作者：Justin Palmer，垂直分部總監(jiān)，嵌入式及醫(yī)療保健部，富昌電子

來自消費者研究、分析師報告、OEM客戶反饋和半導體制造 商預測等的信息都預示了相同的發(fā)展方向：在未來五年內(nèi)，
幾乎所有嵌入式設計人員都將面臨著顯著增強功能、操作模 式以及其產(chǎn)品的人機界面（HMI）吸引力的壓力。

雖然創(chuàng)建更多圖形化和觸摸敏感界面的趨勢在諸如智能手 機和平板電腦等設備中已經(jīng)非常普遍，但具有如此豐富的用
戶體驗需求的市場已經(jīng)遠遠不限于消費者市場。事實上，工 業(yè)、汽車、醫(yī)療、軍事和航空航天等市場的產(chǎn)品都面臨著同
樣的要求。以下幾個因素推動了HMI設計的革命：

傳感器、處理器和無線設備性能提高且價格降低，大大增 強了系統(tǒng)進行測量和跟蹤自身操作的能力。

用戶群發(fā)生了代際轉變，要求產(chǎn)品制造商滿足“千禧世 代”（而非“嬰兒潮世代”）用戶的需求。

彩色TFT顯示器比五年前的單色STN顯示器成本更低。隨 著目前電容式觸摸感應技術的廣泛應用，觸摸屏覆蓋層 也性能提高且價格降低，提供了比之前的電阻式技術更 好、更具交互性的界面。

當設備具有易于使用和直觀的界面時，企業(yè)可以提高效率 并降低運營成本。這可以降低對培訓的需求，并降低人為 錯誤的發(fā)生率。

過去，重新設計嵌入式產(chǎn)品的HMI以提供更多更好的圖形內(nèi) 容對于基于微控制器的系統(tǒng)來說幾乎毫無可能。基于有復 雜圖形能力的微處理器、和諸如Windows?或Linux?平臺之 類的功能豐富操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，與那些基于微控制 器、通常沒有操作系統(tǒng)且僅運行簡單設備（如段式LCD）的 系統(tǒng)之間存在巨大的鴻溝。

但是，現(xiàn)實正迅速發(fā)展，MCU功能的不斷增強使設計工程師 希望他們能夠在不必放棄他們熟悉和高效的MCU平臺的前 提下，領先于客戶不斷變化的期望。那么，MCU制造商能夠 為其用戶顯著改善人機界面的功能提供多大的幫助？

HMI如何發(fā)展以及為什么發(fā)展

在考慮系統(tǒng)設計人員如何實現(xiàn)增強的HMI之前，應該先了解 HMI為什么需要改進以及如何改進。

HMI設計轉變的根本原因是新的、高級半導體技術的發(fā)展。 傳感器、射頻收發(fā)器和微控制器的功能越來越強大且價格 越來越便宜，OEM廠商可以將更多數(shù)量的這些器件嵌入到 更多的設備中。在工廠中，這使得工廠自動化系統(tǒng)可以在生 產(chǎn)過程中的任何時間點實時跟蹤制造設備和制造產(chǎn)品的所 有重要參數(shù)。在醫(yī)學中，這使得衛(wèi)生專業(yè)人員能夠持續(xù)地遠 程監(jiān)測患者的狀況，并在超過臨界閾值時設置報警。

結果是大量的數(shù)據(jù)正在生成并發(fā)送到控制單元。隨著物聯(lián) 網(wǎng)的發(fā)展，這些數(shù)據(jù)越來越多地托管在云端，可以對其進 行匯總和分析，并將分析結果顯示在任何互聯(lián)網(wǎng)終端上。因 此，用戶可用的數(shù)據(jù)的范圍和類型正在迅速變化。

同時，用戶群體（特別是勞動力組合）正在發(fā)生變化，“嬰兒 潮世代”已進入退休年齡，“千禧世代”（從20世紀80年代初 開始出生的人）及其后代已取而代之。這些人是數(shù)字化“土 著人”，從小就習慣于與電腦和顯示屏進行互動（見圖1）。

