【DigiKey创意大赛】调试伴侣——嵌入式终端显示屏交作业了

jobszheng5

【DigiKey创意大赛】调试伴侣——嵌入式终端显示屏交作业了 [复制链接]

作品名称：调试伴侣——嵌入式终端显示屏
作者：jobszheng5

# 【DigiKey创意大赛】调试伴侣——嵌入式终端显示屏交作业了
## 摘要
本文先简要介绍了《终端显示屏》DIY项目的设计背景，要解决的现实问题。接下来展示了本次参赛所选的器件及在项目中的应用。然后，详细说明了软件设计中两个关键算法及作品展示。最后阐述了本次DIY项目的成果与不足。
## 创意背景
在进行嵌入式项目开发时，必使用串口输出调试信息，而查看调试信息则一般会使用一根USB-to-uart转接线，并在PC端打开调试终端软件，例如sscom,串口调试助手，xshell等。但经常会遇到一个很烦人的问题：USB-to-uart转换器失灵，PC端终端软件卡死。这导致“调试程序执行正常，但PC终端无显示”的虚假故障的恼火事情。耽误开发影响项目开发进度。在一些项目中，需要搭配隔离型的工具，这也增加了数据监控工具的费用。
今天要DIY的小项目即利用嵌入式实时，可靠，稳定的特点解决上述问题。终端显示屏有一块3.2寸TFTLCD屏，用于实时，回复调试信息；有一个SD卡卡槽，可保存日志信息；触摸屏，可选择工作模式，设置参数；支持RS485，RS232-TTL，CAN等通讯接口。
## 系统框图

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## 设计思路
我们先从数据流的方向来 说。当数据从外部总线RS485或CAN总线抓取到。然后，缓存到接收FIFO环形队列中待处理。当环形队列中的数据长度达到特征字符串的长度后，匹配模块开始读出数据进行匹配。当匹配成功后，将标识符号同步输出到显示buffer中。否则，直接将数据输出到显示buffer中。
显示模块，主要对显示buffer进行分析并显示。显示模块有3个情况处理：1. 回车换行符输出；2. 突出显示输出； 3. 页面滚动输出。下面，我们分开来详细说明：
1. 回车换行输出。
在ASCII字符集里面，小于0x20的数值的字符称为控制字符。本次终端显示中仅支持回车换行“\r\n”控制字符。对于其它控制字符则输出占位符“.”。基于此原因，对输入的Hex数据，需要在前级接收模块中，根据输出配置参数来对Hex数据进行字符化处理。例如，0x12 0x34 => 0x31 0x32 0x20 0x33 0x34，并在每条命令帧尾添加回车换行作为帧尾结束符。
2. 突出显示输出。
在实际工作，DIY等应用场景，当出现异常，如Error字符串，或特征字符串Pass，OK时，我们希望在茫茫日志中，快速识别出来。因此，突出显示功能非常必要，且非常实用。显示模块实现突出显示的策略相对简单。在识别到上级模块的标识符后，按对应关系配置并输出字符。在字符输出结束后，恢复正常字符输出，比如Error字符串，我们将其默认的白色字体，替换为红色字体，以达到突显的目的，并在字符串结束后，恢复默认的白色字体。同理，将Pass字符串设置成绿色。这里也有一个注意事项，由于将回车换行作为换行的控制字符，所以突显字符串是不能包含回车换行等控制字符。
3. 页面滚动输出打印。
终端显示，从命名上就行Linux的Terminal上面靠。显示效果自然也希望与之类似。按行从左到右输出，遇到换行后，进行换行处理。在输出字符到显示区域底部时，将此页内容上滚，并在底部继续横向输出。平时，我们还有一个常用操作——清屏。在本次设计中，综合考虑，清屏命令使用外部按键实现。即按“清屏”按键后，终端界面擦除当前全部字符，并将光标恢复到左上角处。

