MCU應(yīng)用方案

第六十一期 2025.09.01

項(xiàng)目方案概述

本應(yīng)用來源于前級(jí)效果器面板項(xiàng)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(dá)50Mb/s，經(jīng)計(jì)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(shù)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(jià)格并不是很好的選擇，因此選用了M3大容量的CKS32F103VET6。LCD驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)接口，利用了MCU的FSMC功能，對(duì)比SPI一根線傳輸數(shù)據(jù)，F(xiàn)SMC可同時(shí)傳輸8位/16位數(shù)據(jù)，其速率實(shí)測(cè)連續(xù)單色刷屏可達(dá)百幀以上，本項(xiàng)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(jí)菜單，沒有掛系統(tǒng)，多級(jí)菜單優(yōu)劣勢(shì)明顯，優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，把系統(tǒng)分成一個(gè)個(gè)的層級(jí)，通過按鍵輪詢菜單就可以切換不同的界面，其缺點(diǎn)是可靠性不足，不足以承載復(fù)雜的系統(tǒng)，基于項(xiàng)目復(fù)雜性及可靠性評(píng)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(xiàng)目拓展性及成功率。

圖1 前級(jí)效果器面板開發(fā)樣機(jī)

方案主要設(shè)計(jì)核心思路

客戶的核心訴求主要是刷屏效果要達(dá)到原版效果，原版效果應(yīng)該在20幀以內(nèi)，速度比較快但刷屏?xí)r依然可以看到刷屏線，另一個(gè)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(yùn)行頻率可達(dá)144MHz，因此在軟件的最開始，手動(dòng)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(shí)間必須配置為5，因?yàn)橹黝l增加了，要保證有足夠的等待時(shí)間才能完成配置，實(shí)測(cè)等待時(shí)間2時(shí)，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(qū)動(dòng)：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(qū)動(dòng)時(shí)序，和FSMC模式A的時(shí)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(shí)間和數(shù)據(jù)保持時(shí)間都配置到最小。

表1 MCU與LCD屏接口硬件連接

（3）打點(diǎn)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(qū)動(dòng)顯示芯片相應(yīng)的顯存里面（需要此芯片的根本原因是MCU SRAM不足），驅(qū)動(dòng)顯示芯片再按照配置好的掃屏順序，在顯示屏上刷新一個(gè)個(gè)像素點(diǎn)（圖2）。

圖2 MCU與LCD屏的關(guān)系

而打點(diǎn)函數(shù)就是MCU用來傳輸數(shù)據(jù)到LCD驅(qū)動(dòng)顯示芯片的橋梁，一般傳輸一個(gè)像素點(diǎn)數(shù)據(jù)，都需要先發(fā)送命令，再發(fā)送數(shù)據(jù)，LCD驅(qū)動(dòng)顯示芯片才會(huì)知道你這個(gè)數(shù)據(jù)用來干什么，一般的打點(diǎn)函數(shù)，會(huì)對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)都進(jìn)行寫命令再發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣每次都會(huì)浪費(fèi)2次8位數(shù)據(jù)的時(shí)間，整一個(gè)屏320*240個(gè)像素點(diǎn)，就會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，因此優(yōu)化了打點(diǎn)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(diǎn)連續(xù)寫入，只需要一次循環(huán)結(jié)束就可以完成打點(diǎn)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?yàn)橛蠰CD驅(qū)動(dòng)顯示芯片的中轉(zhuǎn)存在，這里會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題，當(dāng)LCD還沒有刷新完屏幕一幀畫面時(shí)（讀顯存），LCD驅(qū)動(dòng)顯示芯片就寫入下一幀的畫面，那這兩幀之間，就會(huì)產(chǎn)生斷紋，對(duì)應(yīng)到人眼視覺上面，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橫向撕裂的短暫停留（圖3）。 本方案解決這個(gè)問題的方式是通過讀取驅(qū)動(dòng)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(dāng)然弊端是這個(gè)讀取時(shí)間導(dǎo)致幀數(shù)降低，所以本方案在刷整屏的時(shí)候才會(huì)去等待掃描線，啟用消除橫向撕裂功能，小面積刷屏的時(shí)候幾乎不會(huì)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(chǎn)生的原因，讀和寫的不同步

