基于图形显示的人机界面：最新MCU的新功能

作者：Justin Palmer，垂直分部总监，嵌入式及医疗保健部，富昌电子

来自消费者研究、分析师报告、OEM客户反馈和半导体制造 商预测等的信息都预示了相同的发展方向：在未来五年内，
几乎所有嵌入式设计人员都将面临着显著增强功能、操作模 式以及其产品的人机界面（HMI）吸引力的压力。

虽然创建更多图形化和触摸敏感界面的趋势在诸如智能手 机和平板电脑等设备中已经非常普遍，但具有如此丰富的用
户体验需求的市场已经远远不限于消费者市场。事实上，工 业、汽车、医疗、军事和航空航天等市场的产品都面临着同
样的要求。以下几个因素推动了HMI设计的革命：

传感器、处理器和无线设备性能提高且价格降低，大大增 强了系统进行测量和跟踪自身操作的能力。

用户群发生了代际转变，要求产品制造商满足“千禧世 代”（而非“婴儿潮世代”）用户的需求。

彩色TFT显示器比五年前的单色STN显示器成本更低。随 着目前电容式触摸感应技术的广泛应用，触摸屏覆盖层 也性能提高且价格降低，提供了比之前的电阻式技术更 好、更具交互性的界面。

当设备具有易于使用和直观的界面时，企业可以提高效率 并降低运营成本。这可以降低对培训的需求，并降低人为 错误的发生率。

过去，重新设计嵌入式产品的HMI以提供更多更好的图形内 容对于基于微控制器的系统来说几乎毫无可能。基于有复 杂图形能力的微处理器、和诸如Windows®或Linux™平台之 类的功能丰富操作系统的嵌入式系统，与那些基于微控制 器、通常没有操作系统且仅运行简单设备（如段式LCD）的 系统之间存在巨大的鸿沟。

但是，现实正迅速发展，MCU功能的不断增强使设计工程师 希望他们能够在不必放弃他们熟悉和高效的MCU平台的前 提下，领先于客户不断变化的期望。那么，MCU制造商能够 为其用户显著改善人机界面的功能提供多大的帮助？

HMI如何发展以及为什么发展

在考虑系统设计人员如何实现增强的HMI之前，应该先了解 HMI为什么需要改进以及如何改进。

HMI设计转变的根本原因是新的、高级半导体技术的发展。 传感器、射频收发器和微控制器的功能越来越强大且价格 越来越便宜，OEM厂商可以将更多数量的这些器件嵌入到 更多的设备中。在工厂中，这使得工厂自动化系统可以在生 产过程中的任何时间点实时跟踪制造设备和制造产品的所 有重要参数。在医学中，这使得卫生专业人员能够持续地远 程监测患者的状况，并在超过临界阈值时设置报警。

结果是大量的数据正在生成并发送到控制单元。随着物联 网的发展，这些数据越来越多地托管在云端，可以对其进 行汇总和分析，并将分析结果显示在任何互联网终端上。因 此，用户可用的数据的范围和类型正在迅速变化。

同时，用户群体（特别是劳动力组合）正在发生变化，“婴儿 潮世代”已进入退休年龄，“千禧世代”（从20世纪80年代初 开始出生的人）及其后代已取而代之。这些人是数字化“土 著人”，从小就习惯于与电脑和显示屏进行互动（见图1）。

图1. 特斯拉Model S仪表板 – 满足现代用户对图形丰富的控制界面的偏好。（图片
来源：Steve Jurvetson，知识共享2.0许可协议）

有趣的是，“千禧世代”的喜好和工作作风与“婴儿潮世代” 不同。“婴儿潮世代”希望先接受培训再实施操作，并根据 执行情况进行衡量，而“千禧世代”期望了解系统、跟踪实 时数据，并根据数据做出自己的决定，而非遵循设定的流 程。

所以现在我们有传感器产生的大量数据、通过互联网实时通 信和共享的能力，以及有能力处理和使用它的人们。显然， 简单段式LCD和按键输入已经不适合这种与复杂设备的互 动模式。

显示器必须向用户显示数据菜单

最关键的因素是大数据的可用性，以及可以从其使用中获得 的非凡价值。在诸如密集医疗护理和机器预测维护等领域， 我们可以在多个数据流或多个参数中发现其模式，从而提供 最有价值的见解。人类能够最容易、最快速地从视觉上发现 这些模式；与数百行字母和数字相比，我们能够从框图、图 形和图表中更容易地了解关于复杂数据集的信息。

为了使“千禧世代”能够做好他们的工作（基于丰富的实时 数据做出明智的决定），嵌入式设备应该以图形方式呈现信 息，并能够与用户直观地进行交互。因此，系统需要图形功 能，并且必须支持触摸感应界面。

例如，能够处理高分辨率视频流的最复杂的图形系统将运 行在高性能MPU上，如恩智浦半导体的i.MX系列，该系列基于ARM® Cortex®-A处理器，在Linux®或Android™环境下运 行。这些系统在软件和硬件方面都是复杂和昂贵的，并且对 于不熟悉丰富操作系统（OS）开发的人员来说具有巨大的实 施挑战。

