在自動化儀器儀表、工業測控裝置等嵌入式計算機系統中，圖形液晶顯示模塊（點陣LCD）以顯示靈活、信息量大、可實現圖形界面等優點而被廣泛的用做顯示終端。這些模塊大多提供并行數據接口，少量提供串行接口的模塊也要求通信采用特殊協議，給系統的軟硬件設計都帶來較大不便。在顯示程序上，可移植通用的嵌入式圖形用戶界面GUI軟件，如MiniGUI，OpenGUI等，以簡化軟件設計工作。但是，這些GUI軟件移植繁瑣，有些源代碼不公開，一般需要數百KB的存儲量，對于一些只要求實現簡單界面的工控應用來說過于龐大，有一些功能（如鼠標操作、支持漢字輸入法等）也不十分必要。
針對上述問題，本文結合LCD顯示模塊STN6448D-4K設計了一種滿足工控要求的模塊化圖形液晶顯示單元。硬件上通過51單片機搭建轉換電路，實現模塊并行訪問時序到串行顯示命令的轉換。軟件上結合串行接口命令和通信協議，用C語言編寫了具有消息驅動機制的簡單通用圖形用戶界面GUI程序，可以方便地移植到各種工控嵌入式系統。
1．標準串口擴展的設計
液晶顯示模塊STN6448D-4K支持640×480點陣4096偽彩色顯示，用戶接口為8位并行口。圖1為模塊的RS-232硬件擴展接口結構，在AT89C51單片機最小系統基礎上，擴展了一片MAX232。單片機通過總線與模塊STN6448D-4K的控制器相連。單片機接收并分析串口指令，調用相應函數完成對LCD的各種顯示控制。為減少串行通信數據量，還擴展了一片2MB的Flash存儲器AM29F016D，用于存儲BMP圖像和字符庫、漢字庫。通常采用的字庫有漢字庫文件Hzk16f.bin（16×16點陣）、Hzk24k.bin（24×24點陣），ASCII碼文件ASC16.bin（16×8點陣）、ASC24.bin（24×12點陣）等，位圖文件可以根據需要自行制作和增減。所有的字庫和位圖均通過RS-232接口從PC機下載到Flash存儲器中，根據每個文件的存儲首地址索引可以完成字符、漢字、位圖的顯示。
2．串口指令和通信軟件設計
按照STN6448D-4K的編程格式編寫清屏、畫點、畫線、畫矩形、寫字符（ASCII字符、漢字）、加載位圖等基本繪圖函數的單片機程序比較簡單，這里不作說明。單片機在完成初始化、清屏操作后，將就緒狀態信息傳遞給嵌入式系統的CPU，并等待從RS-232傳來的繪圖指令。每一個繪圖指令，都是一個繪圖命令幀，與一個繪圖函數相對應。
單片機收到一個完整的繪圖指令后根據指令碼識別不同的繪圖操作，調用相應的函數完成顯示控制。由于各個函數的指令長短不一，單片機需要判斷出一條指令的結束；而且單片機完成LCD操作需要時間，硬件上又沒有一個“BUSY”信號來指示單片機暫時不能接收指令。故程序設計上需保證傳輸同步和可靠性。
2．1 顯示命令幀的封裝
每一個繪圖指令都封裝成一個繪圖命令幀，封裝時依據以下3條規則：
(1)在每一個繪圖指令的結尾加上標志字節END，封裝成一個繪圖命令幀。一個完整的繪圖命令幀包括繪圖指令碼、繪圖函數參數以及END標志。標志字節END的編碼為0x55；
(2)在幀數據（指令的有效數據）中的某一個字節如果與END（0x55）相同，則將這個字節轉換為（0xDE，0xCF）的2字節序列。其中0xDE稱為轉義字符TRANS，0xCF為數據與END標志相同時轉義后的替換符TRANS_REP。
(3)如果幀數據中某個字節與轉義字符（0xDE）本身相同，則將其更換為（0xDE，0xDE）2字節序列。
如果不考慮轉義字符，一個完整的繪圖命令幀格式如下：
其中：CMD指令碼，P1－Pn為n個字節數據。例如畫水平線函數對應的命令幀中的字符依次為：0xCA, X0_H, X0_L, Y_H, Y_L, X1_H, X1_L, CLR。其中0xCA為指令碼（對每個函數唯一），之后的6個為坐標參數，CLR為顏色。
2．2 接收狀態機
