左安友，刘廷平，黄 勇

(湖北民族学院 理学院，湖北 恩施 445000)

图1 系统硬件结构图Fig.1 Hardware structure of the system

随着我国经济快速、稳定发展，各种高层、超高层建筑在各城市如雨后春笋般拔地而起.楼宇结构种类、复杂程度不断增多和增强，楼宇结构介绍成为现代建筑必不可少的组成部分，为满足这一需要，研制了一种结构简单、价格低廉的楼宇结构介绍系统，可以在宾馆、医院、政府办公大楼等使用.该系统通过显示各楼层平面图和楼层主要单位的简介，把楼宇结构清晰地展现在来访者面前.

1 楼宇平面结构显示系统结构

系统硬件主要由五部分组成：STC12C5A60S2单片机、SD卡、智能VGA控制板、独立键盘、液晶显示器.系统的硬件结构图如图1所示.

该系统工作过程为：接通电源后开始显示首页，首页包含大楼楼层的主要单位和楼层两个部分，来访者在首页寻找到要去的部门，查询相应的楼层.每个键代表一层楼，通过按键来选择各个楼层平面图，平面图存储于SD卡中，由智能VGA控制板清屏，然后驱动液晶屏显示各楼层平面图.进入该楼层平面图后，出现二级菜单，该菜单上有该楼层的主要单位及负责人的简介，若一分钟内没有人使用它，单片机自动关闭显示器，以达到节能目的，当下次再有人按按键时，液晶显示器重新启动.从显示主页提供的信息来访者就可以方便、快捷选择想要查找的部门平面图和了解相关单位的基本信息.

2 系统硬件设计

2.1 单片机选择

单片机是整个方案的核心，用于读取SD卡中的楼层平面机构图、控制液晶显示器刷屏速度，再综合考虑性能和成本方面的原因，选用了AT-MEC公司生产的STC12C5A60S2单片机[1]，其特点有：①超强抗干扰，整机轻松过2万伏静电测试；②速度快，1个时钟/机器周期，可用低频晶振，大幅降低EMI；③超低功耗：外部中断唤醒功耗，0.1 μA，支持下降沿/上升沿/低电平和远程唤醒适用于电池供电系统；④内部集成高可靠复位电路，外部复位电路可彻底省掉，当然也可以继续用外部复位电路.

在实验过程中，曾经使用STC89C52单片机，但在调试时效果不佳，主要表现在显示器刷屏速度慢，大约需要30秒左右才把整个显示的平面图展示出来，这样对于使用者浪费了很多时间，同时给人带来的方便程度下降，失去了这项设计的意义，但换成STC12C5A60S2增强型单片机后，把晶振换成47Hz时刷屏速度明显加快，时间缩短为5秒左右，这就充分体现了STC12C5A60S2单片机的特点，大幅降低EMI.由于该显示是一个长时间在各种复杂环境的显示，所以使用了该单片机超低功耗特点，只需电池就可以供电支持下降沿/上升沿/低电平和远程唤醒.为了使开发设备简单易用，还利用了该单片机外部复位电路可省掉的特点.

