有良好的红外成像质量，精确的测温功能，图像、数据存储与浏览等功能扩展。但其人机交互界面仍停留在传统的键盘或鼠标交互模式上，触摸屏显示和操作模式是当前发展的重要方向之一。
当前，在热像仪的处理和控制系统上，DSP和FPGA作为主要的数字信号处理器件，在图像处理领域应用广泛。但单独采用DSP或FPGA来构建系统，在事务管理方面缺乏足够的灵活性。ARM处理器具有接口丰富，便于实现人机交互的特点，但其图像处理能力较弱。为了解决系统图像处理性能与可控性之间的矛盾，TI推出了ARM+DSP双核结构的开放式多媒体应用平台OMAP（Open Multimedia ApplicationPlatform）处理器，其具有集成度高、功耗低、性能强的优点，非常适合便携式热像仪的开发，基于OMAP3530双核处理器，研制了一种带触摸屏的液晶显示接口的小型化非制冷焦平面热成像系统。
系统采用OMAP的DSP进行热图像的处理，并采用触摸液晶屏作为显示和操控接口，以提供可视化菜单的操控输入。配合便携、低功耗的需求，系统还实现了液晶屏背光亮度调节和开关、液晶屏休眠等控制功能。在此系统上，用户可定制具体的应用软件以开发适合特定需要的手持、车载夜视产品。
本内容将着重介绍该系统的处理器显示接口DSS(DisplaySubsystem)、SPI接口、触摸液晶屏的接口硬件设计以及相应的驱动软件设计。
一、基于OMAP3530的热成像系统及其触摸显示接口
如图1所示，热成像系统主要由640×480非制冷焦平面探测器组件、OMAP3530处理器以及触摸屏等外围器件/组件组成。OMAP3530双核处理器集成了720MHz的ARM Cortex—A8核及520 Mnz具有高级数字信号处理能力的DSP核，提供了丰富的多媒体
外设接口。在处理器ARM核心的控制下，非制冷焦平面探测器组件输出的640×480数字图像序列通过摄像头接口(Camera Port)输入，由DSP核心完成相应的红外图像处理算法；处理后的数据根据触摸屏界面的操控命令，或是通过显示接口在液晶屏动态显示，或是保存为图片到SD卡，以后可以方便的调取浏览。
触摸显示接口是本便携式热成像系统的人机交互界面的载体，负责高质量红外图像、可弹出操作菜单的显示，以及功能操控、功能区域选择等交互性输入。为满足系统的便携性和功能需要，触摸显示接口的设计要求除了电路结构简单、体积小和功耗低以外，应该能够实现较高分辨率、较大颜色数的显示效果以显示640×480、高动态范围的红外图像，以及带
触摸屏功能。当前广泛应用于嵌入式系统的触摸液晶屏是理想选择。基于触摸液晶屏的系统的人机交互界面设计如图2所示。
选择台湾统宝光电公司生产的低温多晶硅（LTPS）液晶屏TD043MTEAI为系统的液晶显示器。LTPS液晶屏是由TFT液晶屏衍生的新一代的技术产品，在保持TFT液晶屏响应时问短、色彩艳丽等优点的同时，有效的克服了功耗较高的缺点。TD043MTEAl具有4．3英寸屏幕，支持RFBI并行驱动模式，有效的减少接口电路的复杂程度，具有800×RGB×480的高分辨率，支持24-bit的1600万颜色数，带通用四线电阻式触摸屏，因此可以满足设计需要。
OMAP3530处理器片上集成了显示接口DSS及SPI接口【3J，可用于与LTPS液晶屏和触摸屏控制器的无缝连接。配合必要的连接电路，触摸屏显示接口的原理框图如图3所示。
二、触摸屏显示接口的硬件设计
1、oMAP3530的显示接口DSS
OMAP3530的显示接口DSS支持远程帧缓冲RFBI并行接口数字液晶屏，可编程设置像素显示模式为18或24位模式；输出像素频率高达75 MHz，支持多种常见分辨率和帧率，从800×480，139 Hz到最高2048×2048，14 Hz；支持主动矩阵(薄膜晶体管TFT)的彩色显示器。DSS还支持电视信号输出，可直接驱动PAL、NTSC制式标准监视器
DSS的工作流程图如图4。DSS从帧缓冲区获得图像数据，支持从各种格式(RGB、YUV、颜色索引等)转换成RGB格式输出，适合数字液晶输出或到模拟视频编码器以电视信号输出。在帧缓冲区和输出之问有三个可配置的通道：一个图形通道和两个视频通道。图形通道能够处理颜色索引帧缓冲区，以及RGB帧缓冲区，但不能改变图像尺寸。