## 硬件选型
### 主控芯片
STM32H723ZG是ST公司推出的新一代嵌入式微控制器，基于ARM公司Cortex-M7内核，主频高达550MHz，并有丰富的资源，比如高达1MB的Flash存储空间，可以装下许多许多素材数据。此款MCU引脚多达144个，可以全部支持传统的FMC，RMII，SDMMC，甚至是LTDC的RGB888并行接口。高速的处理能力，极大增加了本项目的数据吞吐能力。
本次DIY项目在得捷中国购买了基于STM32H723的nucleo-h723开发板。
### 液晶显示屏
终端显示屏肯定不能缺少LCD屏，本次选用此块LCD屏自带驱动IC——ili9341芯片。接口可以采用SPI接口，也可以采用FMC 8-bit并行接口。此块显示屏模块可灵活选用通讯引脚数量。在本次DIY中，我为了加快刷新频率采用了FMC并行接口。
本次DIY项目在得捷中国购买了Adafruit 2.8"液晶显示屏。
### CAN-FD芯片
在我们平时开发或DIY项目时，可能使用串口数据显示应用较多，但CAN通讯的数据显示也越来越多的应用场景。尤其是汽车行业。所以，本次也将此应用接口加入到终端显示屏。TJA1057芯片可支持FD-CAN标准协议，适用性更强。
本次DIY项目在得捷中国购买了CAN通讯芯片TAJ1057器件。
### 电平转换芯片TXS0108
选择TXS0108主要是考虑电平兼容性。本次主控芯片STM32H723ZG支持1.8v的工作电压，但外设模块为3.3v或5v。因此，通过TXS0108来做电平兼容。
本次DIY项目在得捷中国购买了电平转换芯片TXS0108器件。
## 硬件设计
本次参赛选用了ST公司的nucleo-h723zg开发板，其仅为核心功能板。我的外围扩展的功能则必须打板设计了，先上原理图，细节慢慢说。

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### TFT LCD驱动
对于控制芯片ili9341的LCD驱动IC来说，其不仅支持4-wire的SPI通讯协议，而且支持MCU 8080的8-bit并行接口。本次设计由于原型开发，所以从PCB上面保留了两种接口，即FMC和SPI。
### 串口
本次DIY活动中，串口在以下三个部分使用：一、日志输出，即利用st-link虚拟串口与uart3连接，输出系统工作过程中的debug消息；二、串口TTL接口；三、RS485接口，与TTL接口相同，用于接收来自外部串口的数据，并显示在液晶屏上。
### SDMMC外设
SPI外设是高速接口，但对于SD卡来说，SDMMC是更快的外设。本次也是直接引出来一路SDMMC 以4-bit宽度的方式来连接到TF卡座。
### GPIO引脚
本次设计了4个按键，用于与用户交互使用，分别为清屏，亮度调节，Hex/Ascii切换，静音。
接下来，我瘵展示一下PCB设计第一版的实物图与焊接完成图。

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## 软件设计
有了硬件设计，再配上软件代码这就是嵌入式系统了。本章给大家介绍各个模块的软件代码。代码主要分为底层驱动与应用层程序。
### 底层驱动
本次DIY的底层驱动主要使用ST公司的代码生成工具STM32CubeMX软件。因此，在本作业提交中仅对配置进行说明，具体代码与API可参照文末的工程文件。
串口3，与上位机通讯，硬件外设连接在Usart3.用于输出调度消息。

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串口6，Usart6，配置为RS486模式，与SP3485芯片相连，可用于监控RS485总线的收、发数据帧。

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CAN接口，使用FDCAN1，硬件上与TAJ1057（本次得捷采购）。可用于监控CAN总线上的收、发CAN帧。本次DIY中，由于模拟CAN总线通讯的收、发设备不支持FDCAN，所以本配置为CAN2.0模式。

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SDMMC接口。使用默认配置，4-bit总线宽

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FMC接口，本次DIY使用了A2地址，8bit模式，片选信息使用NE1信号引脚

