Graphical User Interface簡(jiǎn)稱GUI，即圖形用戶界面，準(zhǔn)確來說GUI就是屏幕產(chǎn)品的視覺體驗(yàn)和互動(dòng)操作部分。在工業(yè)控制領(lǐng)域里，各種儀器儀表、智能工控設(shè)備中廣泛采用了嵌入式技術(shù)，但由于資源有限，這些系統(tǒng)一般不希望建立在龐大累贅的、非常消耗系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)和GUI之上，如Windows或XWindows。這些系統(tǒng)對(duì)液晶顯示的常用GUI需求更加突出。因此，在工業(yè)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)潔、快速、方便的常用GUI具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

在工業(yè)控制領(lǐng)域點(diǎn)陣液晶顯示（LCD）是應(yīng)用最為廣泛的，如果使用GUI，那么在顯示設(shè)備（通常指的是LCD）上完成繪制圖形、顯示西文字符和漢字、顯示和使用控件以及窗口等工作，就可以通過調(diào)用GUI提供的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，無須自己為LCD編寫完成這些工作的程序，也無須選用自帶漢字庫的LCD了?！癎UI”一詞是“圖形用戶界面（Graphics User Interface）”的縮寫，那么使用GUI的LCD，當(dāng)然只能選擇圖形點(diǎn)陣LCD，1602之類的字符LCD不在考慮之列。

在進(jìn)行液晶顯示GUI開發(fā)的時(shí)候首先要考慮MCU和LCD的選型。

MCU選型
8位單片機(jī)——8051系列單片機(jī)系統(tǒng)要求64Kb ROM和1Kb RAM，可以選擇單片增強(qiáng)型8051單片機(jī)，如宏晶科技增強(qiáng)型8051單片機(jī)STC89C516RD+，內(nèi)部繼承64Kb Flash和1280B RAM，其中包括1Kb擴(kuò)展RAM（Keil C51中為xdata）；也可以用普通8051單片機(jī)外界ROM和RAM。

為了保證GUI的運(yùn)行速度，8051單片機(jī)系統(tǒng)的主頻應(yīng)盡量高一些，至少應(yīng)在22MHz以上，如果單片機(jī)有內(nèi)部倍頻可以打開，使用告訴的C8051F系列單片機(jī)更好，如C8051F020等。

如果選用AVR系列8位單片機(jī)，可以選擇內(nèi)部Flash不小于32Kb，內(nèi)部SRAM不小于2Kb的型號(hào)，如ATmega32、ATmega64、ATmega128等。

LCD選型
STN LCD——市面上銷售的單色LCD絕大多數(shù)都是這種類型。STN LCD可選擇自帶LCD驅(qū)動(dòng)器/控制器的STN LCD模塊，如基于KS0107/KS0108的128×64單色圖形點(diǎn)陣液晶模塊，更大一些的同樣可以使用，無須自帶漢字庫。

TFT LCD——即俗稱的“真彩色”液晶。TFT LCD通常一定要選擇總線型液晶顯示器，或者外接單片機(jī)LCD驅(qū)動(dòng)板也可以，總之要能夠連接單片機(jī)或者M(jìn)CU。

注意：無論選擇何種LCD，LCD供電電壓和I/O電平應(yīng)與MCU供電電壓和I/O電平相匹配，例如，都是5V或者都是3.3V，如果不匹配，可考慮使用LDO(低壓差穩(wěn)壓器)和上拉電阻。

底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)
在選定MCU和LCD后，針對(duì)LCD控制器要編寫一些底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)，這些函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)MCU對(duì)LCD控制器的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD的控制。其中最主要的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)是控制器寫命令函數(shù)和控制器寫數(shù)據(jù)函數(shù)。值得注意的是不同的控制器的控制時(shí)序和控制特性有所不同，應(yīng)針對(duì)所選用的MCU和LCD控制器選擇合適的連接方式以最簡(jiǎn)捷的硬件連接來獲得最佳的控制效果。

