Obsługa kolorowych wyświetlaczy graficznych w systemie ISIXRTOS

Obsługa kolorowych wyświetlaczy graficznych w systemie ISIXRTOS
Pobierz PDF Download icon

Producenci nowoczesnych urządzeń elektronicznych coraz częściej przyzwyczajają nas do kolorowych wyświetlaczy oraz interfejsów graficznych nawet w urządzeniach, w których wydaje się on zbędny. Aby nadążyć za nowoczesnymi trendami coraz częściej jesteśmy zmuszeni do stosowania kolorowych wyświetlaczy nawet w najprostszych konstrukcjach. Tworzenie oprogramowania kolorowego interfejsu graficznego od podstaw jest często mozolną pracą, której nakład niejednokrotnie przewyższa czas poświęcony na oprogramowanie podstawowej funkcjonalności urządzenia. Wychodząc naprzeciw zapotrzebowaniu użytkowników system operacyjny ISIX-RTOS wyposażono w bibliotekę służącą do budowy kolorowych interfejsów graficznych o nazwie libgfx. Biblioteka ta udostępnia niezależny od sprzętu interfejs klas umożliwiający budowanie własnych interfejsów użytkownika, bez konieczności tworzenia wszystkiego od podstaw.

Biblioteka libgfx stanowiąca część systemu ISIX charakteryzuje się następującymi właściwościami:

  • Obsługa kolorowych wyświetlaczy graficznych o dowolnej głębi kolorów i rozdzielczości ekranu.
  • Pełna niezależność aplikacji od sprzętu dzięki architekturze warstwowej.
  • Minimalizacja użycia pamięci RAM dzięki operowaniu na buforze wyświetlacza.
  • Budowa obiektowa z wykorzystaniem wszelkich zalet standardu C++ 11 (ISO/IEC 14882:2011).
  • Możliwość rozbudowy dzięki łatwości tworzenia własnych komponentów graficznych.

Architektura biblioteki libgfx

Rysunek 1. Architektura biblioteki przedstawiająca podział na warstwy

Biblioteka libgfx stanowi część systemu ISIX i napisano ją w języku C++11. Dzięki nowym funkcjonalnościom języka udało się w łatwy sposób zaimplementować mechanizm slotów i sygnałów znanych np. z QT. Zastosowanie sygnałów/slotów pozwala na znaczne rozluźnienie powiązań pomiędzy klasami pozwalając na uniknięcie nadmiernego wykorzystania mechanizmu dziedziczenia. Architekturę biblioteki przedstawiającą podział na warstwy przedstawiono na rysunku 1.

Dolną warstwę biblioteki stanowi część oddzielająca jądro systemu graficznego od sterowników urządzeń. Sterownik wyświetlacza graficznego udostępnia niezależny od sprzętu interfejs programistyczny umożliwiający rysowanie podstawowych elementów graficznych. Sterowniki urządzeń wejściowych są odpowiedzialne za zgłaszanie zdarzeń (np. wciśnięcie klawisza, dotknięcie ekranu dotykowego itp.), które są umieszczane w kolejce zdarzeń systemu graficznego - to jedne elementy biblioteki, które zależą od użytego sprzętu i muszą zostać dopasowane, do danego urządzenia.

Rysunek 2. Hierarchia klas implementująca sterownik dla wyświetlacza ili9341

Interfejs sterownika wyświetlacza stanowi wirtualna klasa bazowa disp_base umieszczona w przestrzeni nazw gfx::drv. Rzeczywisty sterownik wyświetlacza powinien dziedziczyć z klasy bazowej disp_base i implementować wszystkie publiczne interfejsy tej klasy. Rysunek 2 przedstawia hierarchię klas implementującą sterownik dla wyświetlacza ili9341, który zostanie przedstawiony w dalszej części przykładu.

W zależności od zastosowanego kontrolera wyświetlacza, część operacji może być wspomagana sprzętowo, natomiast część może być realizowana na drodze programowej, co zależy od rodzaju zastosowanego kontrolera. Do prawidłowej pracy biblioteki graficznej, sterownik musi implementować następujące metody wirtualne:

