基于單片機的EMS液晶顯示觸摸屏設計方案

一、引言

隨著電動車市場的不斷擴展和用戶對電動車性能要求的提高，電池能量管理系統(tǒng)（EMS）成為電動車中不可或缺的重要部分。EMS液晶顯示觸摸屏作為用戶與電動車交互的重要界面，其設計至關重要。本文提出了一種基于STM32F103單片機的EMS液晶顯示觸摸屏設計方案，詳細描述了系統(tǒng)架構、硬件連接、軟件實現(xiàn)等方面。

二、系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)架構

本設計方案以STM32F103單片機為核心控制器，通過I/O口與四線電阻觸摸屏相連，利用STM32F103自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能檢測觸摸并計算觸點坐標，實現(xiàn)觸摸功能。同時，STM32F103通過I/O接口與TFT液晶屏模塊通信，控制實現(xiàn)顯示功能。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

2.2 主要器件介紹

2.2.1 STM32F103單片機

STM32F103是ARM公司為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核單片機。它擁有可達128KB的嵌入式閃存、20KB的SRAM，以及豐富的外設資源，如兩個1μs的12位ADC、一個全速USB（OTG）接口、一個CAN接口、三個4M/S的UART、兩個18M/S的SPI和兩個I2C等。此外，STM32F103還集成了復位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等，方便用戶開發(fā)。其功耗極低，在72MHz時消耗36mA（所有外設處于工作狀態(tài)），待機時下降到2μA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品之一。

2.2.2 TFT液晶屏模塊

本方案選用的是3.5寸的TFT液晶屏模塊，工作電壓3.3V，最大工作電流70mA，支持320×240分辨率。該模塊內(nèi)置230K內(nèi)存，顯示可達256K色，支持文字和圖形顯示，采用LED背光設計，可通過軟件調(diào)節(jié)背光亮度。此外，它還內(nèi)置簡體中文字庫，支持2D的BTE引擎和幾何圖形加速引擎，可對顯示對象進行復雜的操作，如畫面旋轉(zhuǎn)、卷動、圖形Pattern、雙層混合顯示和文字放大等，大大增強了顯示屏的顯示能力。

2.2.3 四線電阻觸摸屏

四線電阻觸摸屏是一種常見的觸摸屏類型，其基本原理是當手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏時，所觸摸的位置（以坐標形式）由觸摸屏控制器檢測，并通過接口送到微控制器，從而確定輸入的信息。本方案利用STM32F103自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)觸摸屏控制器的功能，直接控制四線電阻觸摸屏，檢測觸摸信息并計算出觸點坐標。

三、硬件設計

3.1 硬件模塊連接

液晶觸摸顯示屏系統(tǒng)主要由微控制器STM32F103、TFT液晶屏模塊、四線電阻觸摸屏以及與外界通信的CAN總線接口組成。硬件模塊連接如圖2所示。

圖2 硬件模塊連接圖

四線電阻觸摸屏的觸摸檢測裝置安裝在TFT液晶屏前面，用于檢測用戶觸摸的位置。STM32F103通過I/O口與四線電阻觸摸屏直接連接，實現(xiàn)觸摸屏控制器的功能，檢測觸摸信息并計算出觸點坐標。然后，STM32F103通過I/O接口與TFT液晶屏模塊通信，將處理好的有效信息通過TFT液晶屏顯示出來。由于STM32F103內(nèi)置CAN總線控制器，所以CAN總線接口可以直接從STM32F103的管腳引出，用于與EMS進行通信，完成信息采集、設置參數(shù)等功能。

3.2 STM32F103與四線電阻觸摸屏的接口電路

STM32F103與四線電阻觸摸屏直接通過自身的I/O口連接，實現(xiàn)觸摸屏控制器功能。其中，PA8、PA9、PA10、PA11分別作為四個三極管的控制端，通過控制三極管通斷，來控制四線觸摸屏的Y+、Y-、X+、X-。PA1和PA2是兩個A/D轉(zhuǎn)換通道，分別連接Y+和X+，用于計算觸摸點的X和Y坐標。PA3連接內(nèi)部中斷，用于檢測觸摸屏是否有觸摸動作。

