Graphical User Interface簡稱GUI，即圖形用戶界面，準(zhǔn)確來說GUI就是屏幕產(chǎn)品的視覺體驗和互動操作部分。在工業(yè)控制領(lǐng)域里，各種儀器儀表、智能工控設(shè)備中廣泛采用了嵌入式技術(shù)，但由于資源有限，這些系統(tǒng)一般不希望建立在龐大累贅的、非常消耗系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)和GUI之上，如Windows或XWindows。這些系統(tǒng)對液晶顯示的常用GUI需求更加突出。因此，在工業(yè)控制系統(tǒng)中實現(xiàn)一個簡潔、快速、方便的常用GUI具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

在工業(yè)控制領(lǐng)域點陣液晶顯示（LCD）是應(yīng)用最為廣泛的，如果使用GUI，那么在顯示設(shè)備（通常指的是LCD）上完成繪制圖形、顯示西文字符和漢字、顯示和使用控件以及窗口等工作，就可以通過調(diào)用GUI提供的函數(shù)來實現(xiàn)，無須自己為LCD編寫完成這些工作的程序，也無須選用自帶漢字庫的LCD了?！癎UI”一詞是“圖形用戶界面（Graphics User Interface）”的縮寫，那么使用GUI的LCD，當(dāng)然只能選擇圖形點陣LCD，1602之類的字符LCD不在考慮之列。

在進(jìn)行液晶顯示GUI開發(fā)的時候首先要考慮MCU和LCD的選型。

MCU選型
8位單片機——8051系列單片機系統(tǒng)要求64Kb ROM和1Kb RAM，可以選擇單片增強型8051單片機，如宏晶科技增強型8051單片機STC89C516RD+，內(nèi)部繼承64Kb Flash和1280B RAM，其中包括1Kb擴展RAM（Keil C51中為xdata）；也可以用普通8051單片機外界ROM和RAM。

為了保證GUI的運行速度，8051單片機系統(tǒng)的主頻應(yīng)盡量高一些，至少應(yīng)在22MHz以上，如果單片機有內(nèi)部倍頻可以打開，使用告訴的C8051F系列單片機更好，如C8051F020等。

如果選用AVR系列8位單片機，可以選擇內(nèi)部Flash不小于32Kb，內(nèi)部SRAM不小于2Kb的型號，如ATmega32、ATmega64、ATmega128等。

LCD選型
STN LCD——市面上銷售的單色LCD絕大多數(shù)都是這種類型。STN LCD可選擇自帶LCD驅(qū)動器/控制器的STN LCD模塊，如基于KS0107/KS0108的128×64單色圖形點陣液晶模塊，更大一些的同樣可以使用，無須自帶漢字庫。

TFT LCD——即俗稱的“真彩色”液晶。TFT LCD通常一定要選擇總線型液晶顯示器，或者外接單片機LCD驅(qū)動板也可以，總之要能夠連接單片機或者M(jìn)CU。

注意：無論選擇何種LCD，LCD供電電壓和I/O電平應(yīng)與MCU供電電壓和I/O電平相匹配，例如，都是5V或者都是3.3V，如果不匹配，可考慮使用LDO(低壓差穩(wěn)壓器)和上拉電阻。

底層驅(qū)動函數(shù)
在選定MCU和LCD后，針對LCD控制器要編寫一些底層驅(qū)動函數(shù)，這些函數(shù)主要實現(xiàn)MCU對LCD控制器的控制，進(jìn)而實現(xiàn)對LCD的控制。其中最主要的兩個驅(qū)動函數(shù)是控制器寫命令函數(shù)和控制器寫數(shù)據(jù)函數(shù)。值得注意的是不同的控制器的控制時序和控制特性有所不同，應(yīng)針對所選用的MCU和LCD控制器選擇合適的連接方式以最簡捷的硬件連接來獲得最佳的控制效果。

GUI基本功能的實現(xiàn)
液晶顯示的常用GUI應(yīng)實現(xiàn)最基本的畫點、畫圓、畫線、矩形、正方形、填充等功能，還須要實現(xiàn)ASCII顯示和漢字顯示以及簡單的圖標(biāo)顯示和菜單顯示。

在實現(xiàn)GUI的這些基本要素時一個最重要的問題是準(zhǔn)確定位光標(biāo)位置。由于各控制器的不同，光標(biāo)的定位也不同，例如有的控制器是以字節(jié)（8個點）為基本單位，而有的控制器是以點為基本單位。在應(yīng)用以字節(jié)為基本單位的控制器時應(yīng)注意要實現(xiàn)任意位置的操作時需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/2562/" target="_blank">算法進(jìn)行移位處理。

在選用不帶漢字庫的LCD時，在實現(xiàn)漢字顯示功能時應(yīng)用字模軟件對漢字進(jìn)行取模存儲。根據(jù)實際要求ASCII字?？蛇x用8×8和8×16，而漢字字模一般選用16×16和24×24。在實現(xiàn)單個ASCII和漢字的顯示后，建議最好實現(xiàn)ASCII和漢字混合字符串的顯示，因為實現(xiàn)此功能后將對后期開發(fā)菜單時帶來極大的方便。