圖1. 特斯拉Model S儀表板 – 滿足現(xiàn)代用戶對圖形豐富的控制界面的偏好。（圖片
來源：Steve Jurvetson，知識共享2.0許可協(xié)議）

有趣的是，“千禧世代”的喜好和工作作風與“嬰兒潮世代” 不同。“嬰兒潮世代”希望先接受培訓再實施操作，并根據(jù) 執(zhí)行情況進行衡量，而“千禧世代”期望了解系統(tǒng)、跟蹤實 時數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)做出自己的決定，而非遵循設定的流 程。

所以現(xiàn)在我們有傳感器產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)、通過互聯(lián)網(wǎng)實時通 信和共享的能力，以及有能力處理和使用它的人們。顯然， 簡單段式LCD和按鍵輸入已經(jīng)不適合這種與復雜設備的互 動模式。

顯示器必須向用戶顯示數(shù)據(jù)菜單

最關鍵的因素是大數(shù)據(jù)的可用性，以及可以從其使用中獲得 的非凡價值。在諸如密集醫(yī)療護理和機器預測維護等領域， 我們可以在多個數(shù)據(jù)流或多個參數(shù)中發(fā)現(xiàn)其模式，從而提供 最有價值的見解。人類能夠最容易、最快速地從視覺上發(fā)現(xiàn) 這些模式；與數(shù)百行字母和數(shù)字相比，我們能夠從框圖、圖 形和圖表中更容易地了解關于復雜數(shù)據(jù)集的信息。

為了使“千禧世代”能夠做好他們的工作（基于豐富的實時 數(shù)據(jù)做出明智的決定），嵌入式設備應該以圖形方式呈現(xiàn)信 息，并能夠與用戶直觀地進行交互。因此，系統(tǒng)需要圖形功 能，并且必須支持觸摸感應界面。

例如，能夠處理高分辨率視頻流的最復雜的圖形系統(tǒng)將運 行在高性能MPU上，如恩智浦半導體的i.MX系列，該系列基于ARM? Cortex?-A處理器，在Linux?或Android?環(huán)境下運 行。這些系統(tǒng)在軟件和硬件方面都是復雜和昂貴的，并且對 于不熟悉豐富操作系統(tǒng)（OS）開發(fā)的人員來說具有巨大的實 施挑戰(zhàn)。

然而，目前越來越多的嵌入式系統(tǒng)基于微控制器平臺。當 然，如果可能的話，MCU用戶總是希望繼續(xù)使用MCU，而非 遷移到MPU。他們熟悉MCU，MCU支持用于應用程序代碼開 發(fā)的C語言，并且能夠重復使用在同一平臺上運行的舊系統(tǒng)。 簡而言之，從MCU遷移到MPU的變化是巨大的，但也是可以 避免的。

那么，采用MCU架構的系統(tǒng)能夠多大程度地模擬基于MPU 的HMI的復雜性和性能？

現(xiàn)在，意法半導體向用戶提供了基于ARM? Cortex?-M7處 理器內(nèi)核的32位STM32F7 MCU，可以支持高達1024 x 768 像素分辨率的XGA顯示屏。STM32F 7x7、STM32F 7x8和 STM32F7x9系列都包含板載TFT顯示控制器和JPEG圖像 編解碼器（見圖2）。所有STM32F7 MCU還包括用于圖形的 Chrom-ART Accelerator?加速器，可以實現(xiàn)高速渲染圖形 而無需任何主處理器開銷。這個圖形加速器創(chuàng)建內(nèi)容的速度是單獨內(nèi)核的兩倍。除了提供原始2D數(shù)據(jù)的快速渲染之 外，Chrom-ART加速器還支持額外的功能，如圖像格式轉換 和圖像混合，使MCU用戶能夠實現(xiàn)一些復雜的圖形效果。

