项目方案概述
本应用来源于前级效果器面板项目（图1），由一方案商提供硬件，但没有原版软件程序，因此他们自己开发了一套替代方案，依然是使用雅特力415芯片，此芯片主频150MHz，SPI传输速率最高可达50Mb/s，经计算，如果使用SPI+DMA传输，理论上可以跑40帧左右且不占用太大的系统使用率，但可能受限于技术水平，方案商的替代方案效果并不理想。
而如果我们想要出替代方案，使用M4系列，其价格并不是很好的选择，因此选用了M3大容量的CKS32F103VET6。LCD驱动方面，受限于M3最高18Mb/s的SPI传输速率，我们选用了8080作为显示驱动接口，利用了MCU的FSMC功能，对比SPI一根线传输数据，FSMC可同时传输8位/16位数据，其速率实测连续单色刷屏可达百帧以上，本项目方案商提供了8位并口屏，如果选择16位速度可提升一倍。
系统菜单方面，原方案使用的是多级菜单，没有挂系统，多级菜单优劣势明显，优势是设计简单，把系统分成一个个的层级，通过按键轮询菜单就可以切换不同的界面，其缺点是可靠性不足，不足以承载复杂的系统，基于项目复杂性及可靠性评估，选择了移植LVGL作为本方案的开发系统，兼顾了系统稳定性、项目拓展性及成功率。
图1 前级效果器面板开发样机
方案主要设计核心思路
客户的核心诉求主要是刷屏效果要达到原版效果，原版效果应该在20帧以内，速度比较快但刷屏时依然可以看到刷屏线，另一个要求是功能跟原版功能一致。
刷屏效果优化
刷屏效果主要通过四种方式来优化：
（1）提高主频：我们103大容量运行频率可达144MHz，因此在软件的最开始，手动配置了升频函数，主要语句如下，配置PLL倍频12倍，即12M*12=144MHz，后使能PLL，另外Flash等待时间必须配置为5，因为主频增加了，要保证有足够的等待时间才能完成配置，实测等待时间2时，最高只能跑到120MHz主频。
FLASH_SetLatency(0x05); RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_12); RCC_PLLCmd(ENABLE);
（2）优化FSMC驱动：FSMC硬件连接方式如下表1所示，使用NE1作为片选，A16为写命令/写数据，D0-D7为8位的双向数据线，PD4读数据，PD5写数据。LCD的驱动时序，和FSMC模式A的时序基本一致，因此配置成模式A即可。为了最大化提高传输速率，FSMC的建立时间和数据保持时间都配置到最小。
表1 MCU与LCD屏接口硬件连接
（3）打点函数优化：MCU通过以上FSMC并口控制LCD显示芯片，其逻辑是MCU通过特定的地址把数据传到LCD驱动显示芯片相应的显存里面（需要此芯片的根本原因是MCU SRAM不足），驱动显示芯片再按照配置好的扫屏顺序，在显示屏上刷新一个个像素点（图2）。
图2 MCU与LCD屏的关系
而打点函数就是MCU用来传输数据到LCD驱动显示芯片的桥梁，一般传输一个像素点数据，都需要先发送命令，再发送数据，LCD驱动显示芯片才会知道你这个数据用来干什么，一般的打点函数，会对每一个像素点都进行写命令再发送数据，这样每次都会浪费2次8位数据的时间，整一个屏320*240个像素点，就会浪费大量的时间，因此优化了打点函数，如下文所示。每次先获得需要显示图像的XY轴开窗大小，然后写命令一次，就可以将所有像素点连续写入，只需要一次循环结束就可以完成打点函数。
void LCD_Draw_Picture(u16 sx,u16 sy,u16 ex,u16 ey,u16 *color)
{
u16 height,width;
u16 i;
width=ex-sx+1; //得到图片的宽度
height=ey-sy+1; //得到图片的高度
Lcd_SetRegion(sx,sy,ex,ey);
LCD_WriteRAM_Prepare(); //开始写入GRAM
for(i=0;i<height*width;i++)
{
LCD->LCD_RAM=(*color)>>8;//写入颜色值
LCD->LCD_RAM=(*color)&0XFF;
color++;
}