  • void set_pixel (coord_t x, coord_t y, color_t color) - rysuje punkt o zadanym kolorze na pozycji wyświetlacza.
  • color_t get_pixel (coord_t x, coord_t y) - zwraca kolor piksela na zadanej pozycji.
  • void clear (color_t color) - wypełnia całe pole wyświetlacza zadanym kolorem.
  • void fill (coord_t x, coord_t y, coord_t cx, coord_t cy, color_t color) - wypełnia obszar o współrzędnych x, y i wielkości cx, cy zadanym kolorem.
  • void blit (coord_t x, coord_t y, coord_t cx, coord_t cy, coord_t src_y, const color_t *buf) - przepisuje bitmapę z pamięci do fragmentu wyświetlacza o pozycji x, y i wielkości cx, cy.
  • void vert_scroll (coord_t x, coord_t y, coord_t cx, coord_t cy, int n, color_t c) - przesuwa zawartość wyświetlacza o pozycji x, y i wielkości cx, cy o n-linii w górę lub w dół, w zależności od tego czy liczba n jest dodatnia, czy ujemna.
  • bool power_ctl (power_ctl_t mode) - umożliwia sterowanie zasilaniem wyświetlacza oraz jego usypianiem.

Jest to minimalny zestaw metod, który jest niezbędny do prawidłowego działania wyświetlacza, i umożliwia ewentualne wykorzystanie wsparcia sprzętowego do wykonywania niektórych operacji, jeśli sterownik wyświetlacza je obsługuje.

Implementacja obsługi urządzeń wejściowych jest dużo prostsza i sprowadza się, do przekazania przez sterownik urządzenia wejściowego zdarzenia do kolejki komunikatów systemu graficznego. W przypadku klawiatury, należy przekazać zdarzenie EV_KEY, w wypadku panelu dotykowego zdarzenie EV_TOUCH, a w wypadku myszki zdarzenie EV_MOUSE, wraz z odpowiednimi parametrami.

W systemie znajduje się przykładowy sterownik dla taniego wyświetlacza bazującego na kontrolerze ili9341, który może stanowić wzorzec podczas tworzenia sterowników urządzeń dla innych typów wyświetlaczy.

Rysunek 3. Hierarchia klas właściwej biblioteki graficznej

Korzystając z warstwy abstrakcji sprzętu HAL, kolejna warstwa biblioteki udostępnia niezależny od sprzętu zestaw komponentów umożliwiających tworzenie aplikacji graficznych. Hierarchię klas właściwej biblioteki graficznej przedstawiono na rysunku 3.

Klasa object jest podstawową klasą bazową, z której dziedziczą wszystkie pozostałe klasy biblioteki graficznej. Implementuje ona podstawowy mechanizm slotów i sygnałów wykorzystywanych w aplikacji do podłączania się pod poszczególne zdarzenia zgłaszane przez bibliotekę graficzną.

Aby podłączyć się pod dane zdarzenie wystarczy wywołać funkcję connect(event_signal evt_h, event::evtype evt_t), która jako argument przyjmuje obiekt funkcyjny przypisany do zdarzenia, oraz identyfikator zdarzenia, do którego będzie on przypisany. Każde zdarzenie o zgodnym identyfikatorze wygenerowane przez podsystem spowoduje wywołanie odpowiedniej funkcji/metody w momencie jego wystąpienia. Oprócz wymienionych wcześniej zdarzeń związanych bezpośrednio z urządzeniem wejściowym np. EV_KEY poszczególne komponenty mogą zgłaszać własne zdarzenia:

EV_CHANGE - Zdarzenie generowane w wyniku zmiany zawartości danego komponentu np. zmiany zawartości tekstowej w przypadku kontrolek tekstowych.

EV_HOTPLUG - Zdarzenie generowany przez podsystem urządzeń zewnętrznych, np. wyniku dołączenia lub odłączania urządzeń typu Plug and Play np. myszy USB.

EV_CLICK - Zdarzenie generowane w wyniku kliknięcia w dany komponent, np. wciśnięcie guzika, wybranie elementu z menu itp.

EV_FOCUS - Zdarzenie generowane w wyniku uzyskania widoczności przez okno.

EV_TIMER - Zdarzenie generowane przez klasę timer biblioteki graficznej

EV_WINDOW - Zdarzenie generowane przez użytkownika, kierowane do danego okna

Podstawową klasą, od której należy rozpocząć budowę interfejsu graficznego jest klasa frame, która fizycznie jest powiązana ze sterownikiem wyświetlacza oraz urządzeniami wejściowymi. W konstruktorze przyjmuje ona referencję do obiektu klasy base_display oraz udostępnia metodę report_event() służącą do zgłaszania zdarzeń przez urządzenia wejściowe.