（4）LVGL系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化：LVGL作為一個(gè)輕量級(jí)GUI系統(tǒng)，并不是想要顯示圖像，就能馬上發(fā)送打點(diǎn)函數(shù)，LVGL會(huì)有一個(gè)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(diǎn)函數(shù)輸出，這個(gè)緩存區(qū)域會(huì)極大的影響幀率，一般默認(rèn)是每次緩存像素點(diǎn)的十分之一，就會(huì)存在10次緩存等待時(shí)間，因此選擇優(yōu)化這個(gè)次數(shù)，但是增大緩存區(qū)域會(huì)極大的占用SRAM，目前優(yōu)化配置為緩存總像素點(diǎn)的四分之一，占用38K字節(jié)SRAM，幀數(shù)可達(dá)20幀左右。

當(dāng)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(dāng)于開辟雙倍的緩存區(qū)域，一個(gè)負(fù)責(zé)渲染，一個(gè)負(fù)責(zé)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(shè)，并且實(shí)測(cè)同等SRAM占用下，雙緩存不如單緩存顯示效果好。

方案進(jìn)行到這一步的時(shí)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?yàn)檩p量級(jí)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(shè)計(jì)內(nèi)存管理，配置后系統(tǒng)會(huì)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(xiàng)目需求，接下來進(jìn)行功能項(xiàng)開發(fā)。雖然本項(xiàng)目看起來不大，但涉及的內(nèi)容非常多，共分為7大項(xiàng)：

1） 輸入按鍵及旋鈕開發(fā)

本項(xiàng)目所有輸入分兩種，第一種是ADC檢測(cè)的按鍵，由一個(gè)ADC外設(shè)，來檢測(cè)由分壓電阻隔開的11個(gè)電平，共分11個(gè)按鍵，不同adc值得到特定按鈕，本功能難點(diǎn)是adc檢測(cè)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(zhǔn)確的命中鍵值，這里每次觸發(fā)adc中斷，會(huì)從DMA讀取100個(gè)adc值，然后快速作一個(gè)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(shè)定在16ms內(nèi)處理一次。能準(zhǔn)確得到按鍵值后，因?yàn)樘幚頃r(shí)間很快，為了使重復(fù)按鍵不沖突，設(shè)定了第一次按鍵鎖定以及鎖定時(shí)間，按下第一個(gè)按鍵后一定時(shí)間內(nèi)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(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)，都會(huì)觸發(fā)AB兩個(gè)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(zhuǎn)。軟件部分使用2個(gè)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(zhuǎn)，需要觸發(fā)多次判斷，同時(shí)要兼顧軟件防抖。三組編碼器共用到6個(gè)IO外部線中斷。

圖4 編碼器正反轉(zhuǎn)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(xiàng)目用到了NXP的一個(gè)軟件GUI-guider，頁面如圖5所示，是一款以圖像設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VGL代碼的軟件，通過配置模型和觸發(fā)事件，能快速的幫你轉(zhuǎn)化成代碼。有眾多使用方式，如新建文本框并給這個(gè)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(shí)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(gè)文本框圖像，設(shè)定大小和文本內(nèi)容，右鍵添加相關(guān)事件，最后會(huì)自動(dòng)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(yàn)修改，如內(nèi)存泄露，跳轉(zhuǎn)后沒有及時(shí)清理新建過的模型，導(dǎo)致內(nèi)存一直累積，多次跳轉(zhuǎn)后爆內(nèi)存。本項(xiàng)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(xiàng)目高達(dá)20多個(gè)頁面，200多個(gè)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(xiàng)目參數(shù)切換頁面如圖6所示，這是其中一頁的可調(diào)參數(shù)，通過旋鈕來選擇參數(shù)項(xiàng)，如選到輸入選擇，按下確認(rèn)按鍵后，進(jìn)入?yún)?shù)切換模式，再次轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕將模擬1切換為模擬2、藍(lán)牙、USB等字樣。

軟件層面來看，我們找到這個(gè)文本框事件，添加按下事件，觸發(fā)這個(gè)事件會(huì)進(jìn)入到修改參數(shù)的狀態(tài)，不同參數(shù)切換有不同標(biāo)志位，整個(gè)項(xiàng)目參數(shù)切換標(biāo)志位多達(dá)200個(gè)，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(fèi)大量的重復(fù)工作。