}另外因为有LCD驱动显示芯片的中转存在，这里会产生一个问题，当LCD还没有刷新完屏幕一帧画面时（读显存），LCD驱动显示芯片就写入下一帧的画面，那这两帧之间，就会产生断纹，对应到人眼视觉上面，就会产生一个横向撕裂的短暂停留（图3）。 本方案解决这个问题的方式是通过读取驱动芯片的更新扫描线，读取到扫描线在屏幕以外，才开始写入，当然弊端是这个读取时间导致帧数降低，所以本方案在刷整屏的时候才会去等待扫描线，启用消除横向撕裂功能，小面积刷屏的时候几乎不会出现撕裂现象，这样的方案可以有效提高帧数。
图3 横向撕裂产生的原因，读和写的不同步
（4）LVGL系统级优化：LVGL作为一个轻量级GUI系统，并不是想要显示图像，就能马上发送打点函数，LVGL会有一个自己的心跳，根据显示区域的大小及缓存区域配置，缓存好一块图像再通过打点函数输出，这个缓存区域会极大的影响帧率，一般默认是每次缓存像素点的十分之一，就会存在10次缓存等待时间，因此选择优化这个次数，但是增大缓存区域会极大的占用SRAM，目前优化配置为缓存总像素点的四分之一，占用38K字节SRAM，帧数可达20帧左右。
当然，并不是只有这一种缓存方式，还可以选用双缓存或者DMA2D+LTDC加速，但前者需要大量的SRAM资源，相当于开辟双倍的缓存区域，一个负责渲染，一个负责绘制；后者LTDC则需要F429以上芯片才有。很明显我们不具有LTDC外设，并且实测同等SRAM占用下，双缓存不如单缓存显示效果好。
方案进行到这一步的时候才发现LVGL的弊端，并不能完全发挥我们FSMC传输速率，但好处是正因为轻量级系统的存在，令我们系统可靠性大大提升，不需要自行设计内存管理，配置后系统会帮你管理。
核心功能开发
经过刷屏效果优化后，已经能满足项目需求，接下来进行功能项开发。虽然本项目看起来不大，但涉及的内容非常多，共分为7大项：
1） 输入按键及旋钮开发
本项目所有输入分两种，第一种是ADC检测的按键，由一个ADC外设，来检测由分压电阻隔开的11个电平，共分11个按键，不同adc值得到特定按钮，本功能难点是adc检测滤波函数和无冲突按键逻辑，滤波函数如下文所示，由于要准确的命中键值，这里每次触发adc中断，会从DMA读取100个adc值，然后快速作一个排序，最后平均第49位和50位adc值，就可以得到可靠的按键值，这些设定在16ms内处理一次。能准确得到按键值后，因为处理时间很快，为了使重复按键不冲突，设定了第一次按键锁定以及锁定时间，按下第一个按键后一定时间内失能其他按键。
void filter(void)
{
u16 tmp;
u8 i = 0,j = 0;
for(i=0; i<=100/2; i++)
{
for(j=0; j< 99-i; j++)
{
if(ADC_ConvertedValue[j+1] < ADC_ConvertedValue[j])
{
tmp = ADC_ConvertedValue[j+1];
ADC_ConvertedValue[j+1] = ADC_ConvertedValue[j];
ADC_ConvertedValue[j] = tmp;
}
}
}
After_filter=(ADC_ConvertedValue[49] + ADC_ConvertedValue[50])/2;
}第二种输入是三组旋钮编码器，旋钮编码器比较特殊，正转和反转时，都会触发AB两个相的电平（图4），通过分辨电平触发的先后顺序来得到正反转。软件部分使用2个IO外部中断线触发，通过排序AB电平来临的顺序判断是正反转，需要触发多次判断，同时要兼顾软件防抖。三组编码器共用到6个IO外部线中断。
图4 编码器正反转波形及状态图
2）页面开发及页面切换
为了快速开发页面，本项目用到了NXP的一个软件GUI-guider，页面如图5所示，是一款以图像设计转换为LVGL代码的软件，通过配置模型和触发事件，能快速的帮你转化成代码。有众多使用方式，如新建文本框并给这个文本框触发事件、按键按下后触发文本框参数修改、聚焦时背景高亮、离焦后背景变回原色或切换下一页。
使用软件后，文本框功能只需要放置一个文本框图像，设定大小和文本内容，右键添加相关事件，最后会自动生成所有代码，大大减少开发难度，但最新版仍有一些bug，要自行按经验修改，如内存泄露，跳转后没有及时清理新建过的模型，导致内存一直累积，多次跳转后爆内存。本项目使用此软件快速生成页面和事件的模版，再按需求修改逻辑和bug，本项目高达20多个页面，200多个触发事件，使用此软件后工作量依然巨大。
图5 NXP的GUI-guider页面
3）参数切换开发
