嵌入式实验教学中液晶屏驱动实验创新与实践

赵建勇，邬惠峰

(杭州电子科技大学智能与软件技术研究所，浙江杭州 310018)

嵌入式实验教学中液晶屏驱动实验创新与实践

赵建勇，邬惠峰

(杭州电子科技大学智能与软件技术研究所，浙江杭州 310018)

针对嵌入式实验教学的特点，提出液晶屏驱动实验创新的实验方法。方法基于ARM S3C2410处理器的硬件平台，配合自行开发的人机界面设计软件，实现嵌入式环境下所见即所得的液晶屏驱动实验模式。结果表明，可有效提高学生的实验兴趣，提高实验主动性，进而掌握实验的本质。

液晶屏驱动;嵌入式;实验教学

嵌入式系统融合了计算机、通讯、半导体、微电子等多门学科技术，针对实际应用系统需求，将相应的计算机直接嵌入到应用系统中，近年来掀起了嵌入式系统应用热潮，嵌入式系统课程也应势成为了近几年新兴的一门课程，国内外高校在嵌入式方面的教学已经全面展开，教育主管部门也十分重视在校大学生在嵌入式系统方面的理论课程与实践。然而，与传统相关课程相比，嵌入式的实践教学难度更大，对教师及学生的要求更高，如何提高嵌入式教学质量，特别是嵌入式系统实验教学效果，值得研究和探索。

传统嵌入式教学实验多基于实验平台完成简单验证性实验，学生按照实验指导书按部就班就可顺利完成实验［1］。但是学生即使完成实验，由于实验过程枯燥，对于嵌入式系统开发以及嵌入式系统在实际中的应用方法还是缺少感性的认识，而且由于实验过程中缺少引导学生自主思考的策略，学生动手实践能力、创新探索精神也得不到较好的锻炼和提高，甚至有时整个实验过程是盲目的［2］。因此，如何提高学生实验教学水平，引导学生掌握实验的本质，是实验教学亟需解决的问题，其指导思想是引导学生主动的去实验，主动去思考问题，进而解决问题，而不是纯粹的教实验［3］。要引导学生主动实验，首先要提高学生的实验兴趣，从而提高其实验主动性，再从中引导学生掌握实验的核心内容。本文以嵌入式系统中常用的液晶屏驱动实验应用为例，提出创新的实验教学方法，为嵌入式实验教学提供参考。

一、实验组成

提出的液晶屏驱动实验系统由3部分组成:带液晶屏的嵌入式实验硬件平台，液晶屏驱动实验的人机界面设计平台，液晶屏逻辑驱动程序。

带液晶屏的嵌入式实验硬件平台以SAMSUNG公司的ARM9处理器S3C2410为核心，配置640×480分辨率的7英吋数字接口液晶屏显示器，支持16位颜色显示，显示图像缓冲区为实验平台上的32M RAM芯片。

液晶屏驱动实验的人机界面设计平台采用所见即所得的设计方式，在PC端生成与嵌入式系统液晶屏大小一致的设计窗口，学生只要在此窗口设计自己所希望的图形界面，通过自动转换后生成对应的液晶屏显示数据。通过可自行设计画面的乐趣引导学生主动将显示数据与液晶屏驱动逻辑程序相结合，通过编译、下载写入平台的RAM空间，实现液晶屏的显示。界面操作采用自行开发的类似于操作系统环境下画图板程序，通过人机界面平台提供的接口，可以导入现有图片作为液晶屏显示内容，也可以通过平台提供的绘图控件，通过拖拉方式，实现任意画面的设计，所有操作和画图板的操作方式类似，实验时学生只要花少量时间就能够快速适应液晶屏显示人机界面的设计模式。学生根据个人喜好设显示界面，通过多次的界面设计、逻辑程序的理解、编译、下装，完成整个实验过程。

液晶屏逻辑驱动程序采用框架结构，完成嵌入式系统硬件驱动、液晶屏驱动程序调度、液晶屏显示数据获取及动态生成。通过程序框架，学生很容易理解实现液晶屏显示所需要的程序步骤及程序内容，从而掌握液晶屏显示的方法。

传统的液晶屏驱动实验中，显示内容为实验仪生产厂家提供的数据文件，不能预知程序执行后液晶屏会显示什么内容。实验时，学生只是照搬厂家提供的程序运行，查看显示内容，但并不理解显示原理。本文关键的创新点在于:(1)创新的界面设计方法。通过该方法，实验的设计成果可快速的在平台上得到验证，改变了传统实验教学为了实验而做实验的枯燥过程，可有效提高学生的实验兴趣及实验的主动性。(2)创新的框架程序结构。通过框架结构程序，学生可以快速理解程序各个部分的功能，可以针对各个功能进行有目的的深入学习，进而明白从界面设计到显示数据生成到液晶屏显示整个过程。

二、实验原理

(一)界面设计实现原理

根据绘制好的图片，生成嵌入式系统环境下的液晶屏显示数据是整个实验过程的纽带。通过生成的数据，结合CPU的液晶屏驱动程序，即可实现图形显示环境的转移。该方法采用两种方式实现数据生成:一种是静态生成方式，另一种是动态生成方式。

