串口屏遐想

故事是这样的，最近我在为一个客户使用littleVGL开发一款具有显示效果的产品。由于之前没有相关经验，我很担心会出现问题。但是没想到，使用了GUI-Guider之后，我们很快就完成了相关应用的设计开发。于是我突发奇想，是否可以将GUI-Guider作为串口屏的组态工具呢？

首先，让我们来认识一下串口屏。字面意思就是带有串口的屏幕，它的核心功能主要有两个：

1. 可以通过PC端设计屏幕显示界面；
2. 可以通过串口与对端设备进行通信，修改屏幕上的显示内容。

简而言之，串口屏用于显示，其显示的数据源来自串口的对端设备。

在组态串口屏方面的发展历史上，很早以前，工业现场有时需要HMI（Human-Machine Interface），以为工作人员提供便捷的操作环境。但是不同的应用现场需要不同的操作界面。有些有组态软件开发经验的厂商便想到了一种解决方案，即使用嵌入式板卡运行Windows CE操作系统。通过这种方式，可以轻松地将Windows中的代码移植到嵌入式系统上。用户只需要在Windows端的组态工具中根据现场应用进行组态设计，然后将生成的工程文件、对象文件、数据库等文件下载到相应的板卡中，从而实现所见即所得的显示开发过程。

后来也有厂商使用Cortex-A8+Linux+QT的方式实现该方案。这种串口屏还是比较贵的，毕竟使用的处理器平台，成本比较高。

由于该方案使用的组态软件，屏是串口协议的主设备，并且支持丰富的串口协议，比如各类的PLC，常见的西门子S7-200 PPI，三菱FX, 通用设备Modbus-RTU/TCP，各类仪表，变频器等。

屏的数据可以通过软件配置的方式与串口外设关联，先在设备窗口设定变量，之后在界面设计的时候关联变量即可

1.2 通用串口屏

之后又接触到了低成本的通用串口屏，这类串口屏与组态屏相同的一点是，都可以通过PC端软件进行界面设计。

区别在于价格更美丽，但该屏的串口是协议的从设备，并且一般仅支持一种协议（就像下面这种0x80~0x85这种），用户使用时需要通过外部MCU作为串口的主，并实现相关协议去修改显示画面的数据内容，具体框架可以参考下图：

2. 串口屏设计分析

2.1 组态屏设计

前面大概讲过，组态屏一般是把组态软件交叉编译到嵌入式板卡所支持的WinCE或Linux中运行，串口屏拆开后可以理解为一个嵌入式处理器的小电脑，处理器性能和树莓派应该差不多。如果有兴趣推荐大家可以研究一个开源方案pvbrowser，它可以在树莓派上运行，这个软件底层也是基于QT开发的，很早之前玩过，但是不花钱的东西看上去并不美好。

2.2 通用屏设计

要分析通用的设计，我们可以拆开看看，下面是两个不同公司的设计：

1. 先看行业大佬的板子吧，上面基本看不到啥，都继承到一起了，外面还有颗SPI的flash用于存非易失的素材或参数

   这家公司自己开了个芯片，好像也支持有能力的客户做二次开发，网上能下到参考原理图和软件SDK。

   

2. 换一个厂商，这家用的分离方案，MCU+FPGA+DRAM+NAND：

   

   大胆推测一些系统框架，下图是几种方案组合，最大的区别点在于，MCU, FPGA, Flash, DRAM之间的连接方式，主要是灰色和蓝色这两条路径：

   

3. 1. MCU作为推屏的核心器件，往往采用灰色路径，DRAM和Flash都挂在MCU上，FPGA仅实现显示驱动的作用，也可以用ILI9341/9488这种显示驱动芯片替代，该方案的瓶颈在MCU和驱动芯片之间的接口带宽以及MCU本身的处理性能，针对屏的尺寸比较大（分辨率比较高）或者需要动态显示效果的应用是一个考验。

   2. FPGA作为推屏的核心器件，采用蓝色路径，DRAM和Flash都挂在FPGA上，MCU主要起解析串口命令，并修改FPGA中双口RAM的功能（RAM区与屏幕数据源绑定），MCU可能还会使用FatFS来获取SDcard中PC端生成的文件，并将其解析后存储在Flash上。

      从实际效果看，这个产品可能使用方案b，因为普通的MCU主频较低，受带宽影响，大屏情况下很难实现较为流畅的动画效果。

3. GUI-Guider到串口屏

回到之前的想象，GUI-Guider是否可以成为用户组态工具，当前版本肯定是不行的，因为需要通过串口修改的数据在界面设计时并没有做地址关联，如果想做成组态串口屏，还需要设置从站参数信息。当然我们今天先从简单的通用串口屏入手，假设GUI-Guider后续会像VGUS那样提供数据地址关联的接口。

以默认的SliderProgress为例，我们先看GUI-Guilder能给我们提供什么：

这里以IAR为示例，导出工程。

可以得到以下的工程目录，最主要的就是红框中生成的部分，它包含了除littleVGL源码外的所有和屏幕相关的code

下来的操作就是将MCUxpresso SDK中的lvgl_demo_widgets_bm工程文件夹Copy到该目录，这样就可以成功编译该示例（IAR打开ewp文件后save workspace就可以生成eww文件）

我们现在要做的就是将这个IAR工程分成两个工程，其中一个由PC段编译生成和界面相关的代码（后称littlevgl_guider），另一个生成底层的刷屏和UART通信代码RuntimeSystem（后称RTS），大体结构如下：

通过对整体代码的分析可以看出，实际上要做到上面这种固件的分割，只需要将littlevgl_support.c这个文件拆成两部分即可。RTS和littlevgl_guider这两个固件之间通过在固定地址的指针函数结构体相互传递，如果有疑问的朋友可以参考《如何在MCU中使用二进制库》。

RTS中将和刷屏相关的函数结构体放到0x2000这个地址：

#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函数可以通过指针函数调用RTS底层接口，这样就完成了RTS到littlevgl_guider的调用

#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();

同样的方式，在littlevgl_guider中通过定义指针函数结构体的方式共享LittleVGL的相关函数给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中通过类似的方式实现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();
    }
}

两个不同的工程需要通过链接文件将它们Flash/Ram隔离开，最后还有一点需要注意的，如果仅仅通过函数指针调用littlevgl_guider函数是无法正常运行的，因为littlevgl_guider工程没有走cmain的过程，需要初始化的全局变量都没有进行初始化，所以RTS可以通过Bootloader加载APP的方式跳到littlevgl_guider中（但注意不要切SP，栈还用RTS的），让它走完初始化流程。

littlevgl_guider函数周期检查共享RAM的值，如果有变化，就更新变量到屏幕即可。下图是将整个工程拆分的示例

写在最后

不是所有的硬件平台都可以使用该方法，因为GUI Guilder目前是将固件和资源编译在一起的，所以如果图像资源（包括字库）比较大，则固件占用Flash也会很大，仅仅靠MCU内部Flash很难满足要求。i.MX RT系列是比好的选择，因为他支持XIP(通过AHB读取QSPI-FLASH），固件大小就不会受到制约，主频也够高，可以保证显示效果。

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