Każdy wyświetlacz fizyczny dostępny w urządzeniu powinien mieć przypisany obiekt klasy frame. Ta klasa realizuje funkcję menedżera okien znaną z większych systemów graficznych i zawiera zestaw funkcji służących do zarządzania oknami, takim jak: dodawanie okien, usuwanie okien, przesłanianie okien itp. W najprostszym przypadku do obiektu klasy frame powinno być przypisane przynajmniej jedno okno. Naturalnie istnieje możliwość dodawania większej liczby okien, które w zależności od fizycznego rozmieszczenia w obiekcie ramki (frame) mogą ulegać przesłonięciu: całkowitemu, częściowemu lub być całkowicie rozdzielne.

W danym czasie aktywne może być tylko jedno okno, a jego wybór jest możliwy przez wywołanie metody set_focus, która jako argument przyjmuje wskaźnik do okna. Należy pamiętać, że tylko aktualnie aktywne okno otrzymuje zdarzenia związane z urządzeniami wejściowymi, takimi jak np. wciśnięcie klawisza EV_KEY. Do okna można dołączyć dowolną liczbę obiektów dziedziczących z klasy bazowej typu widget.

Obiekty te implementują podstawowe komponenty interfejsu graficznego, takie jak: guziki, menu, ikony, pola edycyjne itp. W bibliotece zdefiniowano wszystkie najczęściej używane widgety: pola edycyjne, ikony, menu, guziki. Możemy również stworzyć własne obiekty dziedziczące z klasy widget implementujące inne niestandardowe komponenty, które nie zostały zdefiniowane w bibliotece. Bazując na powyższych komponentach możemy w prosty sposób stworzyć całe środowisko graficzne.

Oprócz komponentów bezpośrednio widocznych na ekranie biblioteka zawiera również odrębną klasę timer, której zadaniem jest generowanie zdarzeń związanych z czasem. Mamy tutaj możliwość stworzenia timera jednorazowego (tzw. one shoot) lub cyklicznego.

Przykład praktyczny

Rysunek 4. Sposób dołączenia wyświetlacza do zestawu STM32Butterfly

Celem zapoznania się z możliwościami biblioteki przygotowano aplikację demonstracyjną dla zestawu ewaluacyjnego STM32Buttefly. Ten zestaw nie ma żadnego wyświetlacza, więc jest konieczne dołączenie zewnętrznego wyświetlacza do portów GPIO mikrokontrolera. Do demonstracji wykorzystano wyświetlacz o przekątnej ekranu 2,8" z kontrolerem ILI9341, który ma rozdzielczość 320×240 pikseli oraz 262 tys. kolorów.

Z uwagi na ograniczoną przepustowość magistrali realizowanej w sposób programowy wybrano pracę wyświetlacza z ograniczoną do 65 tys. liczbą kolorów, zapewniając znaczne przyśpieszenie transferu danych. Wyświetlacz z kontrolerem ILI9341 ma niczym niewyróżniające się parametry, jednak jego główną zaletą jest jego bardzo niska cena (poniżej 40 złotych).

Do podświetlania tła producent zastosował trzy połączone szeregowo białe diody LED w związku z tym, do jego zasilania konieczna jest dodatkowa przetwornica podwyższająca napięcie. Schemat ideowy pokazujący sposób dołączenia wyświetlacza do zestawu STM32Butterfly pokazano na rysunku 4.

Napięcie zasilające wyświetlacz (VCC) powinno mieć wartość 3,3 V i jest dołączone za pośrednictwem dodatkowego tranzystora Q2 umożliwiające programowe odłączanie zasilania wyświetlacza. Przetwornicę napięcia dla podświetlania zrealizowano za pomocą klasycznego pojemnościowego potrajacza napięcia na bramkach NAND układu 74HC7400, który jest zasilany napięciem +5 V.

Tabela 1. Sposób dołączenia wyświetlacza do GPIO mikrokontrolera

Sygnał LPWM (linia GPIOC6) taktujący potrajacz jest generowany przez układ czasowo-licznikowy pracujący w trybie PWM z częstotliwością około 100 kHz. Zaletą użycia układu czasowo-licznikowego jest możliwość programowej regulacji jasności podświetlania wyświetlacza poprzez zmianę współczynnika wypełniania sygnału PWM. Nazwy sygnałów z płytki wyświetlacza oraz odpowiadające im porty GPIO mikrokontrolera, do których należy je doprowadzić wymieniono w tabeli 1.

