實現高性價比家電人機接口

帶有交互式圖形用戶接口(GUI) 功能的液晶顯示屏(LCD) 成為目前大部分家電中傳統“機械式” HMI 的高性價比替代方案。本白皮書介紹這些技術，以及Altera、Altia 和Echelon 為幾乎所有家電或者消費類產品的低成本、高性能HMI 提供的創新解決方案體系結構。
引言
? 傳統上，家電人機接口 (HMI) 由按鍵和旋鈕等機械器件以及顯示指示器組成，這些指示器包括發光二極管(LED) 和真空熒光顯示屏(VFD) 等。現在，家電和消費類產品市場發生了很大變化。隨著液晶顯示屏(LCD)技術在電視、計算機、汽車和移動設備上的廣泛應用，其成本不斷下降，帶有交互式圖形用戶接口(GUI)功能的LCD 成為目前大部分家電中傳統“機械式” HMI 的高性價比替代方案。
HMI 在家電中的作用
? 消費者總是希望有更簡單的方式實現和家庭中大量家電的交互，顯示屏，特別是數字顯示HMI，在這方面的作用越來越重要。最近， Apple iPhone 等產品進一步推動了向圖形交互產品的發展。iPhone 從根本上重新定義了消費者對大批量市場產品的預期，導致現在的消費者習慣于觸摸虛擬按鍵，在屏幕上滑動手指來調整設置，甚至使用手勢來代替復雜的HMI 動作。此外，消費者還希望產品是“智能”的，能夠輕松獲得豐富的信息，不出錯，在很多情況下，消費者都不用打開手冊尋找幫助。
?在當今競爭激烈的消費類產品和家電市場上，生產商必須以最小的成本突出產品優勢，吸引消費者，從而提高市場份額。一項新技術一般總是首先應用在高端產品上，然后過渡到中端產品，最后幾乎成為所有產品的標準功能。最近新出現的技術包括電冰箱和網絡家電使用的集成HDTV，以及洗衣機和甩干機的智能電源方案等( 圖1)。

圖1. 具有能源監控新功能的洗衣機實例
? 這些功能都有一個共同點：它們需要更高級的顯示技術來實現人機交互。在很多情況下，通過觸摸屏來實現這一點。OEM 采用觸摸屏來實現對現代家電的平滑控制，突出自己的品牌優勢，滿足當前消費者的需求。使用數字顯示屏技術替代機械HMI 最終加速了開發，而且能夠重新利用體系結構，從長遠看，由于GUI 軟件和可編程邏輯器件(PLD) 技術的進步，設計成本會越來越低。家電觸摸屏是目前消費類產品的必然方向，不斷推動“數字生活方式”市場的發展。
實現高性價比家電人機接口Altera 公司
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觸摸屏技術
? 觸摸屏這種顯示設備能夠探測到顯示區域一定范圍內“觸點”的出現及其位置。這一般通過手指或者塑料觸摸筆來實現。最新的觸摸技術使用“多觸點”傳感技術，一個人使用兩個手指來操作一個目標，例如Apple iPhone，或者多人在一個屏幕上相互協作，進行交互，例如微軟的表面計算技術。
? 觸摸技術發明于上個世紀60 年代后期，最先應用于企業研究實驗室計算機輔助學習終端以及商用電話系統中。然而，這一技術并沒有得到廣泛的市場應用，直到最近某些產品的推出，這一技術才逐漸流行起來，主要應用在移動電話市場。消費者最先接觸這一技術是在個人數字助理(PDA) 上，例如Palm Pilot，而隨著Apple iPhone 的出現，對這一技術的需求越來越大。Apple iPhone 無縫結合了觸摸交互功能和引人注目的動態圖形技術。
? 觸摸屏主要由三種集成組件構成：傳感器、模塊和顯示屏。觸摸屏傳感器是產品的關鍵組成，它能夠找到手指或者觸摸筆的觸摸位置，然后與底層系統進行通信。觸摸屏模塊包括觸摸屏傳感器、控制器IC 和軟件。觸摸屏含有集成了顯示面板的模塊。
? 目前使用的觸摸屏傳感器有各種類型的，包括應變、光學成像、散射信號、聲脈沖、表面聲波、電容和電阻傳感器等。其中，電阻傳感器由于成本低，是目前應用最廣泛的，三分之二的觸摸屏元件生產商生產基于電阻傳感器的觸摸屏。電阻觸摸屏不受水、光或者灰塵等外部因素的影響，能夠實現分辨率較高的圖像， 支持精確的小目標移動。電阻觸摸屏使用銦錫氧化物(ITO) 玻璃或者顯示屏表面塑料薄膜上的控制器來產生觸摸連接。在激活觸摸屏時，手指或者觸摸筆按壓塑料薄膜和基底之間的氣隙，從而在ITO 薄膜和玻璃之間產生電壓差。 控制器IC 計算觸摸位置，確定用戶在傳感器上的實際位置，然后，底層應用軟件利用這一信息確定用戶意圖，完成相應的動作。
采用FPGA 實現觸摸屏
? 具有較強交互功能GUI 的發展推動了對高性能處理器的需求。然而，目前市場上的很多低成本微控制器單元(MCU) 不能滿足在LCD 屏上實現生動的交互式GUI 的性能需求。而且，現有的MCU 不包括對外設、圖形加速或者LCD 顯示屏的片內支持，因此，將所有分立元件組裝起來后，其總成本非常高。
? FPGA 器件由邏輯單元陣列組成，可以配置完成各種功能，相對于MCU，其性能和靈活性更強，是LCD 觸摸屏更好的選擇方案。結合嵌入式軟核處理器， FPGA 很容易支持實現MCU 通用處理功能以及其他外部器件功能。這些器件能夠動態適應不同的屏幕尺寸、圖像分辨率、外設和GUI，非常靈活。
? 由于具有可編程能力， FPGA 以前主要用于驗證設計概念，構建最初的產品原型。然而，隨著半導體亞微米技術的發展，低成本FPGA，例如Altera? Cyclone? 產品系列， 廣泛應用在大量的消費類電子產品中，包括數字電視、機頂盒以及DVD 解碼器等。這一趨勢的自然發展導致FPGA 在家電設計中得到進一步應用。
? 圖2 所示為65-nm 低功耗、低成本Cyclone III FPGA 實現的LCD 觸摸屏。Cyclone III FPGA 具有內置LCD控制器和觸摸屏接口，因此，不需要其他的LCD 控制器和圖形處理器，否則，實現這類設計還得采用這些器件。
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圖2. 采用Cyclone III FPGA 實現的觸摸屏
采用下一代技術簡化GUI 開發
? 傳統的GUI 應用程序開發很容易出錯，需要大量的投入，OEM 宣稱高達70％的質量問題來自GUI。這些缺點主要來源于效率低下的工作流程、時間和成本壓力導致的折衷方案以及在嵌入式系統上開發非常復雜的高性能圖形軟件。

