陳祥鵬 曾衛(wèi)華 原培超 王與意

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）100083）

0 引言

近年來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和有效的成本控制，液晶觸摸屏憑借其友好的人機(jī)交互能力，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車中控、工業(yè)控制、多媒體娛樂(lè)等技術(shù)領(lǐng)域。但很多老式的物探儀往往采用點(diǎn)陣液晶屏，有的還必須通過(guò)連接上位機(jī)PC才能顯示，已經(jīng)不能滿足物探儀器集成化、智能化、成像化的發(fā)展需求。而將彩色觸摸屏引入物探儀器當(dāng)中，能夠配合主控芯片將探測(cè)數(shù)據(jù)以圖形化的方式進(jìn)行顯示，同時(shí)代替?zhèn)鹘y(tǒng)繁多的按鍵進(jìn)行探測(cè)參數(shù)輸入，高表現(xiàn)力特性符合物探數(shù)據(jù)顯示的需要，提高了儀器的集成度和便攜性，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。結(jié)合上述情況，以基于觸摸屏的三側(cè)向測(cè)井地面采集器為例，闡述屏幕類型屬性特點(diǎn)、屏幕相關(guān)軟硬件開發(fā)，探討其在物探儀器領(lǐng)域的實(shí)用性。

1 彩色LCD屏基本情況

目前常見(jiàn)的觸摸式LCD屏幕按照原理及傳輸介質(zhì)分類有電容式、電阻式、紅外線式、表面聲波式這四類，這四類屏幕的基本屬性如下表1所示。

從表中可以看出，電阻式觸摸屏在各方面均有一定優(yōu)勢(shì)，尤其是能夠滿足物探儀器野外復(fù)雜條件下高可靠度的要求。目前工業(yè)用觸摸屏多半采用的就是四線電阻屏。儀器儀表領(lǐng)域最實(shí)用的產(chǎn)品類型是LCM(LCD Module)，即LCD顯示模組，是指將液晶顯示器件,連接件,控制與驅(qū)動(dòng)等外圍電路,PCB電路板,背光源,結(jié)構(gòu)件等裝配在一起的組件。其采用模組自帶的處理器處理絕大多數(shù)屏幕任務(wù)，從而將儀器的主控CPU從繁瑣的屏幕數(shù)據(jù)流中解放出來(lái)，提高運(yùn)行效率。市場(chǎng)常見(jiàn)的此類電阻式LCD屏參數(shù)如下：對(duì)角線尺寸3.5-15吋；接口有USB、以太網(wǎng)、CAN總線、RS232、RS485、USART、SD卡等；極限工作溫度-40℃|70℃；最高分辨率4096*4096；色彩16bit及24bit；表面硬度2H以上（以JISK5400為基準(zhǔn)）；面板防水特性IP65；抗電磁干擾 FCC class A；觸控次數(shù)：100萬(wàn)次左右；工作電壓：3.3V-36V；點(diǎn)亮?xí)r額定電流200mA-1200mA（視屏幕尺寸與供電電壓不定）。

表1 四類屏幕基本屬性對(duì)比

可見(jiàn)彩色LCD屏幕分辨率高，色彩豐富，表現(xiàn)力較強(qiáng)，易于與多種儀器搭配，除了功耗相對(duì)過(guò)高以外，其他指標(biāo)均能滿足野外儀器的工作需要。此外，很多產(chǎn)品還提供了動(dòng)態(tài)曲線自動(dòng)描繪、集成觸屏輸入法字庫(kù)、變量組態(tài)開發(fā)方式等諸多實(shí)用功能。

2 LCD屏在三側(cè)向地面采集器中的應(yīng)用實(shí)例

三側(cè)向測(cè)井作為解決高礦化度泥漿和高阻薄層的測(cè)井方法，其測(cè)井儀有廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種通用性采集器，能分別配合重慶地質(zhì)儀器廠的JGS-1B探管和渭南煤礦的TYSC-QB探管進(jìn)行采集，采集到的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)LCD以測(cè)井曲線形式當(dāng)場(chǎng)顯示。以此為例，為其他儀器的觸摸屏開發(fā)提供參考。

2.1 原理及硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種適用多種探管的通用型測(cè)井采集器，采用ARMCortex-M3芯片搭配CPLD的方案。數(shù)據(jù)采集主要來(lái)自井下探管和絞車，主要有四種形式：

（1）探管傳輸?shù)哪M信號(hào)，有直流信號(hào)和交流方波，由ADC進(jìn)入 CPU（CPU 自帶 ADC）；

（2）探管傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，主要是二進(jìn)制編碼形式，通過(guò)CPLD進(jìn)行曼徹斯特編解碼；

