趙建勇，鄔惠峰

(杭州電子科技大學(xué)智能與軟件技術(shù)研究所，浙江杭州 310018)

嵌入式實驗教學(xué)中液晶屏驅(qū)動實驗創(chuàng)新與實踐

趙建勇，鄔惠峰

(杭州電子科技大學(xué)智能與軟件技術(shù)研究所，浙江杭州 310018)

針對嵌入式實驗教學(xué)的特點，提出液晶屏驅(qū)動實驗創(chuàng)新的實驗方法。方法基于ARM S3C2410處理器的硬件平臺，配合自行開發(fā)的人機界面設(shè)計軟件，實現(xiàn)嵌入式環(huán)境下所見即所得的液晶屏驅(qū)動實驗?zāi)Ｊ健＝Y(jié)果表明，可有效提高學(xué)生的實驗興趣，提高實驗主動性，進而掌握實驗的本質(zhì)。

液晶屏驅(qū)動;嵌入式;實驗教學(xué)

嵌入式系統(tǒng)融合了計算機、通訊、半導(dǎo)體、微電子等多門學(xué)科技術(shù)，針對實際應(yīng)用系統(tǒng)需求，將相應(yīng)的計算機直接嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，近年來掀起了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用熱潮，嵌入式系統(tǒng)課程也應(yīng)勢成為了近幾年新興的一門課程，國內(nèi)外高校在嵌入式方面的教學(xué)已經(jīng)全面展開，教育主管部門也十分重視在校大學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)方面的理論課程與實踐。然而，與傳統(tǒng)相關(guān)課程相比，嵌入式的實踐教學(xué)難度更大，對教師及學(xué)生的要求更高，如何提高嵌入式教學(xué)質(zhì)量，特別是嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)效果，值得研究和探索。

傳統(tǒng)嵌入式教學(xué)實驗多基于實驗平臺完成簡單驗證性實驗，學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書按部就班就可順利完成實驗［1］。但是學(xué)生即使完成實驗，由于實驗過程枯燥，對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)以及嵌入式系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用方法還是缺少感性的認(rèn)識，而且由于實驗過程中缺少引導(dǎo)學(xué)生自主思考的策略，學(xué)生動手實踐能力、創(chuàng)新探索精神也得不到較好的鍛煉和提高，甚至有時整個實驗過程是盲目的［2］。因此，如何提高學(xué)生實驗教學(xué)水平，引導(dǎo)學(xué)生掌握實驗的本質(zhì)，是實驗教學(xué)亟需解決的問題，其指導(dǎo)思想是引導(dǎo)學(xué)生主動的去實驗，主動去思考問題，進而解決問題，而不是純粹的教實驗［3］。要引導(dǎo)學(xué)生主動實驗，首先要提高學(xué)生的實驗興趣，從而提高其實驗主動性，再從中引導(dǎo)學(xué)生掌握實驗的核心內(nèi)容。本文以嵌入式系統(tǒng)中常用的液晶屏驅(qū)動實驗應(yīng)用為例，提出創(chuàng)新的實驗教學(xué)方法，為嵌入式實驗教學(xué)提供參考。

一、實驗組成

提出的液晶屏驅(qū)動實驗系統(tǒng)由3部分組成:帶液晶屏的嵌入式實驗硬件平臺，液晶屏驅(qū)動實驗的人機界面設(shè)計平臺，液晶屏邏輯驅(qū)動程序。

帶液晶屏的嵌入式實驗硬件平臺以SAMSUNG公司的ARM9處理器S3C2410為核心，配置640×480分辨率的7英吋數(shù)字接口液晶屏顯示器，支持16位顏色顯示，顯示圖像緩沖區(qū)為實驗平臺上的32M RAM芯片。

液晶屏驅(qū)動實驗的人機界面設(shè)計平臺采用所見即所得的設(shè)計方式，在PC端生成與嵌入式系統(tǒng)液晶屏大小一致的設(shè)計窗口，學(xué)生只要在此窗口設(shè)計自己所希望的圖形界面，通過自動轉(zhuǎn)換后生成對應(yīng)的液晶屏顯示數(shù)據(jù)。通過可自行設(shè)計畫面的樂趣引導(dǎo)學(xué)生主動將顯示數(shù)據(jù)與液晶屏驅(qū)動邏輯程序相結(jié)合，通過編譯、下載寫入平臺的RAM空間，實現(xiàn)液晶屏的顯示。界面操作采用自行開發(fā)的類似于操作系統(tǒng)環(huán)境下畫圖板程序，通過人機界面平臺提供的接口，可以導(dǎo)入現(xiàn)有圖片作為液晶屏顯示內(nèi)容，也可以通過平臺提供的繪圖控件，通過拖拉方式，實現(xiàn)任意畫面的設(shè)計，所有操作和畫圖板的操作方式類似，實驗時學(xué)生只要花少量時間就能夠快速適應(yīng)液晶屏顯示人機界面的設(shè)計模式。學(xué)生根據(jù)個人喜好設(shè)顯示界面，通過多次的界面設(shè)計、邏輯程序的理解、編譯、下裝，完成整個實驗過程。

