基于STM32的EMS液晶顯示觸摸屏設(shè)計(jì)方案

摘要：提出一種基于STM32F103單片機(jī)的用于電動車電池能量管理系統(tǒng)(EMS)的液晶顯示觸摸屏的設(shè)計(jì)方案，該方案以STM32F103作為核心控制器。STM32F103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(jì)算觸點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)觸摸功能，并通過自身的I/O接口與TFT液晶屏模塊實(shí)現(xiàn)通信，控制實(shí)現(xiàn)顯示的功能。

0 引 言

電動車一直以清潔環(huán)保而備受關(guān)注，加上能源危機(jī)加劇、油價(jià)不斷上漲，電動車也越來越受到用戶的青睞。電動車一般采用鋰電池供電，由多個單體電池串聯(lián)成電池組作為動力電源。但由于各個串聯(lián)單體電池特性不能保證完全一致，因此相同的電流下充電放電速度也會不同，如果不進(jìn)行均衡干預(yù)，電池壽命會大大縮短，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)控各個單體電池的狀態(tài)、總電壓、總電流，根據(jù)狀態(tài)適時(shí)進(jìn)行電池充放電均衡，并且充放電均衡時(shí)，均衡狀態(tài)也要實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測，所以就有了電動車電池能量管理系統(tǒng)(EMS)。實(shí)踐證明EMS可以有效延長電動車電池使用壽命，是電動車中十分重要的管理系統(tǒng)。

EMS主要包括：信息采集模塊、充放電均衡模塊、信息集中處理模塊以及顯示模塊。圖1為自主研發(fā)的電動車電池能量管理系統(tǒng)(EMS)的結(jié)構(gòu)圖，其中信息采集模塊主要完成實(shí)時(shí)采集電池組以及單體電池的電壓、溫度、電流等狀態(tài)，對電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)也為均衡模塊的開啟與關(guān)閉提供依據(jù)。均衡模塊主要完成對電池特性差異進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)采集模塊采集來的信息判斷電池狀態(tài)，對單節(jié)電池進(jìn)行充放電均衡，來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)特性一致。信息集中處理模塊負(fù)責(zé)將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、計(jì)算(如SOC等)，并監(jiān)控均衡模塊的工作，對其進(jìn)行控制，同時(shí)與顯示模塊通信，在整個系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。顯示模塊作為唯一的人機(jī)交互接口，不僅承擔(dān)著將所有數(shù)據(jù)、以及設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)地顯示給用戶，讓用戶能夠直觀地看到電池狀態(tài)和EMS工作效果，而且還為用戶與EMS的控制交流提供接口，可以讓用戶設(shè)置參數(shù)，更改EMS工作狀態(tài)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)管和控制的目的。如果沒有顯示模塊人們就無法看到電池和EMS的信息，EMS的報(bào)警或提示信息無法通知到客戶，一些報(bào)警狀態(tài)得不到及時(shí)處理輕則造成電池?fù)p壞，重則會導(dǎo)致電動車工作失控，釀成嚴(yán)重事故。同樣客戶也無法根據(jù)情況來調(diào)整和控制EMS,也不能完全發(fā)揮EMS的作用?？梢婏@示模塊的人機(jī)交互功能是EMS中不可或缺的組成部分，從顯示模塊所需的功能看觸摸屏是不錯的選擇。但如果購買市面上的觸摸屏，不僅顯示內(nèi)容會受觸摸屏本身顯示功能固定的限制而降低顯示設(shè)計(jì)的靈活度、影響顯示質(zhì)量，并且市面上觸摸屏的價(jià)格也普遍較高，給產(chǎn)品增加了很大一部分成本，這無疑會大大降低產(chǎn)品的市場競爭力。基于這種情況本文提出一種以STM32F103單片機(jī)為控制核心的比較通用的液晶觸摸屏的設(shè)計(jì)方案。

