什么是串口屏？

故事是這樣的，最近支持某客戶使用littleVGL開發(fā)一款帶顯示效果的產(chǎn)品，由于之前沒有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，擔(dān)心會有問題。沒想到，使用GUI-Guider后很快就完成了相關(guān)應(yīng)用的設(shè)計(jì)開發(fā)。于是乎突發(fā)奇想，是否可以讓GUI-Guider變成串口屏的組態(tài)工具呢？

1. 什么是串口屏

我們先來認(rèn)識下串口屏，字面意思就是帶串口的屏，最核心有兩個(gè)功能：

1. 可以通過PC端設(shè)計(jì)屏幕顯示界面
2. 可以通過串口修改屏幕顯示內(nèi)容

直白的講，就是屏幕用于顯示，顯示的數(shù)據(jù)源來自串口的對端設(shè)備

1.1 組態(tài)串口屏

很早以前，工業(yè)現(xiàn)場有時(shí)需要HMI，為工作人員提供便捷的操作環(huán)境，但不同的應(yīng)用現(xiàn)場有不同的操作界面，有組態(tài)軟件經(jīng)驗(yàn)的廠商就想到了用嵌入式板卡跑WinCE的方案，這樣很容易將Windows中的代碼移植過來，用戶只需要在Windows端的組態(tài)工具根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行組態(tài)，然后將生產(chǎn)的工程文件，對象文件，數(shù)據(jù)庫等文件下載到WinCE對應(yīng)的板卡中即可實(shí)現(xiàn)所見即所得的顯示開發(fā)過程。

后來也有廠商使用Cortex-A8+Linux+QT的方式實(shí)現(xiàn)該方案。這種串口屏還是比較貴的，畢竟使用的處理器平臺，成本比較高。

由于該方案使用的組態(tài)軟件，屏是串口協(xié)議的主設(shè)備，并且支持豐富的串口協(xié)議，比如各類的PLC，常見的西門子S7-200 PPI，三菱FX, 通用設(shè)備Modbus-RTU/TCP，各類儀表，變頻器等。

屏的數(shù)據(jù)可以通過軟件配置的方式與串口外設(shè)關(guān)聯(lián)，先在設(shè)備窗口設(shè)定變量，之后在界面設(shè)計(jì)的時(shí)候關(guān)聯(lián)變量即可

1.2 通用串口屏

之后又接觸到了低成本的通用串口屏，這類串口屏與組態(tài)屏相同的一點(diǎn)是，都可以通過PC端軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。

區(qū)別在于價(jià)格更美麗，但該屏的串口是協(xié)議的從設(shè)備，并且一般僅支持一種協(xié)議（就像下面這種0x80~0x85這種），用戶使用時(shí)需要通過外部MCU作為串口的主，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)協(xié)議去修改顯示畫面的數(shù)據(jù)內(nèi)容，具體框架可以參考下圖：

2. 串口屏設(shè)計(jì)分析

2.1 組態(tài)屏設(shè)計(jì)

前面大概講過，組態(tài)屏一般是把組態(tài)軟件交叉編譯到嵌入式板卡所支持的WinCE或Linux中運(yùn)行，串口屏拆開后可以理解為一個(gè)嵌入式處理器的小電腦，處理器性能和樹莓派應(yīng)該差不多。如果有興趣推薦大家可以研究一個(gè)開源方案pvbrowser，它可以在樹莓派上運(yùn)行，這個(gè)軟件底層也是基于QT開發(fā)的，很早之前玩過，但是不花錢的東西看上去并不美好。

2.2 通用屏設(shè)計(jì)

要分析通用的設(shè)計(jì)，我們可以拆開看看，下面是兩個(gè)不同公司的設(shè)計(jì)：

1. 先看行業(yè)大佬的板子吧，上面基本看不到啥，都繼承到一起了，外面還有顆SPI的flash用于存非易失的素材或參數(shù)
   這家公司自己開了個(gè)芯片，好像也支持有能力的客戶做二次開發(fā)，網(wǎng)上能下到參考原理圖和軟件SDK。
   