液晶屏邏輯驅(qū)動程序采用框架結(jié)構(gòu)，完成嵌入式系統(tǒng)硬件驅(qū)動、液晶屏驅(qū)動程序調(diào)度、液晶屏顯示數(shù)據(jù)獲取及動態(tài)生成。通過程序框架，學(xué)生很容易理解實現(xiàn)液晶屏顯示所需要的程序步驟及程序內(nèi)容，從而掌握液晶屏顯示的方法。

傳統(tǒng)的液晶屏驅(qū)動實驗中，顯示內(nèi)容為實驗儀生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)文件，不能預(yù)知程序執(zhí)行后液晶屏?xí)@示什么內(nèi)容。實驗時，學(xué)生只是照搬廠家提供的程序運行，查看顯示內(nèi)容，但并不理解顯示原理。本文關(guān)鍵的創(chuàng)新點在于:(1)創(chuàng)新的界面設(shè)計方法。通過該方法，實驗的設(shè)計成果可快速的在平臺上得到驗證，改變了傳統(tǒng)實驗教學(xué)為了實驗而做實驗的枯燥過程，可有效提高學(xué)生的實驗興趣及實驗的主動性。(2)創(chuàng)新的框架程序結(jié)構(gòu)。通過框架結(jié)構(gòu)程序，學(xué)生可以快速理解程序各個部分的功能，可以針對各個功能進行有目的的深入學(xué)習(xí)，進而明白從界面設(shè)計到顯示數(shù)據(jù)生成到液晶屏顯示整個過程。

二、實驗原理

(一)界面設(shè)計實現(xiàn)原理

根據(jù)繪制好的圖片，生成嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下的液晶屏顯示數(shù)據(jù)是整個實驗過程的紐帶。通過生成的數(shù)據(jù)，結(jié)合CPU的液晶屏驅(qū)動程序，即可實現(xiàn)圖形顯示環(huán)境的轉(zhuǎn)移。該方法采用兩種方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)生成:一種是靜態(tài)生成方式，另一種是動態(tài)生成方式。

靜態(tài)實現(xiàn)方式通過Windows操作系統(tǒng)提供的API像素提取函數(shù)，將設(shè)計好的界面上的圖形按像素數(shù)據(jù)提取RGB值，根據(jù)色彩構(gòu)成關(guān)系，轉(zhuǎn)換成嵌入式系統(tǒng)對應(yīng)的8位、16位或32位色彩顯示數(shù)據(jù)序列。根據(jù)嵌入式液晶屏的特性，生成在嵌入式環(huán)境下能運行的數(shù)據(jù)文件供驅(qū)動程序調(diào)用，從而實現(xiàn)從PC圖像到嵌入式液晶屏圖像的轉(zhuǎn)換。

考慮到嵌入式系統(tǒng)的特點及其應(yīng)用場合，在靜態(tài)GUI數(shù)據(jù)生成方式下，是通過圖形點的獲取實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，若頁面較多，將會需要大量程序空間來保存生成的數(shù)據(jù)。而在實際應(yīng)用中，受到成本、系統(tǒng)資源的限制，很難滿足對系統(tǒng)要求較高的應(yīng)用場合，系統(tǒng)尚需完成動態(tài)GUI數(shù)據(jù)的生成工作。所謂動態(tài)生成方式，是指對于常規(guī)的圖形，用特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄繪制圖形的基本條件信息(例如直線只需要知道起始點、終點及顏色)，在驅(qū)動液晶屏顯示時，程序可依據(jù)此條件信息動態(tài)的生成相應(yīng)數(shù)據(jù)，這樣即可有效減少保存圖像數(shù)據(jù)的程序空間。具體涉及常規(guī)圖形(線、多邊形、圓形等)的繪圖數(shù)據(jù)在嵌入式環(huán)境下的動態(tài)生成。動態(tài)數(shù)據(jù)生成需完成圖形繪制、填充、裁剪等工作，該內(nèi)容主要為計算機圖形算法的實現(xiàn)，需要結(jié)合PC機離散特點，實現(xiàn)高效率的繪圖算法，而不是簡單的連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)計算。