圖1 EMS結(jié)構(gòu)框圖

1 觸摸屏的種類及工作原理

觸摸屏種類眾多，可以分為電阻式、電容式、紅外線式、聲表面波式、矢量壓力傳感器等，其中電阻觸摸屏使用最為普遍。觸摸屏系統(tǒng)一般包括觸摸屏控制器和觸摸檢測裝置兩個部分。其中，觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)，再送給微控制器，它同時(shí)能接收微控制器發(fā)來的命令并加以執(zhí)行，觸摸檢測裝置一般安裝在顯示器的前端，主要作用是檢測用戶的觸摸位置，并傳送給觸摸屏控制器。觸摸屏的基本原理是，用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏?xí)r，所觸摸的位置(以坐標(biāo)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。其中觸點(diǎn)坐標(biāo)的求取方法是：如圖2所示，給觸摸屏的X+加正電壓V,X-接地時(shí)，在X+,X-方向上會形成均勻的電壓梯度，當(dāng)屏幕有觸摸時(shí)，可以通過讀取Y+的電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后計(jì)算求得觸摸點(diǎn)X坐標(biāo)。同理，在Y+,Y-方向上加電壓，可以通過X+上的值計(jì)算出觸摸點(diǎn)Y坐標(biāo)。計(jì)算坐標(biāo)的公式如下：

式中，W 為觸摸屏的寬度;H 為觸摸屏的高度。

本方案采用的是四線電阻式觸摸屏并且不使用專用的觸摸屏控制器，直接由STM32F103控制以降低成本，如圖2所示。

圖2 四線電阻觸摸屏示意圖

2 方案用到的主要器件介紹

2.1 STM32F103介紹

方案中主控器件STM32F103單片機(jī)使用的是ARM 公司為要求性能高、成本低、功耗低的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的32位的ARMCortex-M3內(nèi)核。

擁有可達(dá)128KB的嵌入式閃存、20kB的SRAM 和十分豐富的外設(shè)：兩個1μs的12位ADC,一個全速USB(OTG)接口，一個CAN 接口，三個4 M/S的UART,兩個18 M/S的SPI,兩個I2 C等。內(nèi)部還集成了復(fù)位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等，大大方便了用戶的開發(fā)。該系列單片機(jī)不僅功能強(qiáng)大而且功耗相當(dāng)?shù)停?2 MHz時(shí)消耗36 mA(所有外設(shè)處于工作狀態(tài))，相當(dāng)于0.5 mA/MHz,待機(jī)時(shí)下降到2μA ,是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。綜上STM32F103系列單片機(jī)的性能完全可以滿足液晶觸摸顯示屏的所有控制需要，內(nèi)置A/D可以用于觸摸屏控制，豐富的I/O 接口可以用于與TFT液晶屏模塊的通信，并且其本身自帶CAN控制器可以作為與外界通信接口，用STM32F103做主控制器可以減少使用器件從而簡化使整體電路，很好地達(dá)到降低EMS成本的目標(biāo)。

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3.3 V,最大工作電流70 mA.支持320×240分辨率，內(nèi)置230K內(nèi)存顯示可到256K色，可顯示文字和圖形，采用LED背光設(shè)計(jì)，使用軟件即可對背光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，內(nèi)置簡體中文字庫，支持2D的BTE引擎，同時(shí)建幾何圖形加速引擎，可以對顯示對象進(jìn)行復(fù)雜的操作如畫面旋轉(zhuǎn)功能、卷動功能、圖形Pattern、雙層混合顯示和文字放大等等。這些功能將可節(jié)省用戶在TFT屏應(yīng)用的開發(fā)時(shí)間，提升MCU軟件的執(zhí)行效率并且使畫面更加絢麗，顯示功能更加豐富，使顯示屏顯示能力大大增強(qiáng)。提供8位或16位總線接口，方便與MCU的連線，適應(yīng)性強(qiáng)，連接設(shè)計(jì)靈活。