视频通道不能处理彩色索引帧缓冲区，但可以处理ⅥⅣ帧缓冲区。然后，三个通道的输出路径可分别唯一配置为液晶输出或电视输出，若有输出路径相同，则重合部分进行叠加，产生最后的输出。帧缓冲结构使得DSS具有较高的处理效率，显示输出只需将DSP处理后的任意格式的图像数据(RGB、YIIV、颜色索引等)放到专门的帧缓冲区里，即可由系统自动的完成图像的液晶屏或电视监视器的扫描成像。
2、触摸屏显示接口的连接电路设计
OMAP3530的显示接口DSS与TD043MTEAl的连接电路主要包括液晶屏显示信号的电平转换电路、电源系统、背光电源电路和触摸屏AD转换电路四个部分，电路结构框图如图5所示。
1）电源系统
TD043MTEAl工作需要电源VCC 3．3 V、VDDP+5V、VDDN一5V。其中VCC 3．3V由OMAP3530主系统上低压差线性稳压器LDO获取；VDDP+5 V由主系统上外部电源直接输入，考虑到外部电源的纹波影响，在LCD接口端连接10心钽电容滤波。
VDDN一5 v设计输入+5 V通过TI的反向DC／DC转换器TPS63700获得。TPS63700最大支持一15V的负压输出，360 mA的电流负载，高达1．4 MHz的开关频率可有效减小外围器件的体积；输出电压由连接到FB脚的电阻分压器设置。
作为感性转换器件的TPS63700一般需要两个主要的储能元件：电感和输出电容。电感选用手册推荐的4．7 uH，额定电流1000mA。对于输出电容，为提高滤波效果，选择22心钽电容，以限定10mV的输出电压纹波。
2）液晶屏显示信号的电平转换电路RFBI并行驱动模式使得LCD只需DSS接口与液晶屏对应信号直接相连即可，但由于OMAP3530 DSS接口的信号电平(1．8 V)与液晶屏接口的信号电平(3．3 v)不一致，因此需要电平转换电路来实现液晶屏显示图像所需信号的电平匹配传输。主要信号有帧同步(VSYNC)、行同步(HSYNC)、时钟(PCLK)、数据有效(ACBIAS)及颜色数据(R8G888)。电平转换电路选用TI的双独立可配置电源的16位(双八进制)同相总线收发器SN74AVCBl64245，允许在1．5V，1．8v，2．5V和3．3v的电平问进行信号的高速转换，信号方向配置为由A端口1．8 V到B端口3．3 V。另外由于信号速率比较高(75 MHz)，在SN74AVCB164245与LCD接口间设置33欧电阻阻抗匹配，防止信号反射，影响信号质量，也方便信号的调试。
3）液晶屏背光电源电路
TD043MTEAl采用8个LED作为背光源，LCD背光电路即是8个LED的驱动电源电路。用LED作为显示器背光源时，需要对其进行恒流驱动，主要原因是：①避免驱动电流超出最大额定值，影响其可靠性。②获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性pJ。
TD043MTEAl的背光驱动需求是：8个LED；前向电流：典型20mA；前向电压：典型26．4V。TI的TPS61161 LED驱动恒流芯片能驱动多达10个LED，最大电流500mA输出，输出电流大小通过连接到FB脚的电阻RsET设置，是针对具有小型显示屏的便携式应用与电池供电型应用而设计，完全满足TD043MTEAl背光驱动需求。
配合系统的低功耗要求，使用芯片的CTRL脚进行背光开、关控制，除此之外，还可以通过输入不同占空比的高频PWM信号(5～100kHz)实现背光的亮度调节。该方法控制简单，由处理器一个通用IO口即可模拟PWM信号，便于系统在不同应用环境下的显示器亮度选择。
4）触摸屏AD转换电路
TD043MTEAl自带四线电阻式触摸屏。电阻式触摸屏的优点是屏和控制系统成本较低，反应灵敏度好，而且对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽，能适应各种恶劣的环境。它可以用任何物体来触摸，稳定性能较好。对于系统操控要求，单点触摸完全胜任【6]o
电阻式触摸屏将触控区域中触摸点(五】，)的物理位置转换为代表x坐标和】，坐标的电压，通过测量电极两端的电压值来实现对触摸点的定位。采用TI的四线触摸屏控制器TSC2046 AD转换为处理器识别的触摸点位置信息，通过SPI接口传输给0MAP3530。