(二)框架程序結(jié)構(gòu)原理

框架程序結(jié)構(gòu)是整個嵌入式液晶屏驅(qū)動實驗程序的主體，考慮到嵌入式芯片的多樣性以及硬件環(huán)境設(shè)計的可變性，框架程序結(jié)構(gòu)定義成3個組成部分:硬件驅(qū)動程序、邏輯調(diào)度程序、液晶屏顯示程序。硬件驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)類似于PC機下BIOS所完成的系統(tǒng)功能，包括系統(tǒng)時鐘配置、內(nèi)存配置、IO配置、液晶屏配置及其驅(qū)動等內(nèi)容。邏輯調(diào)度程序完成程序的整體運行邏輯調(diào)度，本實驗核心是液晶屏顯示的調(diào)度，主要根據(jù)不同的頁面顯示指令處理和頁面切換，修改相應(yīng)的頁面數(shù)據(jù)指針。液晶屏顯示程序完成靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)讀取、動態(tài)顯示數(shù)據(jù)解析、靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)整合后顯示緩沖區(qū)更新。通過框架程序，學(xué)生可以學(xué)習(xí)從液晶屏顯示所需的硬件驅(qū)動、軟件調(diào)度到顯示內(nèi)容更新等整個過程，清晰掌握液晶屏顯示原理，為嵌入式液晶屏的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

三、實驗流程

根據(jù)實驗原理，設(shè)計實驗流程如圖1所示:

圖1 實驗流程圖

視覺吸引力最能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［4］，通過圖1描述的實驗流程，學(xué)生可以根據(jù)個人愛好，設(shè)計自己所想要的畫面，可以避免傳統(tǒng)實驗中只能面對枯燥數(shù)據(jù)的局面，通過視覺上吸引學(xué)生的實驗主動性，再通過數(shù)據(jù)生成步驟，在實驗過程中就會給學(xué)生產(chǎn)生一種探索自己設(shè)計的界面在程序何處體現(xiàn)出來的動力，因此就會主動的去理解程序的框架，找出驅(qū)動液晶屏的方法，由此理解如何才能讓液晶屏顯示自己設(shè)計的畫面。通過這么一個漸進的引導(dǎo)過程，學(xué)生就能理解在嵌入式環(huán)境下，如何讓液晶屏顯示的工作流程，學(xué)會一種驅(qū)動液晶屏顯示預(yù)定畫面的方法。

四、實驗效果

針對本校2008級計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)大三80名學(xué)生的嵌入式軟件開發(fā)課程實驗，采用兩種不同的實驗方法開展教學(xué)實驗，每種實驗方法各占40名學(xué)生，與學(xué)生交流情況及指導(dǎo)教師對實驗效果記錄如表1所示:

表1 實驗效果表

表1中，啟發(fā)性是指引導(dǎo)學(xué)生思考問題的主動性，在傳統(tǒng)實驗方法中，學(xué)生只是機械的聽老師講實驗的內(nèi)容，引入本文的實驗方法后，有較多的學(xué)生積極思考實驗的本質(zhì)內(nèi)容，并有部分學(xué)生提出另外的液晶屏實現(xiàn)的驅(qū)動方式。主體性是指學(xué)生是否主動投入到實驗過程，根據(jù)觀察，傳統(tǒng)試驗方法有64名同學(xué)投入到實驗中，而本文的試驗方法有76名學(xué)生主動投入到實驗過程。接受程度是通過指導(dǎo)教師對學(xué)生實驗后考核得出，傳統(tǒng)實驗方法有一半的同學(xué)基本理解實驗內(nèi)容，而本文方法有64名同學(xué)理解實驗內(nèi)容。

通過實驗表明，創(chuàng)新的液晶屏驅(qū)動實驗在一定程度上提高了學(xué)生的實驗主動性，提高了實驗教學(xué)效果，為真正掌握嵌入式環(huán)境下液晶屏的工作原理提供了一種切實可行的方法，同時也為嵌入式其它教學(xué)實驗的改革提供參考。

［1］田澤．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用系列教程［M］．北京:航天航空大學(xué)出版社，2008:365－376．

［2］錢國英．研究性實驗的內(nèi)容設(shè)計與實踐［J］．實驗室研究與探索，2010，29(10):1－4．

［3］ 董素清．“在思考中”學(xué)會創(chuàng)新［J］．實驗室研究與探索，2007，26(10):6 －8．

［4］魯?shù)婪颉ぐ⒍骱Ｄ罚囆g(shù)與視知覺［M］．成都:四川人民出版社，2001:311－316．

Innovative Experimental Method of Embedded LCD Display

ZHAO Jian-yong，WU Hui-feng
(Institute of Software and Intelligent Technology，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou Zhejiang 310018，China)

According to the characteristics of the embedded experimental teaching，the innovative experimental method of LCD display is proposed．Based on the ARM S3C2410 processor hardware platform，with selfdeveloped HMI design software，the method realizes the WYSIWYG environment for embedded LCD display experiment．The results show that the method can effectively raise the students'experimental interests and initiatives，then it can make them grasp the essence of the experiment．

LCD display;embedded;experimental teaching

G642．423 < class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼:B

B

1001－9146(2011)04－0074－03

2011－09－27

趙建勇(1980－)，男，浙江縉云人，實驗師，嵌入式系統(tǒng)、智能控制．