MCU應用方案

第六十一期 2025.09.01

項目方案概述

本應用來源于前級效果器面板項目（圖1），由一方案商提供硬件，但沒有原版軟件程序，因此他們自己開發(fā)了一套替代方案，依然是使用雅特力415芯片，此芯片主頻150MHz，SPI傳輸速率最高可達50Mb/s，經(jīng)計算，如果使用SPI+DMA傳輸，理論上可以跑40幀左右且不占用太大的系統(tǒng)使用率，但可能受限于技術水平，方案商的替代方案效果并不理想。

而如果我們想要出替代方案，使用M4系列，其價格并不是很好的選擇，因此選用了M3大容量的CKS32F103VET6。LCD驅動方面，受限于M3最高18Mb/s的SPI傳輸速率，我們選用了8080作為顯示驅動接口，利用了MCU的FSMC功能，對比SPI一根線傳輸數(shù)據(jù)，F(xiàn)SMC可同時傳輸8位/16位數(shù)據(jù)，其速率實測連續(xù)單色刷屏可達百幀以上，本項目方案商提供了8位并口屏，如果選擇16位速度可提升一倍。

系統(tǒng)菜單方面，原方案使用的是多級菜單，沒有掛系統(tǒng)，多級菜單優(yōu)劣勢明顯，優(yōu)勢是設計簡單，把系統(tǒng)分成一個個的層級，通過按鍵輪詢菜單就可以切換不同的界面，其缺點是可靠性不足，不足以承載復雜的系統(tǒng)，基于項目復雜性及可靠性評估，選擇了移植LVGL作為本方案的開發(fā)系統(tǒng)，兼顧了系統(tǒng)穩(wěn)定性、項目拓展性及成功率。

圖1 前級效果器面板開發(fā)樣機

方案主要設計核心思路

客戶的核心訴求主要是刷屏效果要達到原版效果，原版效果應該在20幀以內，速度比較快但刷屏時依然可以看到刷屏線，另一個要求是功能跟原版功能一致。

刷屏效果優(yōu)化

刷屏效果主要通過四種方式來優(yōu)化：

（1）提高主頻：我們103大容量運行頻率可達144MHz，因此在軟件的最開始，手動配置了升頻函數(shù)，主要語句如下，配置PLL倍頻12倍，即12M*12=144MHz，后使能PLL，另外Flash等待時間必須配置為5，因為主頻增加了，要保證有足夠的等待時間才能完成配置，實測等待時間2時，最高只能跑到120MHz主頻。

FLASH_SetLatency(0x05);

RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_12);

RCC_PLLCmd(ENABLE);

（2）優(yōu)化FSMC驅動：FSMC硬件連接方式如下表1所示，使用NE1作為片選，A16為寫命令/寫數(shù)據(jù)，D0-D7為8位的雙向數(shù)據(jù)線，PD4讀數(shù)據(jù)，PD5寫數(shù)據(jù)。LCD的驅動時序，和FSMC模式A的時序基本一致，因此配置成模式A即可。為了最大化提高傳輸速率，F(xiàn)SMC的建立時間和數(shù)據(jù)保持時間都配置到最小。

表1 MCU與LCD屏接口硬件連接

（3）打點函數(shù)優(yōu)化：MCU通過以上FSMC并口控制LCD顯示芯片，其邏輯是MCU通過特定的地址把數(shù)據(jù)傳到LCD驅動顯示芯片相應的顯存里面（需要此芯片的根本原因是MCU SRAM不足），驅動顯示芯片再按照配置好的掃屏順序，在顯示屏上刷新一個個像素點（圖2）。

圖2 MCU與LCD屏的關系

而打點函數(shù)就是MCU用來傳輸數(shù)據(jù)到LCD驅動顯示芯片的橋梁，一般傳輸一個像素點數(shù)據(jù)，都需要先發(fā)送命令，再發(fā)送數(shù)據(jù)，LCD驅動顯示芯片才會知道你這個數(shù)據(jù)用來干什么，一般的打點函數(shù)，會對每一個像素點都進行寫命令再發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣每次都會浪費2次8位數(shù)據(jù)的時間，整一個屏320*240個像素點，就會浪費大量的時間，因此優(yōu)化了打點函數(shù)，如下文所示。每次先獲得需要顯示圖像的XY軸開窗大小，然后寫命令一次，就可以將所有像素點連續(xù)寫入，只需要一次循環(huán)結束就可以完成打點函數(shù)。

void LCD_Draw_Picture(u16 sx,u16 sy,u16 ex,u16 ey,u16 *color)