2.2 智能VGA控制器

智能VGA控制器是整个控制系统的重要部件，智能VGA控制板采用了先进的大规模集成电路，整合了USB2.0、CPLD、FPGA、32位ARM处理器、嵌入式系统等先进的技术，专门针对单片机用户而精心设计，是一款可用单片机直接控制VGA/LCD 显示器的智能显示，它的性能直接影响到系统的功能和效果.智能VGA 控制板更像是为单片机量身定做的“显卡”，能通过VGA接口直接驱动液晶或CRT 显示器.其特点是：①分辨率可选800×600或1024×768或640×480；分辨率是640×480时刷新率是60 Hz，分辨率是 800×600时刷新率是70 Hz，分辨率是1024×768时刷新率是60 Hz；颜色位数为65536色，真正的真彩色；②在指定的X轴，Y轴位置显示12×12、16×16、24×24、32×32、40×40、48×48、64×64等中英文字符，内置有中英文字库.可以显示任何字体和大小的中英文字库，字体的多样化媲美WINDOW XP操作系统；③在指定的X轴，Y轴的位置显示直线、矩形、圆或椭圆；④动态曲线和波形的显示；⑤清除全屏、填充指定位置和长宽的矩形区域、反色指定大小的矩形区域；⑥64M字节大小的超大NAND FLASH存储器空间用于存放用户的图片，支持显示JPG、BMP、GIF等格式的图片.图片的颜色均支持64K色，显示速度快且流畅.图片的显示效果非常接近PC机上的“所见即所得”；⑦所有的功能只需通过单片机的RS232串行口发送简单的指令完成；⑨PS2鼠标驱动功能，提供了强大的人机交互控制功能.上电自动识别鼠标；鼠标出错检测，出错自动重启；具有4种以上可控鼠标形状.使用过程中用VGA智能控制板驱动了19寸液晶显示器[2]，应用生产商提供的调试代码进行了显示设置，分辨率为800×600，背景色为蓝色，由于生产商在生产过程中就很多特性已经调试完成，并提供了源代码，开发人员不必了解和学习VGA智能开发板的结构与性能，只要根据源代码设定一些需要设定的参数，这为系统调试提供了方便.

2.3 SD卡、键盘、液晶显示器

SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，在很小的体积内结合了SanDisk快闪记忆卡控制与MLC，是一种微型、低功耗、可移动的Flash多功能存储卡，该卡向上兼容MMC卡，并且增加了智能保护功能，以有效防止盗版，同时具有更快的传输速率及更高的存储容量，可广泛用于便携式消费类电子产品中[3].有足够的空间存储所需图片，方便单片机读取图片,SD卡读写系统中的接口电路采用的是STC12C5A60S2单片机控制，SD卡中存储的图片是经前期对楼层调查，准确提供了绘制平面图的数据，使用AUTO CAD 2010软件绘制的平面图，经Adobe Photoshop CS3进行加工，经转换成bin图片存储于SD卡中，并标注其位置，在单片机编程中把图片调出时需要相应的位置信息，并通过软件编程实现SPI模式的数据传输(包括串行时钟、数据的输入和输出)，把图片显示在液晶显示器上.在SPI模式下，单片机与SD卡的连接主要有四根线(包括时钟线，两根数据传输线和一根片选线).

键盘设计方案常见的有两种，第一是矩阵式，第二是独立式[4].由于本系统所涉及到的按键不多，常用的独立式的按键包括k1-k6键，用于选择楼层及主要单位或者主要负责人简介，功能按键有返回按键，当需要返回首页时按下.液晶显示器用于显示楼层平面图及相关信息，直接通过串口与VGA连接.

图2 系统电路原理图Fig.2 Circuit principle diagram of the system

2.4 复位电路

在一分钟内没有人使用它时，单片机中断自动关闭显示器，需要重新显示的时候，按下复位键，重新刷屏，开始显示[5].

2.5 系统原理图

如前所述，整个系统由以上各个电路单元组成，系统整体原理图如图2所示.

3 系统软件设计与实现

为提高代码执行效率，运算精确，采用C语言编程[6-7]，具有编译效率高，对底层硬件操作方便，方便移植等特点.主程序模块主要负责定时中断的初始化和各I/O口初始化，等待键盘对各楼层的指令，并选择各楼层平面图形，如：在平面图右边有其需要了解的部门或者单位，对应按下选择键，显示主要部门简介或主要负责人简介，如果选择错误可按下返回按键，图像界面就回到首页.在无人使用的时候自动关闭显示器，起到节能和保护显示器的作用.