單片機的接收中斷處理采用接收狀態機機制，狀態轉換如圖2所示。
三個狀態的含義為：
狀態0: 準備接收一幀數據
狀態1: 正在接收一幀數據,且上一次接收到的字節不是轉義字符
狀態2: 正在接收一幀數據,且上一次接收到的字節是轉義字符
接收一個字節后，根據當前狀態和接收到的字符a，進行狀態轉換，并舍棄轉義字符等多余字節，將有效數據放入接收緩沖數組。當接收到有效的結束符END后，單片機將置緩沖滿標志。單片機讀到該標志，即可分析緩沖區中的數據，執行相應顯示操作，并在操作后，清除緩沖滿標志并向嵌入式系統的主CPU發出可以接收數據的應答字符（0x55）。
3．圖形用戶界面（GUI）程序設計
前述設計已能滿足簡單的顯示要求。在此基礎上本文使用C語言編寫了通用的GUI程序，設計出類VB的包含窗體和簡單控件的界面，實現簡單的可視化的操作：如按鈕按壓、文本輸入、標簽顯示、選擇框選擇、軟件菜單、窗體加載、位圖顯示、控件的Tab聚焦等。程序采用分層和模塊化的思想，其分層結構如圖3所示。這樣，可以減少程序間的耦合，便于程序的完善和升級。
3．1 邏輯設備層基本繪圖函數（LD.C）
最底層的硬件設備層的繪圖函數（HD.C）是顯示命令幀的發送，采用液晶屏的絕對坐標（屏左上角為坐標零點）繪圖，邏輯設備層的函數則是基于用戶定義的當前“窗口”相對坐標（窗口左上角為坐標零點）繪圖，窗口的位置任意。這里說的“窗口”就是當前顯示的可操作范圍，也稱為“窗口上下文”。
繪圖工具函數是一些內聯函數和宏定義，創建當前的窗口上下文，完成絕對坐標與相對坐標相互轉換，進行繪圖元素的移動、復制，設置字間距、行間距等。基于窗口裁減的繪圖函數調用各種繪圖工具函數和硬件設備層的繪圖函數，實現了點、線、漢字、字符、平面和3D矩形框的繪制，位圖加載等,并將超出窗口范圍的部分裁減掉（忽略不畫）。
3．2 窗體/控件的設計
窗體（Form）和控件全部由結構體來定義。簡單控件的共性是均為矩形框（平面的或3D的），所以都可以由公共結構體Gwidget加上各自的個性化屬性和行為方式派生得到。控件屬性（或狀態）包括：按下/彈起（對Button控件）、聚焦/失去焦點、允許/禁止接受用戶輸入（區分Label和Text）等。基于GWidget可以派生Button、Label、Text、SelBox、menu等控件。Gwidget結構體成員包括“窗口”信息、控件ID(唯一標識一個控件)、控件屬性/狀態、控件邊界寬度（實現3D顯示）、默認的控件消息響應函數指針(如ButtonOnMsg)。
窗體（Form）既是一個獨立的實體，又是控件的容器，用于管理屬于它的所有控件并傳遞和響應消息。其結構體成員主要有：窗口上下文、消息響應函數指針、標題字符串指針、所含的控件數組指針、所含控件數、當前聚焦的控件ID等。
3．3 GUI消息響應機制
針對具體的應用要求，可以設計出各種各樣的窗體（界面），每一個窗體包含多個控件。有的控件可以接受用戶字符串和數字輸入（Text控件）。這些窗體通過軟件菜單組織起來。菜單為多叉樹結構，最下一級菜單指向一個窗體或執行某個功能。同一級菜單包含并管理一個或多個菜單項。菜單結構體成員主要有：包含各菜單項的數組指針、菜單項個數、指向上級菜單的指針（可以為空）等，而菜單項結構體則包含指向下一級菜單的指針（可以為空）、指向一個窗體的指針（可以為空）、消息響應函數指針等。主程序和GUI之間的消息傳遞（或函數調用）機制如圖4所示，虛線空心箭頭指示消息的傳遞方向。
4．結束語
本文設計的液晶顯示單元具有RS-232接口，不僅在接入嵌入式系統方面提供了方便，也為在系統設計時，使用PC機并行地進行顯示軟件設計提供了途徑。用C語言編寫的GUI程序可以方便地移植到各種基于嵌入式操作系統的應用中，占用空間小，使用簡單，通用性好，能滿足一些較復雜界面顯示的要求，其已經在筆者開發的多個嵌入式系統中得到應用。