GUI基本功能的實(shí)現(xiàn)
液晶顯示的常用GUI應(yīng)實(shí)現(xiàn)最基本的畫點(diǎn)、畫圓、畫線、矩形、正方形、填充等功能，還須要實(shí)現(xiàn)ASCII顯示和漢字顯示以及簡(jiǎn)單的圖標(biāo)顯示和菜單顯示。

在實(shí)現(xiàn)GUI的這些基本要素時(shí)一個(gè)最重要的問題是準(zhǔn)確定位光標(biāo)位置。由于各控制器的不同，光標(biāo)的定位也不同，例如有的控制器是以字節(jié)（8個(gè)點(diǎn)）為基本單位，而有的控制器是以點(diǎn)為基本單位。在應(yīng)用以字節(jié)為基本單位的控制器時(shí)應(yīng)注意要實(shí)現(xiàn)任意位置的操作時(shí)需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)?a href="http://www.makelele.cn/v/tag/2562/" target="_blank">算法進(jìn)行移位處理。

在選用不帶漢字庫的LCD時(shí)，在實(shí)現(xiàn)漢字顯示功能時(shí)應(yīng)用字模軟件對(duì)漢字進(jìn)行取模存儲(chǔ)。根據(jù)實(shí)際要求ASCII字?？蛇x用8×8和8×16，而漢字字模一般選用16×16和24×24。在實(shí)現(xiàn)單個(gè)ASCII和漢字的顯示后，建議最好實(shí)現(xiàn)ASCII和漢字混合字符串的顯示，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)此功能后將對(duì)后期開發(fā)菜單時(shí)帶來極大的方便。

實(shí)例：AVR單片機(jī)ATmega128控制SED1335實(shí)現(xiàn)GUI
ATmgeal28是AVR單片機(jī)中功能最強(qiáng)的，它有128KB的Flash程序存儲(chǔ)器、4Kb的SRAM和4Kb的EEPROM。在端口方面，它有邊界掃描JATG口、I2C串行口、SPI同步串行口和通用異步串行口UART。通過適當(dāng)?shù)耐鈬?a target="_blank">接口電路的設(shè)計(jì)，它能夠滿足工業(yè)控制器的要求。

SED1335是日本SEIKO EPSON公司出品的液晶顯示控制器，在同類產(chǎn)品中功能最強(qiáng)，它具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

①有較強(qiáng)功能的I/O緩沖器；

②指令功能豐富；

③四位數(shù)據(jù)可并行發(fā)送，最大驅(qū)動(dòng)能力為640×256點(diǎn)陣；

④可混合顯示圖形和文本方式；

⑤具有垂直、水平和滾動(dòng)功能；

⑥圖形方式下具有三重屏幕顯示；

⑦內(nèi)含160個(gè)點(diǎn)陣字符的字符發(fā)生器。

SED1335在接口部設(shè)置了適配Intel 8080系列和M6800系列MPU的兩種操作時(shí)序電路，通過引腳的電平設(shè)置，可選擇二者之一。

本例采用的為Intel8080操作時(shí)序，如圖1所示。

圖1 SED1335與8080系列MPU接口時(shí)序

本例利用ATmega128豐富的管腳資源直接通過輸入輸出引腳控制SED1335。其中數(shù)據(jù)部分是8條數(shù)據(jù)線(DB0～DB8)，控制部分包括RD(讀)、WR(寫)、CS(片選)、A0(數(shù)據(jù)類型選擇)。ATmega128與SED1335的接線原理圖如圖2所示。

圖2 ATmega128與SED1335連線原理圖

實(shí)際上，在對(duì)SED1335進(jìn)行控制的過程中，最重要的一點(diǎn)就是對(duì)A0的控制。由于A0是數(shù)據(jù)類型選擇位，當(dāng)A0為1時(shí)，ATmega128發(fā)出的數(shù)據(jù)會(huì)被SED1335認(rèn)為是指令代碼而將它自動(dòng)放到它的指令輸入緩存器內(nèi)；當(dāng)A0為0時(shí)，ATmega128發(fā)出的數(shù)據(jù)會(huì)被SED1335認(rèn)為是數(shù)據(jù)代碼自動(dòng)放到它本身的數(shù)據(jù)輸入緩存器內(nèi)。