圖6 MCU與LCD屏的關(guān)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(shí)間自動(dòng)回到主頁并顯示上鎖符號(hào)，上鎖后不能操作按鍵，僅能用旋鈕調(diào)節(jié)音樂話筒效果等音量，按鍵后會(huì)進(jìn)入解鎖頁面，輸入正確密碼后，回到主頁并解除上鎖符號(hào)，但一段時(shí)間不操作依舊會(huì)回到上鎖頁面，除非關(guān)閉面板鎖。

軟件設(shè)計(jì)了2種狀態(tài)，一種是開啟面板鎖功能標(biāo)志位，一種是完全上鎖標(biāo)志位，開啟面板鎖并不會(huì)馬上進(jìn)入第二種狀態(tài)，不管當(dāng)前是什么頁面，只要一段時(shí)間不操作，就會(huì)跳轉(zhuǎn)主頁并完全上鎖，完全上鎖后只要按鍵，就會(huì)跳轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)，每次按鍵都會(huì)復(fù)位計(jì)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(duì)命名設(shè)計(jì)，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(diào)用相應(yīng)序號(hào)及名字的模式，所有參數(shù)會(huì)自動(dòng)切換到上次保存的配置。這個(gè)功能和參數(shù)切換類似，把每一位的名稱都當(dāng)成是獨(dú)立的一個(gè)參數(shù)，由A-Z，a-z，0-9還有空格一共63個(gè)數(shù)組成的數(shù)組里面選擇，總共10位組成一段命名，同時(shí)調(diào)整序號(hào)，會(huì)馬上顯示相應(yīng)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(gè)數(shù)字變化，另外增加原密碼的對(duì)比，以及密碼修改功能。這部分的難點(diǎn)在于要考慮全面，當(dāng)保存命名/輸入密碼中途，插入其他操作，應(yīng)該復(fù)位和保存相應(yīng)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(kù)修改開發(fā)

在項(xiàng)目的初期，原方案商并沒有加入進(jìn)來，沒有獲取到對(duì)方的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)定，因此設(shè)計(jì)將所有16組配置參數(shù)寫入內(nèi)部Flash，以及讀取的一套驗(yàn)證方式，把寫入內(nèi)部Flash當(dāng)成是發(fā)送到對(duì)方數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，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(nèi)存數(shù)組里，再?gòu)奶囟ǖ刂?，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(jiǎn)化代表字符串，再根據(jù)不同數(shù)字轉(zhuǎn)換回字符串用于顯示。雖然后期加入對(duì)方的數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在DSP內(nèi)部，但這種方式也有效的設(shè)計(jì)了字符串轉(zhuǎn)換的函數(shù)，減少了開發(fā)周期。

7） 事務(wù)優(yōu)化

LVGL的特色是按照心跳自行輸出畫面，而眾多的事務(wù)總會(huì)對(duì)畫面做干預(yù)，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(shí)，我們直接去干預(yù)，會(huì)造成系統(tǒng)卡死，因此可以利用LVGL的軟件定時(shí)器，將所有事務(wù)都運(yùn)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(cè)中斷，因?yàn)椴荒芊旁谲浖〞r(shí)器內(nèi)執(zhí)行，我們盡可能的減少數(shù)據(jù)量處理，僅用于標(biāo)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(wù)系統(tǒng)，來輔助線程操作。

軟件定時(shí)器新建方式如下：

lvgl_task2 = lv_timer_create(OS_Handler, 10, 0);

//創(chuàng)建軟件定時(shí)器，后續(xù)直接調(diào)用void OS_Handler(lv_timer_t * tmr)

結(jié)語

以上是本項(xiàng)目核心的開發(fā)思路，詳細(xì)開發(fā)過程中還會(huì)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(guān)函數(shù)，上機(jī)連接DSP實(shí)測(cè)通訊控制沒有問題。

整個(gè)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(biāo)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?yàn)榫彌_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(píng)估，同樣顯示功能， SPI+DMA+多級(jí)菜單的方案也是足夠使用，當(dāng)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。