（3）絞車深度脈沖信號(hào)，兼有正負(fù)脈沖計(jì)數(shù)；

（4）電橋供電測(cè)量方式。

此外對(duì)于不同電性方法的探管，還有恒流式、恒壓式、恒功率式等探測(cè)方式，所以要求觸摸屏能夠進(jìn)行多種參數(shù)的輸入和設(shè)置。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

硬件整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中CPU采用的是STM32F103ZET6增強(qiáng)型芯片，高性能的32位RISC內(nèi)核，主頻72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器、3個(gè)ADC、4個(gè)定時(shí)器、PWM定時(shí)器，以及I2C、SPI、USB、CAN和5個(gè)UART等豐富的接口，能夠同時(shí)滿足與探管、CPLD、上位機(jī)、LCD的通信。

液晶觸摸屏采用的是北京迪文科技生產(chǎn)的DMT10600T070_01W工業(yè)串口屏。 此屏幕采用UART與CPU通信，7.0英寸4線電阻觸摸屏，LED背光，分辨率1024*600，使用SD卡（2G）配置和下載，支持RTC與蜂鳴器。值得一提的是其采用K600+內(nèi)核（32Bit RISC 400MHz）及人機(jī)界面系統(tǒng)軟件DGUS，可提供零代碼快速開發(fā)全圖形觸摸屏人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)觸屏輸入法、彈出菜單、變量圖標(biāo)、讀數(shù)指針、曲線顯示等功能，能有效縮短研發(fā)周期。

STM32的UART可實(shí)現(xiàn)全雙工的異步通信，以此接口與屏幕通信。接口電路如圖2所示。LCD的1、2、3為電源輸入，4與CPU的PC6口連接作為波特率同步，5、6為屏幕接收發(fā)送口連接CPU的TXD3和RXD3，7為屏幕busy指示，8、9、10口為GND接地。屏幕只占用一組串口，使得CPU的RS485、USB、CAN總線可以用來(lái)連接上位機(jī)和其他外設(shè)（USB與CAN因使用同一RAM故不能同時(shí)使用）。

圖2 屏幕接口硬件原理圖

儀器電源采用AC：220V轉(zhuǎn)DC：12V供采集卡使用，由采集卡DC：12V轉(zhuǎn)DC：5V對(duì)此屏幕供電。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

從數(shù)據(jù)流向上看LCD觸摸屏在此系統(tǒng)中的作用主要有兩點(diǎn)：一為接收CPU數(shù)據(jù)處理過(guò)的深度和電阻率數(shù)據(jù)，并通過(guò)二維坐標(biāo)曲線的方式予以顯示；二為接收用戶觸摸控制信息，將控制量通過(guò)串口發(fā)送給CPU。整體程序如圖3所示。程序主題采用三種工作模式，分別是JGS-1B探管采集模式、TYSC-QB探管采集模式、曲線回放模式，通過(guò)屏幕觸摸輸入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集和顯示。

圖3 程序流程圖

其軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分為STM32的基于Keil MDK編程，另一部分是串口屏的DGUS人機(jī)界面編程。主要介紹與觸摸屏相關(guān)的程序編寫。

STM32的開發(fā)主要依托與固件函數(shù)庫(kù)進(jìn)行，即將各個(gè)函數(shù)封裝好后以備調(diào)用，使得開發(fā)者不再面對(duì)底層寄存器進(jìn)行操作，大大提升了編程效率。正如1.2所介紹的，CPU只需要將數(shù)值串口發(fā)送給屏幕和從屏幕接收控制量即可，無(wú)需涉及LCD顯示驅(qū)動(dòng)。所以CPU對(duì)于此觸摸屏的編程即為串口編程，其關(guān)鍵代碼如下：

void RCC_Configuration(void);//設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘

void GPIO_Configuration(void);//配置 GPIO口（使用GPIO_InitStructure庫(kù)函數(shù)把Tx腳設(shè)為第2功能推挽輸出、Rx為浮空輸入）

void USART_Configuration(void);// 設(shè) 置 UART（使用USART_InitStructure庫(kù)函數(shù)設(shè)置波特率為此LCD典型值115200；8位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；1位停止位無(wú)校驗(yàn)；禁用硬件流控制；禁止UART時(shí)鐘；使能UART3）

……

main()

{……

U8 RxData,TXData;