{

u16 height,width;

u16 i;

width=ex-sx+1; //得到圖片的寬度

height=ey-sy+1; //得到圖片的高度

Lcd_SetRegion(sx,sy,ex,ey);

LCD_WriteRAM_Prepare(); //開始寫入GRAM

for(i=0;i

{

LCD->LCD_RAM=(*color)>>8;//寫入顏色值

LCD->LCD_RAM=(*color)&0XFF;

color++;

}

}

另外因為有LCD驅動顯示芯片的中轉存在，這里會產生一個問題，當LCD還沒有刷新完屏幕一幀畫面時（讀顯存），LCD驅動顯示芯片就寫入下一幀的畫面，那這兩幀之間，就會產生斷紋，對應到人眼視覺上面，就會產生一個橫向撕裂的短暫停留（圖3）。 本方案解決這個問題的方式是通過讀取驅動芯片的更新掃描線，讀取到掃描線在屏幕以外，才開始寫入，當然弊端是這個讀取時間導致幀數(shù)降低，所以本方案在刷整屏的時候才會去等待掃描線，啟用消除橫向撕裂功能，小面積刷屏的時候幾乎不會出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，這樣的方案可以有效提高幀數(shù)。

圖3 橫向撕裂產生的原因，讀和寫的不同步

（4）LVGL系統(tǒng)級優(yōu)化：LVGL作為一個輕量級GUI系統(tǒng)，并不是想要顯示圖像，就能馬上發(fā)送打點函數(shù)，LVGL會有一個自己的心跳，根據(jù)顯示區(qū)域的大小及緩存區(qū)域配置，緩存好一塊圖像再通過打點函數(shù)輸出，這個緩存區(qū)域會極大的影響幀率，一般默認是每次緩存像素點的十分之一，就會存在10次緩存等待時間，因此選擇優(yōu)化這個次數(shù)，但是增大緩存區(qū)域會極大的占用SRAM，目前優(yōu)化配置為緩存總像素點的四分之一，占用38K字節(jié)SRAM，幀數(shù)可達20幀左右。

當然，并不是只有這一種緩存方式，還可以選用雙緩存或者DMA2D+LTDC加速，但前者需要大量的SRAM資源，相當于開辟雙倍的緩存區(qū)域，一個負責渲染，一個負責繪制；后者LTDC則需要F429以上芯片才有。很明顯我們不具有LTDC外設，并且實測同等SRAM占用下，雙緩存不如單緩存顯示效果好。

方案進行到這一步的時候才發(fā)現(xiàn)LVGL的弊端，并不能完全發(fā)揮我們FSMC傳輸速率，但好處是正因為輕量級系統(tǒng)的存在，令我們系統(tǒng)可靠性大大提升，不需要自行設計內存管理，配置后系統(tǒng)會幫你管理。

核心功能開發(fā)

經(jīng)過刷屏效果優(yōu)化后，已經(jīng)能滿足項目需求，接下來進行功能項開發(fā)。雖然本項目看起來不大，但涉及的內容非常多，共分為7大項：

1） 輸入按鍵及旋鈕開發(fā)

本項目所有輸入分兩種，第一種是ADC檢測的按鍵，由一個ADC外設，來檢測由分壓電阻隔開的11個電平，共分11個按鍵，不同adc值得到特定按鈕，本功能難點是adc檢測濾波函數(shù)和無沖突按鍵邏輯，濾波函數(shù)如下文所示，由于要準確的命中鍵值，這里每次觸發(fā)adc中斷，會從DMA讀取100個adc值，然后快速作一個排序，最后平均第49位和50位adc值，就可以得到可靠的按鍵值，這些設定在16ms內處理一次。能準確得到按鍵值后，因為處理時間很快，為了使重復按鍵不沖突，設定了第一次按鍵鎖定以及鎖定時間，按下第一個按鍵后一定時間內失能其他按鍵。

void filter(void)