值得注意的是：ATmega128的輸入輸出端口必須自己設(shè)定，本文采用的編譯器是WinAVR(GCC)，所以對(duì)輸入輸出口的設(shè)定如下程序語句:

DDRA=0XFF； //將PA口設(shè)為輸出
DDRD=0XF0； //將PC口PD4～PD7設(shè)為輸出
為了控制SED1335在底層需要編寫兩個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)函數(shù)分別為SED1335寫命令函數(shù)和SED1335寫數(shù)據(jù)函數(shù)。本文使用WinAVR(GCC)編譯器，具體實(shí)現(xiàn)如下：
void SED1335_write_command(unsigned char CommandByte)
{
PORTD|=BIT(1)|BIT(3)|BIT(4)；
PORTD|=BIT(2)； //A0置高 即A0=1
PORTD&=～BIT(1)；
PORTD&=～BIT(3)；
PORTA=CommandByte；
PORTD|=BIT(1)；
PORTD|=BIT(3)；
?? }
void SED1335_write_data(Uchar dataW)
{
PORTD|=BIT(1)|BIT(3)|BIT(4)；
PORTD&=～BIT(2)；//A0置低 即A0=0
PORTD&=～BIT(1)；
PORTD&=～BIT(3)；
PORTA=dataW；
PORTD|=BIT(1)；
PORTD|=BIT(3)；
}
SED1335具有一個(gè)13條指令的指令集，多數(shù)指令帶有參數(shù)，參數(shù)由用戶根據(jù)用戶所控制的液晶顯示模塊的特性和實(shí)際應(yīng)用的需要來設(shè)置。這個(gè)指令集可實(shí)現(xiàn)初始化、顯示域、顯示狀態(tài)、光標(biāo)(包括形狀、位置和移動(dòng)方向)、顯示合成方式和數(shù)據(jù)讀寫設(shè)置等，可完成多種文本的顯示、刷新等功能。

在編寫菜單以前要對(duì)SED1335進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)置液晶屏顯示的方式、顯示的合成方式等各個(gè)方面。具體程序的初始化指令代碼如下：
void GuiInit(void)
{
//SYSTEM SET COMMAND
???? SED1335_write_command(SystemSet)； //系統(tǒng)設(shè)置命令
???? SED1335_write_data(0x30)；
SED1335_write_data(0x87)；
SED1335_write_data(0x07)；???
???? SED1335_write_data(0x27)；???
???? SED1335_write_data(0x42)；???
???? SED1335_write_data(0xef)；???
???? SED1335_write_data(0x28)；???
???? SED1335_write_data(0x00)；
……
}
注意帶有多參數(shù)的指令在寫參數(shù)時(shí)，一定要按規(guī)定的順序依次寫入(參數(shù)可以不必全部寫入)，不然就會(huì)出錯(cuò)。另外，在初始化設(shè)置SED1335之前應(yīng)先對(duì)ATmega128進(jìn)行初始化，主要是對(duì)I/O口進(jìn)行輸入輸出設(shè)定。
其他的工作就是具體實(shí)現(xiàn)畫點(diǎn)、畫圓、畫線、矩形、正方形、填充、ASCII顯示和漢字顯示以及簡(jiǎn)單的圖標(biāo)顯示等功能了。這里列出需要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，不再給出具體程序代碼。