實例：AVR單片機ATmega128控制SED1335實現(xiàn)GUI
ATmgeal28是AVR單片機中功能最強的，它有128KB的Flash程序存儲器、4Kb的SRAM和4Kb的EEPROM。在端口方面，它有邊界掃描JATG口、I2C串行口、SPI同步串行口和通用異步串行口UART。通過適當(dāng)?shù)耐鈬?a target="_blank">接口電路的設(shè)計，它能夠滿足工業(yè)控制器的要求。

SED1335是日本SEIKO EPSON公司出品的液晶顯示控制器，在同類產(chǎn)品中功能最強，它具有如下幾個特點：

①有較強功能的I/O緩沖器；

②指令功能豐富；

③四位數(shù)據(jù)可并行發(fā)送，最大驅(qū)動能力為640×256點陣；

④可混合顯示圖形和文本方式；

⑤具有垂直、水平和滾動功能；

⑥圖形方式下具有三重屏幕顯示；

⑦內(nèi)含160個點陣字符的字符發(fā)生器。

SED1335在接口部設(shè)置了適配Intel 8080系列和M6800系列MPU的兩種操作時序電路，通過引腳的電平設(shè)置，可選擇二者之一。

本例采用的為Intel8080操作時序，如圖1所示。

圖1 SED1335與8080系列MPU接口時序

本例利用ATmega128豐富的管腳資源直接通過輸入輸出引腳控制SED1335。其中數(shù)據(jù)部分是8條數(shù)據(jù)線(DB0～DB8)，控制部分包括RD(讀)、WR(寫)、CS(片選)、A0(數(shù)據(jù)類型選擇)。ATmega128與SED1335的接線原理圖如圖2所示。

圖2 ATmega128與SED1335連線原理圖

實際上，在對SED1335進(jìn)行控制的過程中，最重要的一點就是對A0的控制。由于A0是數(shù)據(jù)類型選擇位，當(dāng)A0為1時，ATmega128發(fā)出的數(shù)據(jù)會被SED1335認(rèn)為是指令代碼而將它自動放到它的指令輸入緩存器內(nèi)；當(dāng)A0為0時，ATmega128發(fā)出的數(shù)據(jù)會被SED1335認(rèn)為是數(shù)據(jù)代碼自動放到它本身的數(shù)據(jù)輸入緩存器內(nèi)。

值得注意的是：ATmega128的輸入輸出端口必須自己設(shè)定，本文采用的編譯器是WinAVR(GCC)，所以對輸入輸出口的設(shè)定如下程序語句:

DDRA=0XFF； //將PA口設(shè)為輸出
DDRD=0XF0； //將PC口PD4～PD7設(shè)為輸出
為了控制SED1335在底層需要編寫兩個重要的驅(qū)動函數(shù)分別為SED1335寫命令函數(shù)和SED1335寫數(shù)據(jù)函數(shù)。本文使用WinAVR(GCC)編譯器，具體實現(xiàn)如下：
void SED1335_write_command(unsigned char CommandByte)
{
PORTD|=BIT(1)|BIT(3)|BIT(4)；
PORTD|=BIT(2)； //A0置高 即A0=1
PORTD&=～BIT(1)；
PORTD&=～BIT(3)；
PORTA=CommandByte；
PORTD|=BIT(1)；
PORTD|=BIT(3)；
?? }
void SED1335_write_data(Uchar dataW)
{
PORTD|=BIT(1)|BIT(3)|BIT(4)；
PORTD&=～BIT(2)；//A0置低 即A0=0
PORTD&=～BIT(1)；
PORTD&=～BIT(3)；
PORTA=dataW；
PORTD|=BIT(1)；
PORTD|=BIT(3)；
}
SED1335具有一個13條指令的指令集，多數(shù)指令帶有參數(shù)，參數(shù)由用戶根據(jù)用戶所控制的液晶顯示模塊的特性和實際應(yīng)用的需要來設(shè)置。這個指令集可實現(xiàn)初始化、顯示域、顯示狀態(tài)、光標(biāo)(包括形狀、位置和移動方向)、顯示合成方式和數(shù)據(jù)讀寫設(shè)置等，可完成多種文本的顯示、刷新等功能。