{

u16 tmp;

u8 i = 0,j = 0;

for(i=0; i<=100/2; i++){

for(j=0; j< 99-i; j++){

if(ADC_ConvertedValue[j+1] < ADC_ConvertedValue[j]){

tmp = ADC_ConvertedValue[j+1];

ADC_ConvertedValue[j+1] = ADC_ConvertedValue[j];

ADC_ConvertedValue[j] = tmp;

}

}

}

After_filter=(ADC_ConvertedValue[49] + ADC_ConvertedValue[50])/2;

}

第二種輸入是三組旋鈕編碼器，旋鈕編碼器比較特殊，正轉和反轉時，都會觸發(fā)AB兩個相的電平（圖4），通過分辨電平觸發(fā)的先后順序來得到正反轉。軟件部分使用2個IO外部中斷線觸發(fā)，通過排序AB電平來臨的順序判斷是正反轉，需要觸發(fā)多次判斷，同時要兼顧軟件防抖。三組編碼器共用到6個IO外部線中斷。

圖4 編碼器正反轉波形及狀態(tài)圖

2）頁面開發(fā)及頁面切換

為了快速開發(fā)頁面，本項目用到了NXP的一個軟件GUI-guider，頁面如圖5所示，是一款以圖像設計轉換為LVGL代碼的軟件，通過配置模型和觸發(fā)事件，能快速的幫你轉化成代碼。有眾多使用方式，如新建文本框并給這個文本框觸發(fā)事件、按鍵按下后觸發(fā)文本框參數(shù)修改、聚焦時背景高亮、離焦后背景變回原色或切換下一頁。

使用軟件后，文本框功能只需要放置一個文本框圖像，設定大小和文本內容，右鍵添加相關事件，最后會自動生成所有代碼，大大減少開發(fā)難度，但最新版仍有一些bug，要自行按經(jīng)驗修改，如內存泄露，跳轉后沒有及時清理新建過的模型，導致內存一直累積，多次跳轉后爆內存。本項目使用此軟件快速生成頁面和事件的模版，再按需求修改邏輯和bug，本項目高達20多個頁面，200多個觸發(fā)事件，使用此軟件后工作量依然巨大。

圖5 NXP的GUI-guider頁面

3）參數(shù)切換開發(fā)

本項目參數(shù)切換頁面如圖6所示，這是其中一頁的可調參數(shù)，通過旋鈕來選擇參數(shù)項，如選到輸入選擇，按下確認按鍵后，進入?yún)?shù)切換模式，再次轉動旋鈕將模擬1切換為模擬2、藍牙、USB等字樣。

軟件層面來看，我們找到這個文本框事件，添加按下事件，觸發(fā)這個事件會進入到修改參數(shù)的狀態(tài)，不同參數(shù)切換有不同標志位，整個項目參數(shù)切換標志位多達200個，并且由于要修改參數(shù)的形式都不大一樣，每種參數(shù)都需要一種函數(shù)處理，工作量很大，并且除了參數(shù)本身定義值以外，還要顯示成字符串顯示在屏幕上，占用的FLASH和SRAM也需要非常大，目前沒有太好的方式，功能2和功能3都要花費大量的重復工作。

圖6 MCU與LCD屏的關系

4）面板鎖開發(fā)

面板功能要求帶有面板鎖，基本邏輯是開啟面板鎖后，一段時間自動回到主頁并顯示上鎖符號，上鎖后不能操作按鍵，僅能用旋鈕調節(jié)音樂話筒效果等音量，按鍵后會進入解鎖頁面，輸入正確密碼后，回到主頁并解除上鎖符號，但一段時間不操作依舊會回到上鎖頁面，除非關閉面板鎖。

軟件設計了2種狀態(tài)，一種是開啟面板鎖功能標志位，一種是完全上鎖標志位，開啟面板鎖并不會馬上進入第二種狀態(tài)，不管當前是什么頁面，只要一段時間不操作，就會跳轉主頁并完全上鎖，完全上鎖后只要按鍵，就會跳轉解鎖頁面，密碼匹配后方可退出完全上鎖狀態(tài)，然后開始倒數(shù)計數(shù)，每次按鍵都會復位計數(shù)值，倒數(shù)完畢后重回上鎖狀態(tài)，邏輯流程圖如圖7所示。

