实现高性价比家电人机接口

实现高性价比家电人机接口

引言

HMI在家电中的作用

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触摸屏技术

FPGA器件由逻辑单元阵列组成，可以配置完成各种功能，相对于MCU，其性能和灵活性更强，是LCD触摸屏更好的选择方案。结合嵌入式软核处理器，FPGA很容易支持实现MCU通用处理功能以及其他外部器件功能。这些器件能够动态适应不同的屏幕尺寸、图像分辨率、外设和GUI，非常灵活。

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图2.采用CycloneIIIFPGA实现的触摸屏

采用下一代技术简化GUI开发

传统的GUI应用程序开发很容易出错，需要大量的投入，OEM宣称高达70％的质量问题来自GUI。这些缺点主要来源于效率低下的工作流程、时间和成本压力导致的折衷方案以及在嵌入式系统上开发非常复杂的高性能图形软件。

图3.传统的软件开发工作流程

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GUI开发方法

有很多方法实现GUI开发。手写代码是开发图形应用程序最常用的方法，也是成本最高的方法。它需要较长的开发时间，很小的GUI变化都非常繁琐，针对每一器件实现都需要从头开始重新编写代码。第二种方法是代码发生器工具，它提供使用方便的接口来构建GUI，定义行为，但是，它产生通用代码，需要进行很多硬件修改才能使其运行。第三种方法使用二级脚本语言以及解释引擎来处理运行时脚本，需要大量的平台资源，很容易出现严重的性能问题和错误。

第四种方法称为二进制GUI方法，它结合了专业GUI构建工具，一套强大的软件API，一些手写代码以及高性能嵌入式图形引擎。设计人员利用基于PC的工具可以开发象素精度很高的GUI，将其输出到一个二进制数据文件。然后，将逐象素设计从设计人员的桌面直接传送给开发人员，不需要进行其他的转换。开发人员然后利用先进的高性能GUI引擎以及相关的API来处理并显示存储在二进制数据文件中的图形数据。这一方法不但占用的平台资源少，而且还允许进一步修改生成的GUI，不需要改动代码和逻辑，或者进行很少的改动即可。而且，在模型之间，甚至在不同的硬件设计之间，今后都很容易对应用程序进行修改，重新使用。

“节能意识”应用平台

NEEKLCD控制器

图4所示为实现NEEKLCD控制器设计外设和接口的高级结构图。CycloneIIIFPGA的视频流水线、LCD触摸屏模块以及MAX®IICPLD是NEEKLCD控制器的主要组成。

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图4.NEEKLCD控制器子系统

视频流水线

视频流水线负责驱动LCD模块数据总线上的数据信号，读取NiosII处理器产生的帧缓冲数据。一组专用Avalon®流(ST)外设实现了数据单元在不同宽度总线之间的转换，在这一例子中，是24位红色、绿色和蓝色(RGB)象素输入流至8位象素输出流的转换，分别传送每个RGB颜色分量。在模块数据总线上，视频同步发生器外设将控制和数据信号进行排序，向LCD触摸屏模块发送象素数据。

LCD触摸屏模块

LCD触摸屏模块包括三个主要组件：

■LCD图形数据接口，它包括一个24位RGB数据总线和某些控制信号，将视频数据传送给LCD模块。

■LCD控制器接口通过通用PIO外设的简单三线接口实现控制器芯片通信协议，发送并接收数据，对模块进行配置。NiosII处理器上运行的硬件抽象层(HAL)软件驱动程序对PIO外设进行控制。

MAXIICPLD

MAXIICPLD提供CycloneIIIFPGA与其连接外设的2.5V输入和3.3V输出之间的电压转换。它还可以用作FPGA和LCD模块之间的颜色解复用器：它接收来自FPGA的8位时分复用(TDM)流，将其转换回24位并行RGB格式，显示在LCD模块上。

1注意，设计人员如果不需要电压转换或者复用/解复用功能，可以在LCD控制器设计中去掉MAXIICPLD。

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f除了NEEK硬件，Altera还提供触摸屏软件API、LCD模块软件API和视频流水线子系统API源代码。关于NEEKLCD控制器及其硬件和软件组成的详细信息，请参考AN527：实现LCD控制器。

快速实现GUI开发

完成GUI之后，使用Altia的DeepScreen将原型转换为C代码。这一应用程序利用NiosII处理器，针对所有图形操作产生FPGA代码。如图5所示，开发人员利用软件工具，无缝产生漂亮的彩色图像，这些图像轮廓鲜明，支持矢量目标、位图、文本、alpha混合以及缩放和旋转等转换功能。

图5.Altia设计...DeepScreen...实现

在GUI开发过程中，使用工具包具有一系列优势。Altia设计使用户能够使用多种图形工具来开发定制图像。在这一设计环境中，不需要编程便可以建立图像。开发团队采用现有的和建模工具来集成原型，很容易向用户和经理进行演示，在开发过程中获得很有价值的反馈信息，从而避免了由于错误的理解发布的规范而导致重新进行设计。原型为正确实现产品外观和功能提供了明确的方法。很容易改动原型，节省时间，不需要进行昂贵的硬件试制。

DeepScreen代码发生器产生在开发过程中使用的相同图像，因此，管理人员和用户在最终产品中得到完全相同的GUI，并且在开发过程中得到了验证。DeepScreen几分钟就可以产生图像代码，而不是几个月的时间，因此大大简化了GUI代码的产生。图像代码可以在不同的产品和模型中实现，因此，生产商获得了在所有产品代中使用一个GUI的成本优势。这些代码可以在低功耗和高功耗硬件中实现。

总结图形HMI逐渐成为消费类产品中必备的功能。今天，LCD触摸屏在家电市场上迅速得到了应用。随着AppleiPhone等产品的流行，LCD屏幕的成本显著降低，具有生动的GUI特性的触摸控制被认为是一种高端功能。Altera、Altia和Echelon联合开发的节能意识应用平台是革命性的高性价比方案，在家电中实现了

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最现代的HMI功能。这一独特的平台采用了一系列技术，通过以下方法，降低BOM总成本，缩短开发周期。

■提高芯片设计的灵活性：由于FPGA具有内在的可编程特性，因此，家电开发人员可以增加新功能，将外设集成到内核芯片中，甚至能够解决硬件质量问题，不会影响产品的硬件成本。

■降低GUI开发成本：AltiaGUI开发平台缩短了软件开发时间，降低了总成本，显著改变了应用GUI的外观和样式。

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