然而，目前越来越多的嵌入式系统基于微控制器平台。当 然，如果可能的话，MCU用户总是希望继续使用MCU，而非 迁移到MPU。他们熟悉MCU，MCU支持用于应用程序代码开 发的C语言，并且能够重复使用在同一平台上运行的旧系统。 简而言之，从MCU迁移到MPU的变化是巨大的，但也是可以 避免的。

那么，采用MCU架构的系统能够多大程度地模拟基于MPU 的HMI的复杂性和性能？

现在，意法半导体向用户提供了基于ARM® Cortex®-M7处 理器内核的32位STM32F7 MCU，可以支持高达1024 x 768 像素分辨率的XGA显示屏。STM32F 7x7、STM32F 7x8和 STM32F7x9系列都包含板载TFT显示控制器和JPEG图像 编解码器（见图2）。所有STM32F7 MCU还包括用于图形的 Chrom-ART Accelerator™加速器，可以实现高速渲染图形 而无需任何主处理器开销。这个图形加速器创建内容的速度是单独内核的两倍。除了提供原始2D数据的快速渲染之 外，Chrom-ART加速器还支持额外的功能，如图像格式转换 和图像混合，使MCU用户能够实现一些复杂的图形效果。

图2. 意法半导体的32F769IDISCOVERY开发板，用于STM32F7x9系列MCU，包括一
个4英寸LCD触摸屏（图片来源：意法半导体）

高达2MB的板载闪存和512kB的SR AM为图形数据存储和 Chrom-ART Accelerator加速器所需的高速暂存存储器提供了大容量。STM32F7x9系列MCU的MIPI-DSI接口在图形丰富的应用中也非常有用，因为它可以为诸如图像传感器和摄像机等设备提供直接通道。其他M C U制造商在其高端设备中提供了类似的图形和显示控制器功能。Microchip的PIC32 MX3和MX4系列适 用于具有高性能图形显示的嵌入式应用。它们支持高达WVGA（800 x 480像素分辨率）的TFT和OLED显示屏，并集成了Microchip的触摸感应控制技术。

Microchip为图形应用提供了非常好的开发支持，提供免费的图形库，以及直观易用的“Graphics Display Designer”（图形显示设计师）开发工具。

恩智浦半导体的LPC 5 460x和LPC 5 4S60x系列基于ARM Cortex-M4的MCU也针对丰富HMI应用进行了优化。它们支持分辨率高达1024 x 768的图形LCD，并提供了轻松连接和 管理外部QSPI闪存的选项，可存储大图像或代码片段。恩智浦还提供了一个良好的生态系统，包括免费提供的Segger emWin等图形库。

赛普拉斯半导体在图形显示控制领域拥有悠久的历史，它是目前通常采用2D或3D图形显示屏的汽车仪表板高度集成控
制器市场的领导者。

对于工业设备和家用电器，FM4系列MCU提供广泛的功能。特别是FM4系列中的S6E2D系列ARM Cortex-M4 MCU，它针对包含全彩色TFT图形显示屏的应用；其图形引擎源自用于 仪表板的Traveo系列MCU。

S6E2D提供512kB的视频RAM和图形引擎，支持复杂的图像重叠、镜像、缩放和图像移动，且Cortex-M4内核的开销最小。它能够以更低的价格实现复杂和出色的图形以及有竞争力的解决方案。

迁移到图形显示屏的新系统要求

好消息是，许多MCU制造商为现有用户提供了到高端设备的迁移路径，通过它们可以实现非常复杂的全彩色图形显示，甚至支持一些移动内容，并提供全高清的高分辨率。满足“千禧世代”用户需求的、非常复杂的基于显示的HMI现在无需整体迁移到基于MPU的架构和全功能操作系统即可实 现。

但首次实施复杂的图形显示的设计人员会发现：

系统的复杂性急剧增加

计时窗口缩短和调度带来了很大的挑战

存储器需求大大增加，从而需要存储器管理

毫无疑问，具有复杂HMI的嵌入式应用因此需要使用实时操 作系统（RTOS）来提供调度和优先级排序的框架，并实现存储器管理。有多种RTOS可供选择，如FreeRTOS™等系统可以免费使用，并拥有大多数MCU制造商的板卡支持。

设计人员还需要利用MCU制造商为第三方图形设计工具提供的支持。例如，意法半导体和恩智浦免费为其MCU用户提供Segger的emWin设计和仿真工具。

还需注意的是，增强HMI的趋势不仅包括先进的图形功能， 而且还包括手势控制和更好地使用音频输入和输出的能力。Microchip通过GestIC®技术在手势控制方面提供了有 趣的功能（见图3）。在音频用户界面中，XMOS在其xCOREVOICE
™处理器中实现的远场麦克风管理方面进行了开创性 工作，提供了在所有环境中实现电子设备语音控制的方法。

图3. Microchip的3DTouchPad演示了其GestIC手势识别技术。（图片来
源：Microchip）