2. 換一個(gè)廠商，這家用的分離方案，MCU+FPGA+DRAM+NAND：
   
   大膽推測一些系統(tǒng)框架，下圖是幾種方案組合，最大的區(qū)別點(diǎn)在于，MCU, FPGA, Flash, DRAM之間的連接方式，主要是灰色和藍(lán)色這兩條路徑：
   
   1. MCU作為推屏的核心器件，往往采用灰色路徑，DRAM和Flash都掛在MCU上，F(xiàn)PGA僅實(shí)現(xiàn)顯示驅(qū)動的作用，也可以用ILI9341/9488這種顯示驅(qū)動芯片替代，該方案的瓶頸在MCU和驅(qū)動芯片之間的接口帶寬以及MCU本身的處理性能，針對屏的尺寸比較大（分辨率比較高）或者需要?jiǎng)討B(tài)顯示效果的應(yīng)用是一個(gè)考驗(yàn)。
   2. FPGA作為推屏的核心器件，采用藍(lán)色路徑，DRAM和Flash都掛在FPGA上，MCU主要起解析串口命令，并修改FPGA中雙口RAM的功能（RAM區(qū)與屏幕數(shù)據(jù)源綁定），MCU可能還會使用FatFS來獲取SDcard中PC端生成的文件，并將其解析后存儲在Flash上。
      從實(shí)際效果看，這個(gè)產(chǎn)品可能使用方案b，因?yàn)槠胀ǖ腗CU主頻較低，受帶寬影響，大屏情況下很難實(shí)現(xiàn)較為流暢的動畫效果。

3. GUI-Guider到串口屏

回到之前的想象，GUI-Guider是否可以成為用戶組態(tài)工具，當(dāng)前版本肯定是不行的，因?yàn)樾枰ㄟ^串口修改的數(shù)據(jù)在界面設(shè)計(jì)時(shí)并沒有做地址關(guān)聯(lián)，如果想做成組態(tài)串口屏，還需要設(shè)置從站參數(shù)信息。當(dāng)然我們今天先從簡單的通用串口屏入手，假設(shè)GUI-Guider后續(xù)會像VGUS那樣提供數(shù)據(jù)地址關(guān)聯(lián)的接口。

以默認(rèn)的SliderProgress為例，我們先看GUI-Guilder能給我們提供什么：

這里以IAR為示例，導(dǎo)出工程。

可以得到以下的工程目錄，最主要的就是紅框中生成的部分，它包含了除littleVGL源碼外的所有和屏幕相關(guān)的code

下來的操作就是將MCUxpresso SDK中的lvgl_demo_widgets_bm工程文件夾Copy到該目錄，這樣就可以成功編譯該示例（IAR打開ewp文件后save workspace就可以生成eww文件）

我們現(xiàn)在要做的就是將這個(gè)IAR工程分成兩個(gè)工程，其中一個(gè)由PC段編譯生成和界面相關(guān)的代碼（后稱littlevgl_guider），另一個(gè)生成底層的刷屏和UART通信代碼RuntimeSystem（后稱RTS），大體結(jié)構(gòu)如下：

通過對整體代碼的分析可以看出，實(shí)際上要做到上面這種固件的分割，只需要將littlevgl_support.c這個(gè)文件拆成兩部分即可。RTS和littlevgl_guider這兩個(gè)固件之間通過在固定地址的指針函數(shù)結(jié)構(gòu)體相互傳遞，如果有疑問的朋友可以參考《如何在MCU中使用二進(jìn)制庫》。

RTS中將和刷屏相關(guān)的函數(shù)結(jié)構(gòu)體放到0x2000這個(gè)地址：

#define LCD_INTERFACE_ADDR		0x2000

typedefstruct
{
    void (*DEMO_InitLcd)(void);
    void (*DEMO_InitLcdClock)(void);
    void (*DEMO_InitLcdBackLight)(void);
    void (*DEMO_FlushDisplay)(lv_disp_drv_t *, constlv_area_t *, lv_color_t *);
    void (*DEMO_InitTouch)(void); 
    bool (*DEMO_ReadTouch)(lv_indev_drv_t *, lv_indev_data_t *);
    void (*AppTask)(void);
}
LCD_interface_t;