圖7 面板鎖軟件邏輯流程圖

5）保存命名/密碼輸入

本功能主要是對命名設計，模式保存后可以添加命名（圖8a），一共可以保存16種配置，配置好后，使用效果器的人員，只需要調用相應序號及名字的模式，所有參數(shù)會自動切換到上次保存的配置。這個功能和參數(shù)切換類似，把每一位的名稱都當成是獨立的一個參數(shù)，由A-Z，a-z，0-9還有空格一共63個數(shù)組成的數(shù)組里面選擇，總共10位組成一段命名，同時調整序號，會馬上顯示相應保存好的命名。面板鎖密碼頁面（圖8b）也是類似，只不過是從0-9,10個數(shù)字變化，另外增加原密碼的對比，以及密碼修改功能。這部分的難點在于要考慮全面，當保存命名/輸入密碼中途，插入其他操作，應該復位和保存相應的參數(shù)。

圖8 a保存命名及b面板鎖密碼

6）配置保存讀取/數(shù)據(jù)庫修改開發(fā)

在項目的初期，原方案商并沒有加入進來，沒有獲取到對方的數(shù)據(jù)庫設定，因此設計將所有16組配置參數(shù)寫入內部Flash，以及讀取的一套驗證方式，把寫入內部Flash當成是發(fā)送到對方數(shù)據(jù)庫內，用于所有參數(shù)的保存和讀取，根據(jù)寫入?yún)?shù)的大小，按順序每8位寫入到一位內存數(shù)組里，再從特定地址，順序讀回參數(shù)。

為了減少Flash占用空間，參數(shù)都使用數(shù)字簡化代表字符串，再根據(jù)不同數(shù)字轉換回字符串用于顯示。雖然后期加入對方的數(shù)據(jù)庫，存儲數(shù)據(jù)在DSP內部，但這種方式也有效的設計了字符串轉換的函數(shù)，減少了開發(fā)周期。

7） 事務優(yōu)化

LVGL的特色是按照心跳自行輸出畫面，而眾多的事務總會對畫面做干預，但LVGL本身是不支持多線程操作的，在系統(tǒng)還沒有輸出完畫面時，我們直接去干預，會造成系統(tǒng)卡死，因此可以利用LVGL的軟件定時器，將所有事務都運行在里面，讓LVGL自行順序執(zhí)行。

而MCU自身的ADC中斷和外部IO檢測中斷，因為不能放在軟件定時器內執(zhí)行，我們盡可能的減少數(shù)據(jù)量處理，僅用于標志位觸發(fā)判定，從而保證系統(tǒng)可靠。如果開發(fā)更大的系統(tǒng)，可以加入任務系統(tǒng)，來輔助線程操作。

軟件定時器新建方式如下：

lvgl_task2 = lv_timer_create(OS_Handler, 10, 0);

//創(chuàng)建軟件定時器，后續(xù)直接調用void OS_Handler(lv_timer_t * tmr)

結語

以上是本項目核心的開發(fā)思路，詳細開發(fā)過程中還會碰到很多問題，如字模替換、特殊顯示邏輯、圖片插入等。軟件工程送樣后添加了通訊協(xié)議和相關函數(shù)，上機連接DSP實測通訊控制沒有問題。

整個方案，總的來說CKS32F103VE的FLASH和SRAM資源堪堪夠用，可以看到LVGL雖然穩(wěn)定可靠且使用方便，但在只用到文本框和標簽模型的情況下，每頁畫面占用的資源在十多K字節(jié)左右，顯示幀率也因為緩沖方式受限很大。FSMC優(yōu)化后，能跑20幀左右，占用SRAM有38K字節(jié)，如果重新評估，同樣顯示功能， SPI+DMA+多級菜單的方案也是足夠使用，當然現(xiàn)在圖形化一直在發(fā)展，更加美觀的GUI可拓展性更佳。