GUI 設計和應用程序的開發一般由設計團隊完成，該團隊與軟件工程團隊分開。軟件工程團隊接到設計文檔后，手寫編程來進行開發。然后，把結果送到質量檢查組，與最初的設計規范進行對比。找到不對的地方，標記為缺陷，返回到軟件工程團隊，在下一次軟件開發中進行改正。這一開發/ 質量檢查過程( 圖3) 不斷重復，直到軟件和設計文檔之間達到匹配，彼此可接受。但是，可能需要進行很多折衷考慮，最終的應用程序和GUI 不符合最初的設計規范。由于時間、成本壓力以及實際的平臺性能，一般很難解決剩余問題，而將其簡單地作為已知問題，軟件也就隨之發布。

圖3. 傳統的軟件開發工作流程
? 設計團隊即使是改變文本位置等很小的細節，都會導致軟件工程的變化，有可能出現系統不穩定。對于每一次GUI 修改，不論大小，至少需要完成一個完整的設計、軟件工程和測試周期，以確保質量結果，避免出現意想不到的復雜的代碼變化。最初版本完成后，對軟件很小的改動以推出不同版本都需要進行大量的測試。最終過渡到新的低成本硬件平臺意味著軟件工程團隊需要針對新的軟件應用程序接口(API) 來重復整個過程，放棄了在以前產品上的所有工作。結果，他們花費大量的時間來推出后續產品，在很多情況下，無法保證GUI 外觀和樣式的連續性，甚至丟掉了這一特性。
? 雖然很難徹底消除開發過程的低效問題，但是，現在可以使用工具和全包技術解決方案來縮短重復性的開發周期，在嵌入式系統設計中實現更好的圖形性能，得到不會過時的設計，并且很容易在硬件系列之間移植這些設計。