本项目参数切换页面如图6所示，这是其中一页的可调参数，通过旋钮来选择参数项，如选到输入选择，按下确认按键后，进入参数切换模式，再次转动旋钮将模拟1切换为模拟2、蓝牙、USB等字样。
软件层面来看，我们找到这个文本框事件，添加按下事件，触发这个事件会进入到修改参数的状态，不同参数切换有不同标志位，整个项目参数切换标志位多达200个，并且由于要修改参数的形式都不大一样，每种参数都需要一种函数处理，工作量很大，并且除了参数本身定义值以外，还要显示成字符串显示在屏幕上，占用的FLASH和SRAM也需要非常大，目前没有太好的方式，功能2和功能3都要花费大量的重复工作。
图6 MCU与LCD屏的关系
4）面板锁开发
面板功能要求带有面板锁，基本逻辑是开启面板锁后，一段时间自动回到主页并显示上锁符号，上锁后不能操作按键，仅能用旋钮调节音乐话筒效果等音量，按键后会进入解锁页面，输入正确密码后，回到主页并解除上锁符号，但一段时间不操作依旧会回到上锁页面，除非关闭面板锁。
软件设计了2种状态，一种是开启面板锁功能标志位，一种是完全上锁标志位，开启面板锁并不会马上进入第二种状态，不管当前是什么页面，只要一段时间不操作，就会跳转主页并完全上锁，完全上锁后只要按键，就会跳转解锁页面，密码匹配后方可退出完全上锁状态，然后开始倒数计数，每次按键都会复位计数值，倒数完毕后重回上锁状态，逻辑流程图如图7所示。
图7 面板锁软件逻辑流程图
5）保存命名/密码输入
本功能主要是对命名设计，模式保存后可以添加命名（图8a），一共可以保存16种配置，配置好后，使用效果器的人员，只需要调用相应序号及名字的模式，所有参数会自动切换到上次保存的配置。这个功能和参数切换类似，把每一位的名称都当成是独立的一个参数，由A-Z，a-z，0-9还有空格一共63个数组成的数组里面选择，总共10位组成一段命名，同时调整序号，会马上显示相应保存好的命名。面板锁密码页面（图8b）也是类似，只不过是从0-9,10个数字变化，另外增加原密码的对比，以及密码修改功能。这部分的难点在于要考虑全面，当保存命名/输入密码中途，插入其他操作，应该复位和保存相应的参数。
图8 a保存命名及b面板锁密码
6）配置保存读取/数据库修改开发
在项目的初期，原方案商并没有加入进来，没有获取到对方的数据库设定，因此设计将所有16组配置参数写入内部Flash，以及读取的一套验证方式，把写入内部Flash当成是发送到对方数据库内，用于所有参数的保存和读取，根据写入参数的大小，按顺序每8位写入到一位内存数组里，再从特定地址，顺序读回参数。
为了减少Flash占用空间，参数都使用数字简化代表字符串，再根据不同数字转换回字符串用于显示。虽然后期加入对方的数据库，存储数据在DSP内部，但这种方式也有效的设计了字符串转换的函数，减少了开发周期。
7） 事务优化
LVGL的特色是按照心跳自行输出画面，而众多的事务总会对画面做干预，但LVGL本身是不支持多线程操作的，在系统还没有输出完画面时，我们直接去干预，会造成系统卡死，因此可以利用LVGL的软件定时器，将所有事务都运行在里面，让LVGL自行顺序执行。
而MCU自身的ADC中断和外部IO检测中断，因为不能放在软件定时器内执行，我们尽可能的减少数据量处理，仅用于标志位触发判定，从而保证系统可靠。如果开发更大的系统，可以加入任务系统，来辅助线程操作。
软件定时器新建方式如下：
lvgl_task2 = lv_timer_create(OS_Handler, 10, 0); //创建软件定时器，后续直接调用void OS_Handler(lv_timer_t * tmr)
结语
以上是本项目核心的开发思路，详细开发过程中还会碰到很多问题，如字模替换、特殊显示逻辑、图片插入等。软件工程送样后添加了通讯协议和相关函数，上机连接DSP实测通讯控制没有问题。
整个方案，总的来说CKS32F103VE的FLASH和SRAM资源堪堪够用，可以看到LVGL虽然稳定可靠且使用方便，但在只用到文本框和标签模型的情况下，每页画面占用的资源在十多K字节左右，显示帧率也因为缓冲方式受限很大。FSMC优化后，能跑20帧左右，占用SRAM有38K字节，如果重新评估，同样显示功能， SPI+DMA+多级菜单的方案也是足够使用，当然现在图形化一直在发展，更加美观的GUI可拓展性更佳。
来源：中科芯MCU
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