左安友，劉廷平，黃 勇

(湖北民族學院 理學院，湖北 恩施 445000)

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of the system

隨著我國經(jīng)濟快速、穩(wěn)定發(fā)展，各種高層、超高層建筑在各城市如雨后春筍般拔地而起.樓宇結(jié)構(gòu)種類、復雜程度不斷增多和增強，樓宇結(jié)構(gòu)介紹成為現(xiàn)代建筑必不可少的組成部分，為滿足這一需要，研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的樓宇結(jié)構(gòu)介紹系統(tǒng)，可以在賓館、醫(yī)院、政府辦公大樓等使用.該系統(tǒng)通過顯示各樓層平面圖和樓層主要單位的簡介，把樓宇結(jié)構(gòu)清晰地展現(xiàn)在來訪者面前.

1 樓宇平面結(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要由五部分組成：STC12C5A60S2單片機、SD卡、智能VGA控制板、獨立鍵盤、液晶顯示器.系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

該系統(tǒng)工作過程為：接通電源后開始顯示首頁，首頁包含大樓樓層的主要單位和樓層兩個部分，來訪者在首頁尋找到要去的部門，查詢相應的樓層.每個鍵代表一層樓，通過按鍵來選擇各個樓層平面圖，平面圖存儲于SD卡中，由智能VGA控制板清屏，然后驅(qū)動液晶屏顯示各樓層平面圖.進入該樓層平面圖后，出現(xiàn)二級菜單，該菜單上有該樓層的主要單位及負責人的簡介，若一分鐘內(nèi)沒有人使用它，單片機自動關閉顯示器，以達到節(jié)能目的，當下次再有人按按鍵時，液晶顯示器重新啟動.從顯示主頁提供的信息來訪者就可以方便、快捷選擇想要查找的部門平面圖和了解相關單位的基本信息.

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機選擇

單片機是整個方案的核心，用于讀取SD卡中的樓層平面機構(gòu)圖、控制液晶顯示器刷屏速度，再綜合考慮性能和成本方面的原因，選用了AT-MEC公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機[1]，其特點有：①超強抗干擾，整機輕松過2萬伏靜電測試；②速度快，1個時鐘/機器周期，可用低頻晶振，大幅降低EMI；③超低功耗：外部中斷喚醒功耗，0.1 μA，支持下降沿/上升沿/低電平和遠程喚醒適用于電池供電系統(tǒng)；④內(nèi)部集成高可靠復位電路，外部復位電路可徹底省掉，當然也可以繼續(xù)用外部復位電路.

在實驗過程中，曾經(jīng)使用STC89C52單片機，但在調(diào)試時效果不佳，主要表現(xiàn)在顯示器刷屏速度慢，大約需要30秒左右才把整個顯示的平面圖展示出來，這樣對于使用者浪費了很多時間，同時給人帶來的方便程度下降，失去了這項設計的意義，但換成STC12C5A60S2增強型單片機后，把晶振換成47Hz時刷屏速度明顯加快，時間縮短為5秒左右，這就充分體現(xiàn)了STC12C5A60S2單片機的特點，大幅降低EMI.由于該顯示是一個長時間在各種復雜環(huán)境的顯示，所以使用了該單片機超低功耗特點，只需電池就可以供電支持下降沿/上升沿/低電平和遠程喚醒.為了使開發(fā)設備簡單易用，還利用了該單片機外部復位電路可省掉的特點.