TSC2046是支持低电压IO接口1．5～5．25 V电平的四线触摸屏控制器ADS7846的升级版本，通过配备Io接口电平为1．8 V，与OMAP3530的SPI接口电平匹配，无需电平转换直接相连接，只有典型0．75 mW的低能耗。
TSC2046工作模式配置为差分模式，画笔中断PENIRQ连接OMAP3530的GPIO 157，用于中断触发。当触摸屏被压下时，PENIRQ变为低电平产生外部中断，处理器响应中断后进行读取触点位置信息等操作。
3、触摸屏显示接口的驱动软件设计
触摸显示接口的驱动软件设计主要分为两方面的内容：触摸屏驱动和DSS液晶显示驱动。触摸屏驱动实现对触摸动作的中断响应，获取触点位置信息；DSS液晶显示驱动实现在触摸液晶屏上显示触摸操作所需要的图形操作菜单、提示字符等叠加信息，以及显示处理后的红外图像工作画面。由于已移植有SPI通讯驱动，在触摸屏驱动的设计中可以直接调用SPI驱动相关接口函数来进行处理器与TSC2046的数据传输。首先将GPIO 157配置成外部中断引脚，下降沿有效。
当触摸屏被按下时，GPIO 157引脚被置成低电平从而产生外部中断，系统响应并进入相应中断服务程序后，首先禁用GPIO 157外部中断输入，以防止中断被循环触发，处理器响应外部中断后启动SPI接口，发出AD转换开启命令，转换完毕后从TSC2046读取触点位置信息；同时处理器屏蔽按键端操控动作，防止操作输入的互相干扰。
对应用端方面，DSS的帧缓冲结构使得显示输出只需将图像数据放到专门的帧缓冲区里，即可由系统自动的完成图像的液晶屏的扫描成像，用户只需配置好图像通道和输出路径即可。由于DSS中的通道和输出路径可灵活配置，方便用户开发各种基于显示器显示和触摸操控的人机交互应用。本系统需要液晶屏显示处理后的红外图像，触摸屏结合图形菜单来用于操控输入。触摸显示接口功能示意图如图6。
为此，需要对DSS驱动程序主要完成两方面的工作f7，8】：
- 在SDRAM存储器中开辟三个帧缓冲区
分别为图形缓冲区、视频1缓冲区，图形缓冲区存储图形操作菜单数据，视频l缓冲区存储DSP处理后的红外图像数据。配置图形通道入口为图形缓冲区，出口为液晶屏输出叠加管理器，输出图像像素大小为160X480；视频通道1入口为视频1缓冲区，出口为液晶屏输出叠加管理器，输出图像像素大小为640 X
480。
- 显示器参数配置
以支持具体规格的显示器正常工作。对于液晶屏输出，主要设置分辨率为800X480，因为液晶屏一般支持广泛的刷新率，所以可不必设置刷新率。
经过以上配置，系统实现带图形操作菜单功能的液晶屏输出，触摸液晶屏用以显示处理后的红外图像，并响应触摸操作后显示图形操作菜单信息，进一步触摸相应按钮可实现相应操作或进入下一级菜单。
4、测试结果
对系统及其触摸显示接口的电源质量、显示和触摸性能以及可靠性、稳定性等主要事项进行了测试，测试系统组成和结果如下所示。
1、测试系统组成
测试实验采用带功率显示的电源、示波器、红外摄像头、OMAP 3530主系统板和高分辨率LTPS触摸液晶屏模块。
2、测试结果
1）电源系统测试
电源系统的输出纹波如果较大，将影响液晶屏工作的稳定。经测试，±5 V输出纹波范围不到20mV，电压精度较高、纹波较小，液晶屏工作稳定。
- 液晶屏显示和触摸性能测试
在图7实验中，液晶屏按设计界面要求分区域显示红外图像和触摸区域：高分辨率红外图像显示细腻，细节清晰；触摸区域经触摸笔、手指等测试可输出准确的触摸点位置坐标。
- 可靠性、稳定性测试
经72 h开机及干扰测试，液晶屏显示稳定，无扰动，散热良好。
5、总结
以上内容详细阐述了用于便携式热像仪的OMAP双核处理器的带触摸屏的LTPS液晶显示接口的硬件和驱动软件设计，实现了液晶屏作为显示接口来显示高质量的工作画面，触摸屏提供系统主要的交互性输入操控手段。
整个接口电路结构简单，功耗较低，触摸反应灵敏，画面显示效果好，可用于触摸显示人机交互的高分辨率、黑白，彩色图像应用。此外，用户在此基础上可通过定制具体的应用软件以开发适合特定需要的便携式热像产品：例如在触摸液晶屏上可选择区域来进行目标热状态检测并显示伪彩画面、温度数据等