圖2. 意法半導體的32F769IDISCOVERY開發(fā)板，用于STM32F7x9系列MCU，包括一
個4英寸LCD觸摸屏（圖片來源：意法半導體）

高達2MB的板載閃存和512kB的SR AM為圖形數(shù)據(jù)存儲和 Chrom-ART Accelerator加速器所需的高速暫存存儲器提供了大容量。STM32F7x9系列MCU的MIPI-DSI接口在圖形豐富的應用中也非常有用，因為它可以為諸如圖像傳感器和攝像機等設備提供直接通道。其他M C U制造商在其高端設備中提供了類似的圖形和顯示控制器功能。Microchip的PIC32 MX3和MX4系列適 用于具有高性能圖形顯示的嵌入式應用。它們支持高達WVGA（800 x 480像素分辨率）的TFT和OLED顯示屏，并集成了Microchip的觸摸感應控制技術。

Microchip為圖形應用提供了非常好的開發(fā)支持，提供免費的圖形庫，以及直觀易用的“Graphics Display Designer”（圖形顯示設計師）開發(fā)工具。

恩智浦半導體的LPC 5 460x和LPC 5 4S60x系列基于ARM Cortex-M4的MCU也針對豐富HMI應用進行了優(yōu)化。它們支持分辨率高達1024 x 768的圖形LCD，并提供了輕松連接和 管理外部QSPI閃存的選項，可存儲大圖像或代碼片段。恩智浦還提供了一個良好的生態(tài)系統(tǒng)，包括免費提供的Segger emWin等圖形庫。

賽普拉斯半導體在圖形顯示控制領域擁有悠久的歷史，它是目前通常采用2D或3D圖形顯示屏的汽車儀表板高度集成控
制器市場的領導者。

對于工業(yè)設備和家用電器，F(xiàn)M4系列MCU提供廣泛的功能。特別是FM4系列中的S6E2D系列ARM Cortex-M4 MCU，它針對包含全彩色TFT圖形顯示屏的應用；其圖形引擎源自用于 儀表板的Traveo系列MCU。

S6E2D提供512kB的視頻RAM和圖形引擎，支持復雜的圖像重疊、鏡像、縮放和圖像移動，且Cortex-M4內(nèi)核的開銷最小。它能夠以更低的價格實現(xiàn)復雜和出色的圖形以及有競爭力的解決方案。

遷移到圖形顯示屏的新系統(tǒng)要求

好消息是，許多MCU制造商為現(xiàn)有用戶提供了到高端設備的遷移路徑，通過它們可以實現(xiàn)非常復雜的全彩色圖形顯示，甚至支持一些移動內(nèi)容，并提供全高清的高分辨率。滿足“千禧世代”用戶需求的、非常復雜的基于顯示的HMI現(xiàn)在無需整體遷移到基于MPU的架構和全功能操作系統(tǒng)即可實 現(xiàn)。

但首次實施復雜的圖形顯示的設計人員會發(fā)現(xiàn)：

系統(tǒng)的復雜性急劇增加

計時窗口縮短和調度帶來了很大的挑戰(zhàn)

存儲器需求大大增加，從而需要存儲器管理

毫無疑問，具有復雜HMI的嵌入式應用因此需要使用實時操 作系統(tǒng)（RTOS）來提供調度和優(yōu)先級排序的框架，并實現(xiàn)存儲器管理。有多種RTOS可供選擇，如FreeRTOS?等系統(tǒng)可以免費使用，并擁有大多數(shù)MCU制造商的板卡支持。

設計人員還需要利用MCU制造商為第三方圖形設計工具提供的支持。例如，意法半導體和恩智浦免費為其MCU用戶提供Segger的emWin設計和仿真工具。

還需注意的是，增強HMI的趨勢不僅包括先進的圖形功能， 而且還包括手勢控制和更好地使用音頻輸入和輸出的能力。Microchip通過GestIC?技術在手勢控制方面提供了有 趣的功能（見圖3）。在音頻用戶界面中，XMOS在其xCOREVOICE
?處理器中實現(xiàn)的遠場麥克風管理方面進行了開創(chuàng)性 工作，提供了在所有環(huán)境中實現(xiàn)電子設備語音控制的方法。

圖3. Microchip的3DTouchPad演示了其GestIC手勢識別技術。（圖片來
源：Microchip）