基于单片机的EMS液晶显示触摸屏设计方案

一、引言

随着电动车市场的不断扩展和用户对电动车性能要求的提高，电池能量管理系统（EMS）成为电动车中不可或缺的重要部分。EMS液晶显示触摸屏作为用户与电动车交互的重要界面，其设计至关重要。本文提出了一种基于STM32F103单片机的EMS液晶显示触摸屏设计方案，详细描述了系统架构、硬件连接、软件实现等方面。

二、系统总体设计

2.1 系统架构

本设计方案以STM32F103单片机为核心控制器，通过I/O口与四线电阻触摸屏相连，利用STM32F103自带的A/D转换功能检测触摸并计算触点坐标，实现触摸功能。同时，STM32F103通过I/O接口与TFT液晶屏模块通信，控制实现显示功能。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

2.2 主要器件介绍

2.2.1 STM32F103单片机

STM32F103是ARM公司为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的32位ARM Cortex-M3内核单片机。它拥有可达128KB的嵌入式闪存、20KB的SRAM，以及丰富的外设资源，如两个1μs的12位ADC、一个全速USB（OTG）接口、一个CAN接口、三个4M/S的UART、两个18M/S的SPI和两个I2C等。此外，STM32F103还集成了复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等，方便用户开发。其功耗极低，在72MHz时消耗36mA（所有外设处于工作状态），待机时下降到2μA，是32位市场上功耗最低的产品之一。

2.2.2 TFT液晶屏模块

本方案选用的是3.5寸的TFT液晶屏模块，工作电压3.3V，最大工作电流70mA，支持320×240分辨率。该模块内置230K内存，显示可达256K色，支持文字和图形显示，采用LED背光设计，可通过软件调节背光亮度。此外，它还内置简体中文字库，支持2D的BTE引擎和几何图形加速引擎，可对显示对象进行复杂的操作，如画面旋转、卷动、图形Pattern、双层混合显示和文字放大等，大大增强了显示屏的显示能力。

2.2.3 四线电阻触摸屏

四线电阻触摸屏是一种常见的触摸屏类型，其基本原理是当手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置（以坐标形式）由触摸屏控制器检测，并通过接口送到微控制器，从而确定输入的信息。本方案利用STM32F103自带A/D转换功能，实现触摸屏控制器的功能，直接控制四线电阻触摸屏，检测触摸信息并计算出触点坐标。

三、硬件设计

3.1 硬件模块连接

液晶触摸显示屏系统主要由微控制器STM32F103、TFT液晶屏模块、四线电阻触摸屏以及与外界通信的CAN总线接口组成。硬件模块连接如图2所示。

图2 硬件模块连接图

四线电阻触摸屏的触摸检测装置安装在TFT液晶屏前面，用于检测用户触摸的位置。STM32F103通过I/O口与四线电阻触摸屏直接连接，实现触摸屏控制器的功能，检测触摸信息并计算出触点坐标。然后，STM32F103通过I/O接口与TFT液晶屏模块通信，将处理好的有效信息通过TFT液晶屏显示出来。由于STM32F103内置CAN总线控制器，所以CAN总线接口可以直接从STM32F103的管脚引出，用于与EMS进行通信，完成信息采集、设置参数等功能。

3.2 STM32F103与四线电阻触摸屏的接口电路

STM32F103与四线电阻触摸屏直接通过自身的I/O口连接，实现触摸屏控制器功能。其中，PA8、PA9、PA10、PA11分别作为四个三极管的控制端，通过控制三极管通断，来控制四线触摸屏的Y+、Y-、X+、X-。PA1和PA2是两个A/D转换通道，分别连接Y+和X+，用于计算触摸点的X和Y坐标。PA3连接内部中断，用于检测触摸屏是否有触摸动作。

触摸屏平时运行时，令PA8、PA9、PA11输出0，PA10=1，即只让VT2导通。当有触摸动作时，D1导通给PA3一个中断信号，STM32F103接收到中断请求后立即置PA8=1，导通VT1，这样在Y+、Y-方向上就加上电压，同时启动A/D转换通道PA2，通过输入X+上电压计算出触摸点的Y坐标。然后同理令PA8、PA10为0，PA9、PA11为1，启动A/D转换通道PA1，通过输入Y+上电压计算出触摸点X的坐标。

四、软件设计

4.1 触摸屏驱动

触摸屏驱动主要实现触摸信息的检测和触点坐标的计算。当触摸屏被触摸时，STM32F103通过I/O口检测到触摸动作，并启动A/D转换，读取触摸点的电压值，通过计算得到触摸点的X和Y坐标。

4.2 液晶显示驱动

液晶显示驱动主要实现信息的显示功能。STM32F103通过I/O接口与TFT液晶屏模块通信，将处理好的有效信息发送到TFT液晶屏上显示出来。TFT液晶屏模块支持文字和图形显示，可根据需要设置显示内容和格式。

4.3 CAN总线通信

STM32F103内置CAN总线控制器，可以通过CAN总线接口与EMS进行通信。通过CAN总线，可以实现信息的采集、设置参数等功能。CAN总线通信具有高速、可靠、抗干扰能力强等优点，适用于电动车电池能量管理系统的通信需求。

五、主控芯片型号及其在设计中的作用

5.1 主控芯片型号

本设计方案采用的主控芯片是STM32F103。STM32F103是STMicroelectronics公司推出的一款基于ARM Cortex-M3内核的高性能、低功耗的32位单片机。它拥有丰富的外设资源和强大的功能，能够满足电动车电池能量管理系统（EMS）液晶显示触摸屏的设计需求。

5.2 主控芯片在设计中的作用

1. 触摸屏控制：STM32F103通过I/O口与四线电阻触摸屏直接连接，利用自带的A/D转换功能检测触摸信息并计算出触点坐标，实现触摸功能。

2. 液晶显示控制：STM32F103通过I/O接口与TFT液晶屏模块通信，控制实现显示功能。它可以根据需要设置显示内容和格式，实现文字和图形的显示。

3. CAN总线通信：STM32F103内置CAN总线控制器，可以通过CAN总线接口与EMS进行通信，实现信息的采集、设置参数等功能。CAN总线通信具有高速、可靠、抗干扰能力强等优点，适用于电动车电池能量管理系统的通信需求。

4. 数据处理：STM32F103可以接收来自触摸屏和CAN总线的信息，进行处理和分析，然后将处理结果发送到TFT液晶屏上显示出来。同时，它还可以根据需要对信息进行存储和管理。

六、结论

本文提出了一种基于STM32F103单片机的用于电动车电池能量管理系统（EMS）的液晶显示触摸屏设计方案。该方案以STM32F103为核心控制器，通过I/O口与四线电阻触摸屏相连，利用自带的A/D转换功能检测触摸并计算触点坐标实现触摸功能；同时，通过I/O接口与TFT液晶屏模块通信，控制实现显示功能。该方案具有硬件连接简单、软件实现方便、功耗低等优点，适用于电动车电池能量管理系统的液晶显示触摸屏设计。

通过本文的设计方案，可以实现电动车电池能量管理系统的液晶显示触摸屏的智能化和人性化操作，提高用户的使用体验。同时，该方案还可以为其他类似系统的液晶显示触摸屏设计提供参考和借鉴。

在未来的研究中，可以进一步优化触摸屏的驱动算法和液晶显示的显示效果，提高系统的性能和稳定性。此外，还可以考虑将人工智能和机器学习技术应用于系统中，实现更加智能和个性化的操作体验。