在編寫菜單以前要對SED1335進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)置液晶屏顯示的方式、顯示的合成方式等各個方面。具體程序的初始化指令代碼如下：
void GuiInit(void)
{
//SYSTEM SET COMMAND
???? SED1335_write_command(SystemSet)； //系統(tǒng)設(shè)置命令
???? SED1335_write_data(0x30)；
SED1335_write_data(0x87)；
SED1335_write_data(0x07)；???
???? SED1335_write_data(0x27)；???
???? SED1335_write_data(0x42)；???
???? SED1335_write_data(0xef)；???
???? SED1335_write_data(0x28)；???
???? SED1335_write_data(0x00)；
……
}
注意帶有多參數(shù)的指令在寫參數(shù)時，一定要按規(guī)定的順序依次寫入(參數(shù)可以不必全部寫入)，不然就會出錯。另外，在初始化設(shè)置SED1335之前應(yīng)先對ATmega128進(jìn)行初始化，主要是對I/O口進(jìn)行輸入輸出設(shè)定。
其他的工作就是具體實現(xiàn)畫點、畫圓、畫線、矩形、正方形、填充、ASCII顯示和漢字顯示以及簡單的圖標(biāo)顯示等功能了。這里列出需要實現(xiàn)的函數(shù)，不再給出具體程序代碼。

void LcdOn(void)； //允許液晶顯示
void LcdOff (void)； //關(guān)閉液晶顯示
void DispClear (void)； //清除32K RAM顯存
void GotoXY(Uint x，Uint y)； //文本方式下將光標(biāo)定位到指定位置
void GPix(Uint x，Uint y，char color)； //任意位置的畫點或消點
void lcd_rectangle(Uint x1，Uint y1，Uint x2，Uint y2，char color)； //畫方框圖
void GuiLevelLine(Uint x0，Uint x1，Uint y，char color)； //畫水平線
void GuiUpdownLine(Uint x，Uint y0，Uint y1，char color)； //畫垂直線
void GuiLine(Uint x0，Uint y0，Uint x1，Uint y1，char color)； //畫直線
void GuiCirclePixel(Uint x0，Uint y0，Uint r，char color)； //畫圓
void GuiBoxReverse(Uint dot_start_x， //指定區(qū)域的取反顯示
?????? Uint dot_start_y，
?????? Uint dot_end_x，
?????? Uint dot_end_y)；
void GuiBoxFill?? (Uint dot_start_x，??? //指定區(qū)域的填充（置0或?qū)?）
?????? Uint dot_start_y，
?????? Uint dot_end_x，
?????? Uint dot_end_y，
??char color)；
void write_string(char *ptr)； //文本方式下寫8*8的字符
void PutCdotInAlpha(Uint x，Uint y，Uint Cnumber)；//漢字寫入子程序(文本方式)
void PutCdotInGraph(Uint x，Uint y，Uint Cnumber，Uint DotWidth)； //漢字寫入子程序(圖形方式)。每次調(diào)用輸出一個漢字(可顯示16*16或24*24的漢字)
void Locatexy(Uint x，Uint y)； //圖形方式的光標(biāo)定位函數(shù)
void GuiString(Uint x，Uint y，char *ptr，char color，char colorBk)； //圖形方式的寫8*16的字符和16*16的漢字混合函數(shù)
void bprintf (Uint x，Uint y，Uint a，char color，char colorBk)； //圖形方式的顯示變量數(shù)值的函數(shù)(8*16)
void mprintf (Uint x，Uint y，int *p，char color，char colorBk)； //圖形方式的顯示文件名的函數(shù)(8*16)
整個系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

在本實例中，通過液晶顯示屏和按鍵配合操作可完成各種功能選擇和參數(shù)的設(shè)置。由于采用漢字顯示菜單，接口直觀、簡便、美觀、友好。

液晶顯示常用GUI的通用性
通過上述實例可以看出：在應(yīng)用本文設(shè)計的GUI時，只需要針對不同的MCU和LCD控制器進(jìn)行很少的底層驅(qū)動函數(shù)的更改，使其滿足LCD控制器的控制時序和控制特性即可，而GUI基本的畫點、畫圓、畫線、矩形、正方形、填充、ASCII顯示和漢字顯示以及簡單的圖標(biāo)顯示等功能，幾乎不用改動或只需針對光標(biāo)定位進(jìn)行改動。此外，對于AVR單片機而言由于具有豐富的管腳資源可以直接使用輸入輸出引腳，對LCD控制器進(jìn)行控制，其實當(dāng)該GUI作為嵌入式系統(tǒng)的顯示部分時可以不用? I/O進(jìn)行控制來滿足時序。如本文所舉的實例如果由FPGA完成時序配置，則只需對SED1335寫命令函數(shù)和SED1335寫數(shù)據(jù)函數(shù)稍加修改，而其余GUI函數(shù)都可以直接應(yīng)用。修改的SED1335寫命令函數(shù)和SED1335寫數(shù)據(jù)函數(shù)代碼如下：
void sed1335_write_command(Uchar CommandByte)
{
?*(volatile unsigned char*)SED1335_WRITE_COMMAND_ADDR =CommandByte；
}
void sed1335_write_data(Uchar dataW)
{
?*(volatile unsigned char*)SED1335_WRITE_DATA_ADDR=dataW；
}

結(jié)束語
工業(yè)測量控制儀器中，友好的人機對話窗口可使操作更加簡單，本文提出的液晶顯示的常用GUI不僅滿足工控要求，而且具備很好的通用性，同時還有輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、可配置等特點，可以方便地移植到各種工控嵌入式系統(tǒng)中。