2.2 智能VGA控制器

智能VGA控制器是整個控制系統(tǒng)的重要部件，智能VGA控制板采用了先進的大規(guī)模集成電路，整合了USB2.0、CPLD、FPGA、32位ARM處理器、嵌入式系統(tǒng)等先進的技術，專門針對單片機用戶而精心設計，是一款可用單片機直接控制VGA/LCD 顯示器的智能顯示，它的性能直接影響到系統(tǒng)的功能和效果.智能VGA 控制板更像是為單片機量身定做的“顯卡”，能通過VGA接口直接驅(qū)動液晶或CRT 顯示器.其特點是：①分辨率可選800×600或1024×768或640×480；分辨率是640×480時刷新率是60 Hz，分辨率是 800×600時刷新率是70 Hz，分辨率是1024×768時刷新率是60 Hz；顏色位數(shù)為65536色，真正的真彩色；②在指定的X軸，Y軸位置顯示12×12、16×16、24×24、32×32、40×40、48×48、64×64等中英文字符，內(nèi)置有中英文字庫.可以顯示任何字體和大小的中英文字庫，字體的多樣化媲美WINDOW XP操作系統(tǒng)；③在指定的X軸，Y軸的位置顯示直線、矩形、圓或橢圓；④動態(tài)曲線和波形的顯示；⑤清除全屏、填充指定位置和長寬的矩形區(qū)域、反色指定大小的矩形區(qū)域；⑥64M字節(jié)大小的超大NAND FLASH存儲器空間用于存放用戶的圖片，支持顯示JPG、BMP、GIF等格式的圖片.圖片的顏色均支持64K色，顯示速度快且流暢.圖片的顯示效果非常接近PC機上的“所見即所得”；⑦所有的功能只需通過單片機的RS232串行口發(fā)送簡單的指令完成；⑨PS2鼠標驅(qū)動功能，提供了強大的人機交互控制功能.上電自動識別鼠標；鼠標出錯檢測，出錯自動重啟；具有4種以上可控鼠標形狀.使用過程中用VGA智能控制板驅(qū)動了19寸液晶顯示器[2]，應用生產(chǎn)商提供的調(diào)試代碼進行了顯示設置，分辨率為800×600，背景色為藍色，由于生產(chǎn)商在生產(chǎn)過程中就很多特性已經(jīng)調(diào)試完成，并提供了源代碼，開發(fā)人員不必了解和學習VGA智能開發(fā)板的結(jié)構(gòu)與性能，只要根據(jù)源代碼設定一些需要設定的參數(shù)，這為系統(tǒng)調(diào)試提供了方便.

2.3 SD卡、鍵盤、液晶顯示器

SD卡是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，在很小的體積內(nèi)結(jié)合了SanDisk快閃記憶卡控制與MLC，是一種微型、低功耗、可移動的Flash多功能存儲卡，該卡向上兼容MMC卡，并且增加了智能保護功能，以有效防止盜版，同時具有更快的傳輸速率及更高的存儲容量，可廣泛用于便攜式消費類電子產(chǎn)品中[3].有足夠的空間存儲所需圖片，方便單片機讀取圖片,SD卡讀寫系統(tǒng)中的接口電路采用的是STC12C5A60S2單片機控制，SD卡中存儲的圖片是經(jīng)前期對樓層調(diào)查，準確提供了繪制平面圖的數(shù)據(jù)，使用AUTO CAD 2010軟件繪制的平面圖，經(jīng)Adobe Photoshop CS3進行加工，經(jīng)轉(zhuǎn)換成bin圖片存儲于SD卡中，并標注其位置，在單片機編程中把圖片調(diào)出時需要相應的位置信息，并通過軟件編程實現(xiàn)SPI模式的數(shù)據(jù)傳輸(包括串行時鐘、數(shù)據(jù)的輸入和輸出)，把圖片顯示在液晶顯示器上.在SPI模式下，單片機與SD卡的連接主要有四根線(包括時鐘線，兩根數(shù)據(jù)傳輸線和一根片選線).

鍵盤設計方案常見的有兩種，第一是矩陣式，第二是獨立式[4].由于本系統(tǒng)所涉及到的按鍵不多，常用的獨立式的按鍵包括k1-k6鍵，用于選擇樓層及主要單位或者主要負責人簡介，功能按鍵有返回按鍵，當需要返回首頁時按下.液晶顯示器用于顯示樓層平面圖及相關信息，直接通過串口與VGA連接.

圖2 系統(tǒng)電路原理圖Fig.2 Circuit principle diagram of the system

2.4 復位電路

在一分鐘內(nèi)沒有人使用它時，單片機中斷自動關閉顯示器，需要重新顯示的時候，按下復位鍵，重新刷屏，開始顯示[5].

2.5 系統(tǒng)原理圖

如前所述，整個系統(tǒng)由以上各個電路單元組成，系統(tǒng)整體原理圖如圖2所示.

3 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

為提高代碼執(zhí)行效率，運算精確，采用C語言編程[6-7]，具有編譯效率高，對底層硬件操作方便，方便移植等特點.主程序模塊主要負責定時中斷的初始化和各I/O口初始化，等待鍵盤對各樓層的指令，并選擇各樓層平面圖形，如：在平面圖右邊有其需要了解的部門或者單位，對應按下選擇鍵，顯示主要部門簡介或主要負責人簡介，如果選擇錯誤可按下返回按鍵，圖像界面就回到首頁.在無人使用的時候自動關閉顯示器，起到節(jié)能和保護顯示器的作用.