……

USART_SendData(USART3,u8Data);//向串口發(fā)送要顯示的數(shù)值

……}

屏幕人機(jī)界面編程采用迪文自主開發(fā)的DGUS軟件。需要完成開機(jī)動(dòng)畫、時(shí)間顯示、模式選擇、變量設(shè)置、曲線繪制、蜂鳴警報(bào)、超時(shí)滅背光等設(shè)置。其開發(fā)過(guò)程有四步：

（1）變量規(guī)劃，將模式選擇、采樣率等控制量定義變量地址和長(zhǎng)度；

（2）界面設(shè)計(jì)，利用繪圖軟件進(jìn)行界面元素（圖標(biāo)、字庫(kù)、儀表盤、曲線坐標(biāo)系）設(shè)計(jì)；

（3）界面配置，利用迪文提供的圖形化工具軟件進(jìn)行界面配置，生成觸控配置文件和變量配置文件；

（4）把配置文件、圖片、字庫(kù)、圖標(biāo)庫(kù)等借助SD卡下載到屏幕，進(jìn)行界面測(cè)試和修改。將串口連上采集卡，進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)調(diào)。

主要設(shè)計(jì)完成人機(jī)交互面板和視電阻率曲線繪制顯示兩個(gè)核心界面。

3 觸摸屏與其它物探儀器的搭配

地球物理探測(cè)儀器根據(jù)物探方法分類主要有電法、重力、磁法、放射性、測(cè)井、地震6類儀器，其實(shí)不論哪一類儀器，觸摸屏在其中的作用都無(wú)非是數(shù)據(jù)顯示和控制輸入這兩種。本文將從實(shí)用性、功耗、尺寸及防護(hù)性、接口及開發(fā)難度、價(jià)格、發(fā)展趨勢(shì)等方面入手，并結(jié)合上述測(cè)井采集卡的例子對(duì)觸摸屏在物探儀器中的開發(fā)和應(yīng)用做簡(jiǎn)要概述。

實(shí)用性：從實(shí)例也可以看出，觸摸屏的使用滿足了物探儀器成像化的需求，有效地精簡(jiǎn)了儀器面板的按鈕，人機(jī)界面友好。例如測(cè)井類儀器，LCD觸摸屏能將SP、AC、GR、RT、LLD等測(cè)量值與深度匹配，以曲線的形式將某一鉆孔的測(cè)量結(jié)果直觀的顯示出來(lái)。高密度電法儀也能體現(xiàn)出LCD觸摸屏的優(yōu)勢(shì)，能將不同的電阻率區(qū)域用不同的顏色在儀器端就能直觀，無(wú)需連接PC，這是傳統(tǒng)點(diǎn)陣液晶屏幕所做不到的，當(dāng)場(chǎng)顯示出異常點(diǎn)也能就地展開異常點(diǎn)分析，提高了物探效率。此外，配合帶字庫(kù)的LCD模組，還能進(jìn)行中英文輸入，這也彌補(bǔ)了面板按鍵操作的短板，觸控的方式也無(wú)異更方便快捷直觀。

功耗：功耗往往是制約觸摸屏在便攜性物探儀器上使用的主要因素。屏幕的耗電與否主要在于背光源的類型，市場(chǎng)上的工業(yè)觸摸屏主要有兩種，LED發(fā)光二極管與CCFL冷陰極熒光管，其中采用前者背光的屏幕耗電量較小。本文所采用的迪文7吋LED背光屏幕，5V供電下屏幕點(diǎn)亮?xí)r電流約為300mA-350mA，背光熄滅時(shí)電流約為100-120mA，而同尺寸的CCFL背光屏幕額定電流約為800mA-1500mA。以核地球物理使用的ZDD3901石材儀為例，其采用四節(jié)1號(hào)電池串聯(lián)供電，一節(jié)一號(hào)充電電池的有效容量5000mAh左右，其工作電流平均150mA左右，在使用LED背光屏幕以后功耗變?yōu)樵瓉?lái)三倍，使用時(shí)間縮短為原來(lái)的三分之一,10小時(shí)以內(nèi)。所以對(duì)于對(duì)功耗要求苛刻的儀器，觸摸屏建議選擇LED背光源，并且編程時(shí)注意在不需要顯示的時(shí)刻關(guān)閉背光，并考慮供電電壓、電池容量和使用時(shí)長(zhǎng)來(lái)決定是否采用背光LCD屏方案。