3.1 SD卡的初始化

为了使SD卡初始化进入SPI模式[8]，需要使用的命令有3个：CMD0、ACMD41、CMD55(使用ACMD类的指令前应先发CMD55，CMD55起到一个切换到ACMD类命令的作用)，为了实现兼容性，上电或者发送CMD0后，先发送CMD55+ACMD41确认是否有回应，如果有回应则为SD卡，如果等回应超时，则可能是MMC卡，再发CMD1确认，正确的回应内容应该是：CMD0—0x01(SD卡处于in-idle-state)，CMD55—0x01(SD卡处于in-idle-state)，ACMD41—0x00(SD卡跳出in-idle-state，完成初始化准备接受下一条指令)，如果最后的回应内容是0x01的话，可以循环发送CMD55+ACMD41，直到回应的内容0x00，在所有的指令中，CMD0较特殊，在向SD卡发送以前需要向SD卡发送74个时钟(CLK).

3.2 SD卡的读写

SD卡的数据传输主要通过块读写来实现，当RAM中已存放由模数转换模块传来的512 KB数据时，单片机便向SD卡写入此块数据.块读取时，可发送命令CMD17， 接收到的应答信号为0x00， 这样就可以直接接收数据了，接收到的数据的第1个字节为数据令牌0xfe，后面的为接收到的数据，当输出口变为高电平时，表明读取操作完成.SD卡的读操作与写操作相同.主程序流程图如图3、SD卡子程序图如图4、VGA子程序图如图5所示.

图3 主程序流程图 图4 SD卡子程序图 图5 VGA子程序图 Fig.3 Main program flow chart Fig.4 SD subprogram chart Fig.5 VGA subprogram chart

4 测试结果

4.1 硬件调试

根据设计原理图2搭建硬件电路，在连线正确的前提下进行硬件调试，通电后，用示波器检测单片机的ALE管脚，观察到输出的波形为方波2MHz,说明单片机工作正常.

4.2 软件调试

该设计用C语言编写程序，用Keil uVision3编译软件进行编译，将源文件：基于STC12C5A60S2单片机楼宇平面结构的设计.C进行编译，编译顺利通过.产生了如下文件：①基于STC12C5A60S2单片机楼宇平面结构的设计.uv2；②基于STC12C5A60S2单片机楼宇平面结构的设计.M51；③基于STC12C5A60S2单片机楼宇平面结构的设计.lnp；④基于STC12C5A60S2单片机楼宇平面结构的设计.hex.

4.3 测试结果

本设计以湖北民族学院理学院教学大楼为例，显示效果如图6所示.

图6 理学院教学大楼平面结构显示效果图Fig.6 Science teaching building plane structure display rendering

5 结论

本文完整的给出了楼宇平面结构显示系统的设计方案，该方案以STC12C5A60S2单片机为核心，以智能VGA控制板、SD卡及外围电路为辅助，详细说明了该系统的结构和工作原理.通过制作该装置以及相关实验，验证了该楼宇平面结构显示系统具有较高的实用价值.目前，该设计已经申请并获得了国家实用新型专利[9].

[1] 杨明欣，张杰，郑郁正.基于STC单片机的实验开发平台的设计[J].成都信息工程学院学报，2006，21(3)：410-413.

[2] 李维缇.郭强.液晶显示应用技术[M].北京：电子工业出版社，1993：200-315.

[3] 林倩，严桂林.基于STC12C5A60S2单片机的SD卡读写[J].电子元器件应用，2010，12(4)：1-3.

[4] 李直霖.ZLG7290扩展键盘在ARM Linux系统中的应用[J].机电工程，2011，28(10)：1253-1256.

[5] 李丽.单片机复位电路的抗干扰设计[J].辽宁师专学报,2009,11(4)：26-27.

[6] 谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005：134-256.

[7] 郑春来，韩团军，李鑫.编译软件Keil在单片机课程教学中的应用[J].高教论坛，2009，25(12)：96-97.

[8] 尚怡君，葛明涛.SPI模式下对SD卡的读写控制[J].光盘技术，2009，15(8)：28-29.

[9] 刘廷平，黄勇，左安友.一种电子楼宇平面结构展示装置[P].中华人民共和国国家知识产权局，ZL 2011 2 0018934.X,2011-08-10.