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GUI 開發方法
?有很多方法實現GUI 開發。手寫代碼是開發圖形應用程序最常用的方法，也是成本最高的方法。它需要較長的開發時間，很小的GUI 變化都非常繁瑣，針對每一器件實現都需要從頭開始重新編寫代碼。第二種方法是代碼發生器工具，它提供使用方便的接口來構建GUI，定義行為，但是，它產生通用代碼，需要進行很多硬件修改才能使其運行。第三種方法使用二級腳本語言以及解釋引擎來處理運行時腳本，需要大量的平臺資源，很容易出現嚴重的性能問題和錯誤。
? 第四種方法稱為二進制GUI 方法，它結合了專業GUI 構建工具，一套強大的軟件API，一些手寫代碼以及高性能嵌入式圖形引擎。設計人員利用基于PC 的工具可以開發象素精度很高的GUI，將其輸出到一個二進制數據文件。然后，將逐象素設計從設計人員的桌面直接傳送給開發人員，不需要進行其他的轉換。開發人員然后利用先進的高性能GUI 引擎以及相關的API 來處理并顯示存儲在二進制數據文件中的圖形數據。這一方法不但占用的平臺資源少，而且還允許進一步修改生成的GUI，不需要改動代碼和邏輯，或者進行很少的改動即可。而且，在模型之間，甚至在不同的硬件設計之間，今后都很容易對應用程序進行修改，重新使用。
“節能意識”應用平臺
? 為幫助生產商熟悉基于FPGA 的 HMI 解決方案在家電應用中的優勢， Altera、Echelon 和Altia 面向高質量白色家電市場推出了節能意識應用平臺。這一全集成的參考硬件平臺包括Altera Nios? 嵌入式評估套件(NEEK)，與其連接的是Echelon 電力線智能收發器板，一個4.3" LCD 觸摸屏模塊，以及顯示套件內部的玻璃背板。
? 平臺的主要構成是帶有Altera Nios II 嵌入式軟核處理器的Altera Cyclone III FPGA。這些器件控制所有系統軟件，包括用于電力線聯網的Echelon ShortStack? API，以及用于HMI 和LCD 觸摸屏控制的Altia 高性能GUI 引擎和工具等。 含有內置LCD 控制器、觸摸屏接口、內部視頻流水線以及集成高性能GUI 引擎和工具，
?? Cyclone III FPGA 幫助系統設計人員避免了使用外部LCD 驅動器和其他圖形元件，降低了材料 (BOM) 成本，縮短了產品面市時間。在家電市場上，從機械HMI 過渡到新一代數字LCD 觸摸屏HMI 時，這一系統設計方法有明顯的優勢。
NEEK LCD 控制器
圖4 所示為實現NEEK LCD 控制器設計外設和接口的高級結構圖。Cyclone III FPGA 的視頻流水線、LCD觸摸屏模塊以及MAX? II CPLD 是NEEK LCD 控制器的主要組成。

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圖4. NEEK LCD 控制器子系統
視頻流水線
? 視頻流水線負責驅動LCD 模塊數據總線上的數據信號，讀取Nios II 處理器產生的幀緩沖數據。一組專用Avalon? 流(ST) 外設實現了數據單元在不同寬度總線之間的轉換，在這一例子中，是24 位紅色、綠色和藍色(RGB) 象素輸入流至8 位象素輸出流的轉換，分別傳送每個RGB 顏色分量。在模塊數據總線上，視頻同步發生器外設將控制和數據信號進行排序，向LCD 觸摸屏模塊發送象素數據。

LCD 觸摸屏模塊
LCD 觸摸屏模塊包括三個主要組件：
■ LCD 圖形數據接口，它包括一個24 位RGB 數據總線和某些控制信號，將視頻數據傳送給LCD 模塊。
■ 觸摸屏接口包括串行外設接口(SPI) 和并行I/O (PIO) 外設。SPI 與模擬器件公司的AD7843 觸摸屏數字轉換器芯片進行通信，告知出現“觸摸”事件，一條PIO 線采集中斷事件， Nios II 處理器運行驅動所有外設的軟件。
■ LCD 控制器接口通過通用PIO 外設的簡單三線接口實現控制器芯片通信協議，發送并接收數據，對模塊進行配置。Nios II 處理器上運行的硬件抽象層(HAL) 軟件驅動程序對PIO 外設進行控制。
MAX II CPLD
? MAX II CPLD 提供Cyclone III FPGA 與其連接外設的2.5V 輸入和3.3V 輸出之 間的電壓轉換。它還可以用作FPGA和LCD模塊之間的顏色解復用器 ：它接收來自FPGA的8 位時分復用(TDM) 流，將其轉換回24 位并行RGB 格式，顯示在LCD 模塊上。
1 注意，設計人員如果不需要電壓轉換或者復用/ 解復用功能，可以在LCD 控制器設計中去掉MAX IICPLD。