静态实现方式通过Windows操作系统提供的API像素提取函数，将设计好的界面上的图形按像素数据提取RGB值，根据色彩构成关系，转换成嵌入式系统对应的8位、16位或32位色彩显示数据序列。根据嵌入式液晶屏的特性，生成在嵌入式环境下能运行的数据文件供驱动程序调用，从而实现从PC图像到嵌入式液晶屏图像的转换。

考虑到嵌入式系统的特点及其应用场合，在静态GUI数据生成方式下，是通过图形点的获取实现数据转换，若页面较多，将会需要大量程序空间来保存生成的数据。而在实际应用中，受到成本、系统资源的限制，很难满足对系统要求较高的应用场合，系统尚需完成动态GUI数据的生成工作。所谓动态生成方式，是指对于常规的图形，用特定的数据结构来记录绘制图形的基本条件信息(例如直线只需要知道起始点、终点及颜色)，在驱动液晶屏显示时，程序可依据此条件信息动态的生成相应数据，这样即可有效减少保存图像数据的程序空间。具体涉及常规图形(线、多边形、圆形等)的绘图数据在嵌入式环境下的动态生成。动态数据生成需完成图形绘制、填充、裁剪等工作，该内容主要为计算机图形算法的实现，需要结合PC机离散特点，实现高效率的绘图算法，而不是简单的连续函数的数学计算。

(二)框架程序结构原理

框架程序结构是整个嵌入式液晶屏驱动实验程序的主体，考虑到嵌入式芯片的多样性以及硬件环境设计的可变性，框架程序结构定义成3个组成部分:硬件驱动程序、逻辑调度程序、液晶屏显示程序。硬件驱动程序实现类似于PC机下BIOS所完成的系统功能，包括系统时钟配置、内存配置、IO配置、液晶屏配置及其驱动等内容。逻辑调度程序完成程序的整体运行逻辑调度，本实验核心是液晶屏显示的调度，主要根据不同的页面显示指令处理和页面切换，修改相应的页面数据指针。液晶屏显示程序完成静态显示数据读取、动态显示数据解析、静态和动态数据整合后显示缓冲区更新。通过框架程序，学生可以学习从液晶屏显示所需的硬件驱动、软件调度到显示内容更新等整个过程，清晰掌握液晶屏显示原理，为嵌入式液晶屏的应用打下基础。

三、实验流程

根据实验原理，设计实验流程如图1所示:

图1 实验流程图

视觉吸引力最能激发学生的学习兴趣［4］，通过图1描述的实验流程，学生可以根据个人爱好，设计自己所想要的画面，可以避免传统实验中只能面对枯燥数据的局面，通过视觉上吸引学生的实验主动性，再通过数据生成步骤，在实验过程中就会给学生产生一种探索自己设计的界面在程序何处体现出来的动力，因此就会主动的去理解程序的框架，找出驱动液晶屏的方法，由此理解如何才能让液晶屏显示自己设计的画面。通过这么一个渐进的引导过程，学生就能理解在嵌入式环境下，如何让液晶屏显示的工作流程，学会一种驱动液晶屏显示预定画面的方法。

四、实验效果

针对本校2008级计算机科学与技术专业大三80名学生的嵌入式软件开发课程实验，采用两种不同的实验方法开展教学实验，每种实验方法各占40名学生，与学生交流情况及指导教师对实验效果记录如表1所示:

表1 实验效果表

表1中，启发性是指引导学生思考问题的主动性，在传统实验方法中，学生只是机械的听老师讲实验的内容，引入本文的实验方法后，有较多的学生积极思考实验的本质内容，并有部分学生提出另外的液晶屏实现的驱动方式。主体性是指学生是否主动投入到实验过程，根据观察，传统试验方法有64名同学投入到实验中，而本文的试验方法有76名学生主动投入到实验过程。接受程度是通过指导教师对学生实验后考核得出，传统实验方法有一半的同学基本理解实验内容，而本文方法有64名同学理解实验内容。

通过实验表明，创新的液晶屏驱动实验在一定程度上提高了学生的实验主动性，提高了实验教学效果，为真正掌握嵌入式环境下液晶屏的工作原理提供了一种切实可行的方法，同时也为嵌入式其它教学实验的改革提供参考。

［1］田泽．嵌入式系统开发与应用系列教程［M］．北京:航天航空大学出版社，2008:365－376．

［2］钱国英．研究性实验的内容设计与实践［J］．实验室研究与探索，2010，29(10):1－4．

［3］ 董素清．“在思考中”学会创新［J］．实验室研究与探索，2007，26(10):6 －8．

［4］鲁道夫·阿恩海姆．艺术与视知觉［M］．成都:四川人民出版社，2001:311－316．

Innovative Experimental Method of Embedded LCD Display

ZHAO Jian-yong，WU Hui-feng
(Institute of Software and Intelligent Technology，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou Zhejiang 310018，China)

According to the characteristics of the embedded experimental teaching，the innovative experimental method of LCD display is proposed．Based on the ARM S3C2410 processor hardware platform，with selfdeveloped HMI design software，the method realizes the WYSIWYG environment for embedded LCD display experiment．The results show that the method can effectively raise the students'experimental interests and initiatives，then it can make them grasp the essence of the experiment．

LCD display;embedded;experimental teaching

G642．423 < class="emphasis_bold">文献标识码:B

B

1001－9146(2011)04－0074－03

2011－09－27

赵建勇(1980－)，男，浙江缙云人，实验师，嵌入式系统、智能控制．