void LcdOn(void)； //允許液晶顯示
void LcdOff (void)； //關(guān)閉液晶顯示
void DispClear (void)； //清除32K RAM顯存
void GotoXY(Uint x，Uint y)； //文本方式下將光標(biāo)定位到指定位置
void GPix(Uint x，Uint y，char color)； //任意位置的畫點(diǎn)或消點(diǎn)
void lcd_rectangle(Uint x1，Uint y1，Uint x2，Uint y2，char color)； //畫方框圖
void GuiLevelLine(Uint x0，Uint x1，Uint y，char color)； //畫水平線
void GuiUpdownLine(Uint x，Uint y0，Uint y1，char color)； //畫垂直線
void GuiLine(Uint x0，Uint y0，Uint x1，Uint y1，char color)； //畫直線
void GuiCirclePixel(Uint x0，Uint y0，Uint r，char color)； //畫圓
void GuiBoxReverse(Uint dot_start_x， //指定區(qū)域的取反顯示
?????? Uint dot_start_y，
?????? Uint dot_end_x，
?????? Uint dot_end_y)；
void GuiBoxFill?? (Uint dot_start_x，??? //指定區(qū)域的填充（置0或?qū)?）
?????? Uint dot_start_y，
?????? Uint dot_end_x，
?????? Uint dot_end_y，
??char color)；
void write_string(char *ptr)； //文本方式下寫8*8的字符
void PutCdotInAlpha(Uint x，Uint y，Uint Cnumber)；//漢字寫入子程序(文本方式)
void PutCdotInGraph(Uint x，Uint y，Uint Cnumber，Uint DotWidth)； //漢字寫入子程序(圖形方式)。每次調(diào)用輸出一個(gè)漢字(可顯示16*16或24*24的漢字)
void Locatexy(Uint x，Uint y)； //圖形方式的光標(biāo)定位函數(shù)
void GuiString(Uint x，Uint y，char *ptr，char color，char colorBk)； //圖形方式的寫8*16的字符和16*16的漢字混合函數(shù)
void bprintf (Uint x，Uint y，Uint a，char color，char colorBk)； //圖形方式的顯示變量數(shù)值的函數(shù)(8*16)
void mprintf (Uint x，Uint y，int *p，char color，char colorBk)； //圖形方式的顯示文件名的函數(shù)(8*16)
整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

在本實(shí)例中，通過液晶顯示屏和按鍵配合操作可完成各種功能選擇和參數(shù)的設(shè)置。由于采用漢字顯示菜單，接口直觀、簡(jiǎn)便、美觀、友好。

液晶顯示常用GUI的通用性
通過上述實(shí)例可以看出：在應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的GUI時(shí)，只需要針對(duì)不同的MCU和LCD控制器進(jìn)行很少的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)的更改，使其滿足LCD控制器的控制時(shí)序和控制特性即可，而GUI基本的畫點(diǎn)、畫圓、畫線、矩形、正方形、填充、ASCII顯示和漢字顯示以及簡(jiǎn)單的圖標(biāo)顯示等功能，幾乎不用改動(dòng)或只需針對(duì)光標(biāo)定位進(jìn)行改動(dòng)。此外，對(duì)于AVR單片機(jī)而言由于具有豐富的管腳資源可以直接使用輸入輸出引腳，對(duì)LCD控制器進(jìn)行控制，其實(shí)當(dāng)該GUI作為嵌入式系統(tǒng)的顯示部分時(shí)可以不用? I/O進(jìn)行控制來滿足時(shí)序。如本文所舉的實(shí)例如果由FPGA完成時(shí)序配置，則只需對(duì)SED1335寫命令函數(shù)和SED1335寫數(shù)據(jù)函數(shù)稍加修改，而其余GUI函數(shù)都可以直接應(yīng)用。修改的SED1335寫命令函數(shù)和SED1335寫數(shù)據(jù)函數(shù)代碼如下：
void sed1335_write_command(Uchar CommandByte)
{
?*(volatile unsigned char*)SED1335_WRITE_COMMAND_ADDR =CommandByte；
}
void sed1335_write_data(Uchar dataW)
{
?*(volatile unsigned char*)SED1335_WRITE_DATA_ADDR=dataW；
}

結(jié)束語
工業(yè)測(cè)量控制儀器中，友好的人機(jī)對(duì)話窗口可使操作更加簡(jiǎn)單，本文提出的液晶顯示的常用GUI不僅滿足工控要求，而且具備很好的通用性，同時(shí)還有輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、可配置等特點(diǎn)，可以方便地移植到各種工控嵌入式系統(tǒng)中。