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??? f 除了NEEK 硬件，Altera 還提供觸摸屏軟件API、LCD 模塊軟件API 和視頻流水線子系統API 源代碼。關于NEEK LCD 控制器及其硬件和軟件組成的詳細信息，請參考 AN 527：實現LCD 控制器。
快速實現GUI 開發
?? Altia的GUI開發和代碼生成軟件套裝為下一代家電開發功能強大的GUI提供了流暢高效的方法。可以從藝術家的圖畫或者從經過預構建的庫組件中進行選擇，建立原型。Altia 設計原型能夠集成到仿真模型中，開發團隊、經理、領域專家和客戶可以共享這些原型。
? 完成GUI 之后，使用Altia 的DeepScreen 將原型轉換為C 代碼。這一應用程序利用Nios II 處理器，針對所有圖形操作產生FPGA 代碼。如圖5 所示，開發人員利用軟件工具，無縫產生漂亮的彩色圖像，這些圖像輪廓鮮明，支持矢量目標、位圖、文本、alpha 混合以及縮放和旋轉等轉換功能。

圖5. Altia 設計...DeepScreen... 實現
? 在GUI 開發過程中，使用工具包具有一系列優勢。Altia 設計使用戶能夠使用多種圖形工具來開發定制圖像。在這一設計環境中， 不需要編程便可以建立圖像。開發團隊采用現有的和建模工具來集成原型，很容易向用戶和經理進行演示，在開發過程中獲得很有價值的反饋信息，從而避免了由于錯誤的理解發布的規范而導致重新進行設計。原型為正確實現產品外觀和功能提供了明確的方法。很容易改動原型，節省時間，不需要進行昂貴的硬件試制。
? DeepScreen 代碼發生器產生在開發過程中使用的相同圖像，因此，管理人員和用戶在最終產品中得到完全相同的GUI，并且在開發過程中得到了驗證。DeepScreen 幾分鐘就可以產生圖像代碼，而不是幾個月的時間，因此大大簡化了GUI 代碼的產生。圖像代碼可以在不同的產品和模型中實現，因此，生產商獲得了在所有產品代中使用一個GUI 的成本優勢。這些代碼可以在低功耗和高功耗硬件中實現。
? 總結圖形HMI 逐漸成為消費類產品中必備的功能。今天， LCD 觸摸屏在家電市場上迅速得到了應用。隨著Apple iPhone 等產品的流行，LCD 屏幕的成本顯著降低，具有生動的GUI 特性的觸摸控制被認為是一種高端功能。Altera、Altia 和Echelon 聯合開發的節能意識應用平臺是革命性的高性價比方案，在家電中實現了
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?? 最現代的HMI 功能。這一獨特的平臺采用了一系列技術，通過以下方法，降低BOM 總成本，縮短開發周期。
■ 避免采用外部圖形器件：以前，開發人員需要在基于MCU 的家電設計中加入外部LCD 控制器和圖形驅動器，實現觸摸屏顯示功能。采用Cyclone III FPGA 和Nios II 嵌入式處理器后，外部元件集成在一個封裝中，從而降低了系統BOM 成本，提高了設計集成的靈活性。
■ 提高芯片設計的靈活性：由于FPGA 具有內在的可編程特性，因此，家電開發人員可以增加新功能，將外設集成到內核芯片中，甚至能夠解決硬件質量問題，不會影響產品的硬件成本。
■ 降低GUI 開發成本：Altia GUI 開發平臺縮短了軟件開發時間，降低了總成本，顯著改變了應用GUI 的外觀和樣式。
■ 實現低成本產品線的多樣化：使用表層技術、獲得專利的文本表示以及成熟的本地化工具，采用單一ROM 鏡像實現了多品牌、多模型GUI，突出了產品優勢。
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? 版權? 2009 Altera 公司。保留所有版權。Altera、可編程解決方案公司、程式化Altera 標識、專用器件名稱和所有其他專有商標或者服務標記，除非特別聲明，均為Altera 公司在美國和其他國家的商標和服務標記。所有其他產品或者服務名稱的所有權屬于其各自持有人。Altera 產品受美國和其他國家多種專利、未決應用、掩模著作權和版權的保護。Altera 保證當前規范下的半導體產品性能與Altera 標準質保一致，但是保留對產品和服務在沒有事先通知時的變更權利。除非與Altera公司的書面條款完全一致，否則Altera 不承擔由使用或者應用此處所述信息、產品或者服務導致的責任。Altera 建議客戶在決定購買產品或者服務，以及確信任何公開信息之前，閱讀Altera 最新版的器件規范說明。
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致謝
■ Audrey Brouwer，技術營銷經理，消費類業務部， Altera 公司。
■ Jason Williamson，工程主任， Altia 公司。
■ Steve Nguyen，企業營銷主任， Echelon 公司。