__root const LCD_interface_t g_lcd_if @LCD_INTERFACE_ADDR = 
{
    .DEMO_InitLcd  = DEMO_InitLcd,
    .DEMO_InitLcdClock  = DEMO_InitLcdClock,
    .DEMO_InitLcdBackLight  = DEMO_InitLcdBackLight,
    .DEMO_FlushDisplay  = DEMO_FlushDisplay,
    .DEMO_InitTouch  = DEMO_InitTouch,
    .DEMO_ReadTouch = DEMO_ReadTouch,
    .AppTask = AppTask
};

littlevgl_guider工程中的littlevgl_support.c函數(shù)可以通過指針函數(shù)調(diào)用RTS底層接口，這樣就完成了RTS到littlevgl_guider的調(diào)用

#define LCD_INTERFACE_ADDR		0x2000
typedefstruct
{
    void (*DEMO_InitLcd)(void);
    void (*DEMO_InitLcdClock)(void);
    void (*DEMO_InitLcdBackLight)(void);
    void (*DEMO_FlushDisplay)(lv_disp_drv_t *, constlv_area_t *, lv_color_t *);
    void (*DEMO_InitTouch)(void); 
    bool (*DEMO_ReadTouch)(lv_indev_drv_t *, lv_indev_data_t *);
    void (*AppTask)(void);
}
LCD_interface_t;

#define LCD_IF ((LCD_interface_t *)(LCD_INTERFACE_ADDR))

/*-------------------------
 * Initialize your display
* -----------------------*/
LCD_IF->DEMO_InitLcd();

同樣的方式，在littlevgl_guider中通過定義指針函數(shù)結(jié)構(gòu)體的方式共享LittleVGL的相關(guān)函數(shù)給RTS

#define LITTLEVGL_INTERFACE_ADDR	0x32000

__root const Littlevgl_interface_t g_lvgl_if @LITTLEVGL_INTERFACE_ADDR = 
{
    .littlevgl_Init  = lvgl_Init,
    .littlevgl_task = lvgl_task,
    .littlevgl_tick_inc = lvgl_tick_inc,
    .littlevgl_dis_flush_ready = lvgl_dis_flush_ready
};

在RTS中通過類似的方式實(shí)現(xiàn)littleVGL的刷屏

#define LITTLEVGL_INTERFACE_ADDR	0x32000

typedefstruct
{
    void (*littlevgl_Init)(void);
    void (*littlevgl_task)(void);
    void (*littlevgl_tick_inc)(uint32_t );
    void (*littlevgl_dis_flush_ready)(lv_disp_drv_t *);
}
Littlevgl_interface_t;

#define LVGL_IF ((Littlevgl_interface_t *)(LITTLEVGL_INTERFACE_ADDR))

void AppTask()
{
    DEMO_SetupTick();
    LVGL_IF->littlevgl_Init();
    for (;;)
    {
        while (!s_lvglTaskPending)
        {
        }
        s_lvglTaskPending = false;

        LVGL_IF->littlevgl_task();
    }
}

兩個(gè)不同的工程需要通過鏈接文件將它們Flash/Ram隔離開，最后還有一點(diǎn)需要注意的，如果僅僅通過函數(shù)指針調(diào)用littlevgl_guider函數(shù)是無法正常運(yùn)行的，因?yàn)閘ittlevgl_guider工程沒有走cmain的過程，需要初始化的全局變量都沒有進(jìn)行初始化，所以RTS可以通過Bootloader加載APP的方式跳到littlevgl_guider中（但注意不要切SP，棧還用RTS的），讓它走完初始化流程。

littlevgl_guider函數(shù)周期檢查共享RAM的值，如果有變化，就更新變量到屏幕即可。下圖是將整個(gè)工程拆分的示例

寫在最后

不是所有的硬件平臺都可以使用該方法，因?yàn)镚UI Guilder目前是將固件和資源編譯在一起的，所以如果圖像資源（包括字庫）比較大，則固件占用Flash也會很大，僅僅靠MCU內(nèi)部Flash很難滿足要求。i.MX RT系列是比好的選擇，因?yàn)樗С諼IP(通過AHB讀取QSPI-FLASH），固件大小就不會受到制約，主頻也夠高，可以保證顯示效果。