尺寸及防護(hù)性：由1.2可知主流的LCD提供多種尺寸的屏幕，其中以4.3吋、7吋、10吋最為常用。4.3吋的適用于顯示數(shù)據(jù)量較少或者儀器較小的場(chǎng)合，例如FD3013輻射儀、質(zhì)子磁力儀等，此類屏幕主要代替面板進(jìn)行儀器控制；7吋與小號(hào)信封大小類似，與大多數(shù)儀器外殼尺寸相符，比較適合曲線、圖像的顯示和中英文的輸入；10吋主要應(yīng)用于對(duì)顯示效果有較高要求的儀器，例如高密度電法儀。至于防護(hù)性有兩方面，一為防止野外環(huán)境對(duì)屏幕的破壞，二為防止屏幕產(chǎn)生的電磁干擾影響儀器的測(cè)量，選配時(shí)建議注意屏幕的各個(gè)參數(shù)。

接口及開發(fā)難度：傳輸效率較高的接口是RS485、USB、以太網(wǎng)，但是一般的主控芯片往往每類接口只能提供一個(gè)，考慮到還需要跟上位機(jī)、探頭等其他設(shè)備通信，所以利用芯片豐富的串口搭配屏幕是個(gè)比較好的選擇，其編程開發(fā)也相對(duì)容易。此外，例如有些探地雷達(dá)、地震儀設(shè)備如果對(duì)顯示信息量有高要求的，可以選擇VGA或者DVI接口的屏幕。市場(chǎng)上的大多數(shù)工業(yè)觸摸屏都有配套的人機(jī)界面開發(fā)軟件，利用圖形化編程也大大降低了開發(fā)難度，能有效縮短開發(fā)周期。

價(jià)格：近年來(lái)液晶觸摸屏做到了很好的成本控制，帶內(nèi)核的主流工業(yè)觸屏單價(jià)在300-1500元范圍內(nèi)，隨屏幕尺寸單價(jià)不同，7吋的一般價(jià)格在500元左右，有特殊要求的在1000元左右，在動(dòng)輒幾萬(wàn)單價(jià)的物探儀器中采用高質(zhì)量LCD方案并沒(méi)有過(guò)多的增加開發(fā)成本。即便是相對(duì)廉價(jià)的萬(wàn)元級(jí)設(shè)備，如FD3013輻射儀與SM-30磁化率儀，其硬件成本在2500-4500左右，增加一塊4.3吋觸屏，僅增加了350元成本，卻能帶來(lái)更好的人機(jī)交互體驗(yàn)，也提升了儀器檔次。

發(fā)展趨勢(shì)：儀器領(lǐng)域整體的發(fā)展趨勢(shì)是集成化便攜化智能化，物探儀器中觸摸屏的發(fā)展依賴著多種技術(shù)的共同提高。隨著ARM為首的嵌入式芯片近年來(lái)的飛速發(fā)展，配合類似windows8的跨界操作系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)有望逐步實(shí)現(xiàn)通用運(yùn)算并逐步取代傳統(tǒng)PC上位機(jī)，使得儀器更小更輕并擁有更強(qiáng)勁的運(yùn)算能力。在此基礎(chǔ)上，未來(lái)的人機(jī)交互也許是通過(guò)帶觸屏的平板電腦甚至是智能手機(jī)進(jìn)行儀器控制和探測(cè)結(jié)果顯示，這無(wú)疑會(huì)給物探工作者帶來(lái)極為便利的儀器應(yīng)用體驗(yàn)。目前已經(jīng)有一些探地雷達(dá)已經(jīng)開始嘗試采用觸屏平板電腦方案了。

4 結(jié)束語(yǔ)

LCD觸摸屏有著友好的人機(jī)交互能力，技術(shù)成熟，開發(fā)便利，能有效地取代傳統(tǒng)按鈕式面板，顯示表現(xiàn)力強(qiáng)，便于與各種智能儀器儀表搭配。本文設(shè)計(jì)的帶觸屏的數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)過(guò)測(cè)試顯示工作穩(wěn)定，觸屏控制和屏幕顯示性能良好，能滿足高效測(cè)井的需要。綜上所述，將觸摸屏搭配物探儀器滿足了其數(shù)據(jù)成像和便攜化的需要，建議儀器開發(fā)者根據(jù)需要選配不同的觸摸屏方案。

[1]褚昌鈴.LED顯示屏系統(tǒng)原理及工程技術(shù)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2000.

[2]鄒玉忠，張輝.TYSC—QB型和JGS-1B型數(shù)字測(cè)井儀比較[J].西部探礦工程，2006(11)：56—58.

[3]張鳳陽(yáng).全彩LED顯示屏控制系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.7.

[4]張家田，陳寶，嚴(yán)正國(guó).測(cè)井電子信息技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010

[5]蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012

[6]威綸通科技有限公司.產(chǎn)品中心資料[EB/OL].[2012-7-27].http://www.weinview.cn /index-3.asp.

[7]曾周末.儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012