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其它配置，时钟配置中，主频使用了最高主频的550MHz，时钟源为外部的8MHz，调度接口使用swd模式。
## 应用程序
### 数据流转图

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### 环形队列
使用环形队列的优势是单进单出，互不影响。因为外部总线数据到来时间随机，数据写入缓存的时间不定。而传统加锁机制在mcu应用中，需要使用关闭全局中断来保证写入缓存的原子性，但其副作用是可能导致接收数据的丢失，但作为一个总结监视的应用，丢失数据肯定是不允许的。因此，选用环形队列来无锁机制实现数据接收缓存符合设计要求，也增大了数据吞吐量。
当数据从外部总线RS485或CAN总线抓取到。然后，缓存到接收FIFO环形队列中待处理。当环形队列中的数据长度达到特征字符串的长度后，匹配模块开始读出数据进行匹配。当匹配成功后，将标识符号同步输出到显示buffer中。否则，直接将数据输出到显示buffer中。

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```c
struct fifo_s
{
  uint8_t *buffer;
  uint32_t size;
  uint32_t in;
  uint32_t out;
};

#define min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))

int fifo_init(struct fifo_s *fifo, uint32_t size, uint8_t *buffer)
{
int ret = 0;
if (size == 0 || ((size & (size - 1)) != 0))
{
  return (-1);
}
fifo->buffer = buffer;
fifo->size = size;
fifo->in = 0;
fifo->out = 0;
return (fifo->size);
}

uint32_t fifo_put(struct fifo_s *fifo, uint8_t *buffer, uint32_t len)
{
uint32_t l;
len = min(len, fifo->size - fifo->in + fifo->out);
l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));
memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l);
memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l);
fifo->in += len;
return len;
}

uint32_t fifo_get(struct fifo_s *fifo, uint8_t *buffer, uint32_t len)
{
uint32_t l;
len = min(len, fifo->in - fifo->out);
l = min(len, fifo->size - (fifo->out & (fifo->size - 1)));
memcpy(buffer, fifo->buffer + (fifo->out & (fifo->size - 1)), l);
memcpy(buffer + l, fifo->buffer, len - l);
fifo->out += len;
return len;
}

uint32_t fifo_len((struct fifo_s *fifo)
{
 return ((fifo->size - 1) & (fifo->in - fifo->out));
}

```
## 改进kmp算法
突出显示功能，需要匹配文本字符串。在算法界里，字符串匹配典型算清就是kmp算法，其核心抽象是利用空间换时间，毕竟匹配的速度直接与性能相关。在本设计中，我们参考kmp算法，将其改进以适配我们的应用。在kmp算法里面，模式指针在匹配失败后，指针按照失败时字符的后退值进行后退，本设计中，当匹配失败后则将字符串输出后退值到显示缓存。如果匹配成功，则输出预定的内容。

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```c
void match_string(uint16_t x, uint16_t y, uint8_t *buf, uint16_t length)
{
uint16_t i, j, m;
j = 0;
for (i = 0; i < length; i++)
{
  if (buf<i> != match_str[j])
  {
  LCD_ShowChar(x, y, buf<i>, 16, 1);
  x += 8;
  if (x > 320)
  {
  x = 0;
  y += 16;
  }
  if (j != 0)
  {
  for (m = 0; m < j; m++)
  {
    LCD_ShowChar(x, y, match_str[m], 16, 1);
    x += 8;
    if (x > 320)
    {
    x = 0;
    y += 16;
    }
  }
  }
  j = 0;
  }
  else
  {
  j++;
  if (j == sizeof(match_str))
  {
  for (j = 0; j < sizeof(match_str); j++)
  {
    LCD_ShowChar_key(x, y, match_str[j], 16, 1);
    x += 8;
    if (x > 320)
    {
    x = 0;
    y += 16;
    }
  }
  j = 0;
  }
  }
}
}