3.1 SD卡的初始化

為了使SD卡初始化進入SPI模式[8]，需要使用的命令有3個：CMD0、ACMD41、CMD55(使用ACMD類的指令前應先發(fā)CMD55，CMD55起到一個切換到ACMD類命令的作用)，為了實現(xiàn)兼容性，上電或者發(fā)送CMD0后，先發(fā)送CMD55+ACMD41確認是否有回應，如果有回應則為SD卡，如果等回應超時，則可能是MMC卡，再發(fā)CMD1確認，正確的回應內(nèi)容應該是：CMD0—0x01(SD卡處于in-idle-state)，CMD55—0x01(SD卡處于in-idle-state)，ACMD41—0x00(SD卡跳出in-idle-state，完成初始化準備接受下一條指令)，如果最后的回應內(nèi)容是0x01的話，可以循環(huán)發(fā)送CMD55+ACMD41，直到回應的內(nèi)容0x00，在所有的指令中，CMD0較特殊，在向SD卡發(fā)送以前需要向SD卡發(fā)送74個時鐘(CLK).

3.2 SD卡的讀寫

SD卡的數(shù)據(jù)傳輸主要通過塊讀寫來實現(xiàn)，當RAM中已存放由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳來的512 KB數(shù)據(jù)時，單片機便向SD卡寫入此塊數(shù)據(jù).塊讀取時，可發(fā)送命令CMD17， 接收到的應答信號為0x00， 這樣就可以直接接收數(shù)據(jù)了，接收到的數(shù)據(jù)的第1個字節(jié)為數(shù)據(jù)令牌0xfe，后面的為接收到的數(shù)據(jù)，當輸出口變?yōu)楦唠娖綍r，表明讀取操作完成.SD卡的讀操作與寫操作相同.主程序流程圖如圖3、SD卡子程序圖如圖4、VGA子程序圖如圖5所示.

圖3 主程序流程圖 圖4 SD卡子程序圖 圖5 VGA子程序圖 Fig.3 Main program flow chart Fig.4 SD subprogram chart Fig.5 VGA subprogram chart

4 測試結(jié)果

4.1 硬件調(diào)試

根據(jù)設計原理圖2搭建硬件電路，在連線正確的前提下進行硬件調(diào)試，通電后，用示波器檢測單片機的ALE管腳，觀察到輸出的波形為方波2MHz,說明單片機工作正常.

4.2 軟件調(diào)試

該設計用C語言編寫程序，用Keil uVision3編譯軟件進行編譯，將源文件：基于STC12C5A60S2單片機樓宇平面結(jié)構(gòu)的設計.C進行編譯，編譯順利通過.產(chǎn)生了如下文件：①基于STC12C5A60S2單片機樓宇平面結(jié)構(gòu)的設計.uv2；②基于STC12C5A60S2單片機樓宇平面結(jié)構(gòu)的設計.M51；③基于STC12C5A60S2單片機樓宇平面結(jié)構(gòu)的設計.lnp；④基于STC12C5A60S2單片機樓宇平面結(jié)構(gòu)的設計.hex.

4.3 測試結(jié)果

本設計以湖北民族學院理學院教學大樓為例，顯示效果如圖6所示.

圖6 理學院教學大樓平面結(jié)構(gòu)顯示效果圖Fig.6 Science teaching building plane structure display rendering

5 結(jié)論

本文完整的給出了樓宇平面結(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)的設計方案，該方案以STC12C5A60S2單片機為核心，以智能VGA控制板、SD卡及外圍電路為輔助，詳細說明了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理.通過制作該裝置以及相關實驗，驗證了該樓宇平面結(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)具有較高的實用價值.目前，該設計已經(jīng)申請并獲得了國家實用新型專利[9].

[1] 楊明欣，張杰，鄭郁正.基于STC單片機的實驗開發(fā)平臺的設計[J].成都信息工程學院學報，2006，21(3)：410-413.

[2] 李維緹.郭強.液晶顯示應用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，1993：200-315.

[3] 林倩，嚴桂林.基于STC12C5A60S2單片機的SD卡讀寫[J].電子元器件應用，2010，12(4)：1-3.

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[5] 李麗.單片機復位電路的抗干擾設計[J].遼寧師專學報,2009,11(4)：26-27.

[6] 譚浩強.C程序設計[M].北京：清華大學出版社，2005：134-256.

[7] 鄭春來，韓團軍，李鑫.編譯軟件Keil在單片機課程教學中的應用[J].高教論壇，2009，25(12)：96-97.

[8] 尚怡君，葛明濤.SPI模式下對SD卡的讀寫控制[J].光盤技術，2009，15(8)：28-29.

[9] 劉廷平，黃勇，左安友.一種電子樓宇平面結(jié)構(gòu)展示裝置[P].中華人民共和國國家知識產(chǎn)權局，ZL 2011 2 0018934.X,2011-08-10.