觸摸屏平時運行時，令PA8、PA9、PA11輸出0，PA10=1，即只讓VT2導通。當有觸摸動作時，D1導通給PA3一個中斷信號，STM32F103接收到中斷請求后立即置PA8=1，導通VT1，這樣在Y+、Y-方向上就加上電壓，同時啟動A/D轉(zhuǎn)換通道PA2，通過輸入X+上電壓計算出觸摸點的Y坐標。然后同理令PA8、PA10為0，PA9、PA11為1，啟動A/D轉(zhuǎn)換通道PA1，通過輸入Y+上電壓計算出觸摸點X的坐標。

四、軟件設計

4.1 觸摸屏驅(qū)動

觸摸屏驅(qū)動主要實現(xiàn)觸摸信息的檢測和觸點坐標的計算。當觸摸屏被觸摸時，STM32F103通過I/O口檢測到觸摸動作，并啟動A/D轉(zhuǎn)換，讀取觸摸點的電壓值，通過計算得到觸摸點的X和Y坐標。

4.2 液晶顯示驅(qū)動

液晶顯示驅(qū)動主要實現(xiàn)信息的顯示功能。STM32F103通過I/O接口與TFT液晶屏模塊通信，將處理好的有效信息發(fā)送到TFT液晶屏上顯示出來。TFT液晶屏模塊支持文字和圖形顯示，可根據(jù)需要設置顯示內(nèi)容和格式。

4.3 CAN總線通信

STM32F103內(nèi)置CAN總線控制器，可以通過CAN總線接口與EMS進行通信。通過CAN總線，可以實現(xiàn)信息的采集、設置參數(shù)等功能。CAN總線通信具有高速、可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點，適用于電動車電池能量管理系統(tǒng)的通信需求。

五、主控芯片型號及其在設計中的作用

5.1 主控芯片型號

本設計方案采用的主控芯片是STM32F103。STM32F103是STMicroelectronics公司推出的一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能、低功耗的32位單片機。它擁有豐富的外設資源和強大的功能，能夠滿足電動車電池能量管理系統(tǒng)（EMS）液晶顯示觸摸屏的設計需求。

5.2 主控芯片在設計中的作用

1. 觸摸屏控制：STM32F103通過I/O口與四線電阻觸摸屏直接連接，利用自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能檢測觸摸信息并計算出觸點坐標，實現(xiàn)觸摸功能。

2. 液晶顯示控制：STM32F103通過I/O接口與TFT液晶屏模塊通信，控制實現(xiàn)顯示功能。它可以根據(jù)需要設置顯示內(nèi)容和格式，實現(xiàn)文字和圖形的顯示。

3. CAN總線通信：STM32F103內(nèi)置CAN總線控制器，可以通過CAN總線接口與EMS進行通信，實現(xiàn)信息的采集、設置參數(shù)等功能。CAN總線通信具有高速、可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點，適用于電動車電池能量管理系統(tǒng)的通信需求。

4. 數(shù)據(jù)處理：STM32F103可以接收來自觸摸屏和CAN總線的信息，進行處理和分析，然后將處理結果發(fā)送到TFT液晶屏上顯示出來。同時，它還可以根據(jù)需要對信息進行存儲和管理。

六、結論

本文提出了一種基于STM32F103單片機的用于電動車電池能量管理系統(tǒng)（EMS）的液晶顯示觸摸屏設計方案。該方案以STM32F103為核心控制器，通過I/O口與四線電阻觸摸屏相連，利用自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能檢測觸摸并計算觸點坐標實現(xiàn)觸摸功能；同時，通過I/O接口與TFT液晶屏模塊通信，控制實現(xiàn)顯示功能。該方案具有硬件連接簡單、軟件實現(xiàn)方便、功耗低等優(yōu)點，適用于電動車電池能量管理系統(tǒng)的液晶顯示觸摸屏設計。

通過本文的設計方案，可以實現(xiàn)電動車電池能量管理系統(tǒng)的液晶顯示觸摸屏的智能化和人性化操作，提高用戶的使用體驗。同時，該方案還可以為其他類似系統(tǒng)的液晶顯示觸摸屏設計提供參考和借鑒。

在未來的研究中，可以進一步優(yōu)化觸摸屏的驅(qū)動算法和液晶顯示的顯示效果，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。此外，還可以考慮將人工智能和機器學習技術應用于系統(tǒng)中，實現(xiàn)更加智能和個性化的操作體驗。