```
### 显示模块
主要对显示buffer进行分析并显示。显示模块有3个情况处理：1. 回车换行符输出；2. 突出显示输出； 3. 页面滚动输出。下面，我们分开来详细说明：
1. 回车换行输出。在ASCII字符集里面，小于0x20的数值的字符称为控制字符。本次终端显示中仅支持回车换行“\r\n”控制字符。对于其它控制字符则输出占位符“.”。基于此原因，对输入的Hex数据，需要在前级接收模块中，根据输出配置参数来对Hex数据进行字符化处理。例如，0x120x34 => 0x31 0x32 0x20 0x33 0x34，并在每条命令帧尾添加回车换行作为帧尾结束符。
2. 突出显示输出。在实际工作，DIY等应用场景，当出现异常，如Error字符串，或特征字符串Pass，OK时，我们希望在茫茫日志中，快速识别出来。因此，突出显示功能非常必要，且非常实用。显示模块实现突出显示的策略相对简单。在识别到上级模块的标识符后，按对应关系配置并输出字符。在字符输出结束后，恢复正常字符输出，比如Error字符串，我们将其默认的白色字体，替换为红色字体，以达到突显的目的，并在字符串结束后，恢复默认的白色字体。同理，将Pass字符串设置成绿色。这里也有一个注意事项，由于将回车换行作为换行的控制字符，所以突显字符串是不能包含回车换行等控制字符。
3. 页面滚动输出打印。终端显示，从命名上就行Linux的Terminal上面靠。显示效果自然也希望与之类似。按行从左到右输出，遇到换行后，进行换行处理。在输出字符到显示区域底部时，将此页内容上滚，并在底部继续横向输出。平时，我们还有一个常用操作——清屏。在本次设计中，综合考虑，清屏命令使用外部按键实现。即按“清屏”按键后，终端界面擦除当前全部字符，并将光标恢复到左上角处。

## 作品展示
1. [经验分享] 【DigiKey创意大赛】终端显示屏也开箱了https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1267079-1-1.html
2. [作品提交] 【DigiKey创意大赛】调试伴侣——嵌入式终端显示屏交作业了 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1269693-1-1.html 
3. 作品演示视频 https://training.eeworld.com.cn/video/38986

## 总结
本次DIY项目利用ST公司新推出的高性能微处理器STM32H723实现多总线终端屏显示功能。解决电子工程师在对总线监测时使用PC机的不便，也解决了普通USB转串口，USB转RS485与USB转CAN口需要电气隔离的问题。在对总线进行监测过程中，基本满足设计要求。
本次DIY项目也有待完善部分，为了大家共同提高，在这里也一并提出，还望评委们可略过本段。终端显示屏在模式匹配成功后，应该有声音提示，但本次设计中未实现。此功能会在第二版中添加。
本次选用屏幕较小，受限于总费用，此处略有遗憾。对LCD屏的驱动还望多考虑LTDC外设的RGB888模式，用于提高显示性能。
## 致谢
感谢得捷（中国）赞助项目研发基金。感谢EEWORLD协助活动组织，并给予技术帮助。在此，向在本次DIY项目中提供帮助的网友们一并表示感谢。

jobszheng5 于北京

#### 附件
- word文档 
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<div class="y">2024-1-15 01:15 上传</div>
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- 工程源文件 
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- 报告PPT 
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lugl4313820

高速的处理能力，极大增加了本项目的数据吞吐能力。

确实，st在这方面有很丰富的产品线。

jobszheng5

lugl4313820 发表于 2024-1-14 09:44 高速的处理能力，极大增加了本项目的数据吞吐能力。确实，st在这方面有很丰富的产品线。

版主，再等我会。还有更多内容要释放出来呢

yilonglucky

你这屏幕多少钱？为啥我的经费只够买数码管

jobszheng5

yilonglucky 发表于 2024-1-17 09:46 你这屏幕多少钱？为啥我的经费只够买数码管

257元。

但我的开发板只能购买nucleo级别的。

自己找引脚，画PCB，再焊接消耗了太多的精力。关键，我的焊功还较差

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