Przykład demonstrujący działanie biblioteki graficznej jest dostępny wraz z pozostałymi dla systemu ISIX w katalogu simple_hw/gfxdemo. Przykład należy skompilować z wykorzystaniem kompilatora GCC (polecenie make), w wyniku czego powinien powstać plik tftdemo. elf. Następnie do zestawu należy dołączyć JTAG zgodny z interfejsem oocdlink i wydać polecenie make program, co powinno spowodować zaprogramowanie mikrokontrolera. Do zaprogramowania zestawu możemy również wykorzystać standardowy bootloader i program "Flash Loader Demonstrator".

Należy jedynie w pliku Makefile w polu FORMAT zmienić format pliku wynikowego z "elf" na "hex". Po zaprogramowaniu zestawu program powinien się uruchomić, a na wyświetlaczu powinniśmy ujrzeć efekt działania programu demonstracyjnego. Wykorzystując zintegrowany joystick możemy wybierać poszczególne widgety, edytować ich pola, oraz zapoznać się z poszczególnymi komponentami i sposobem ich działania.

Listing 1. Przypisania obiektu sterownika wyświetlacza do menedżera okien frame

Kod demonstrujący użycie biblioteki graficznej jest zrealizowany w klasie tft_tester. Obiekt ft klasy tft_tester jest tworzony statycznie bezpośrednio w funkcji main(). Klasa zawiera prywatne obiekty składowe: obiekt gdisp klasy ili9341 stanowiący sterownik wyświetlacza graficznego oraz obiekt frame klasy frame stanowiący podstawowy menedżer okien przypisany do wyświetlacza. Przypisanie obiektu sterownika wyświetlacza do menadżera okien frame wykonywane jest w liście inicjalizującej konstruktora, co pokazano na listingu 1.

Listing 2. Główny kod aplikacji realizowany przez metodę windows_test()

W konstruktorze równocześnie tworzony jest wątek odpowiedzialny za obsługę interfejsu graficznego. Główny kod aplikacji realizowany jest przez metodę windows_test() wywołaną z metody głównej main() implementującej wątek, obsługi interfejsu graficznego (listing 2).

Pierwszą czynnością jest włączenie oraz inicjalizacja sterownika wyświetlacza graficznego poprzez wywołanie metody power_ctl z argumentem ctl_t::on. Następnie jest tworzony obiekt okna głównego aplikacji win, o wielkości 200×300 pikseli i początku w punkcie 10,10.

Listing 3. Zmiana aktywnego widgetu w wyniku wciśnięcia klawisza

Następnie tworzone są przykładowe widgety demonstracyjne: button, choice_menu, editbox, seekbar w określonych pozycjach w oknie oraz przypisywane są im przykładowe wartości początkowe. Po zakończeniu inicjalizacji pod zdarzenie EV_KEY obiektu win jest podłączana metoda window_callback, której zadaniem jest zmiana aktywnego widgetu w wyniku wciśnięcia odpowiedniego klawisza (listing 3).

Działanie tej metody sprowadza się do sprawdzenia czy wybrano kierunek up / down na joysticku i w zależności od tego odpowiednio następuje wybór kolejnego widgetu w oknie głównym poprzez wywołanie metody select_next()/select_prev() na rzecz obiektu win. Zmiana widgetu jest blokowana wówczas, gdy zmienna edit_mode ma wartość true, co oznacza, że okno jest w trybie edycyjnym. Zmiana wartości edit_mode następuje w wyniku wciśnięcia klawisza ENTER, czyli wciśnięciu joysticka. Blokada przełączania widgetów ma na celu umożliwienie obsługi interfejsu ograniczoną ilością przycisków joysticka.

Wróćmy teraz do metody window_test, gdzie w [2] do poszczególnych widgetów naszego przykładu do zdarzeń EV_CLICK podłączane są odpowiednie metody, których zadaniem jest wyświetlenie informacji, że dany widget został wciśnięty na konsoli szeregowej. W rzeczywistej aplikacji, w tym miejscu zazwyczaj będą wykonywana jakieś inne czynności związane z wyborem danego elementu.

Po podłączeniu wszystkich wymaganych metod obsługi zdarzeń, w [3] jest wywoływana metoda focus na rzecz obiektu frame, która jako parametr przyjmuje adres obiektu klasy win, w wyniku czego następuje wybranie danego okna jako głównego. Ostatnią czynnością jest wywołanie na rzecz obiektu frame metody execute(), która powoduje rozpoczęcie przetwarzania komunikatów zdarzeń, a więc uruchomi obsługę interfejsu GUI w kontekście procesu, z którego została wywołana. Metoda ta nigdy nie powraca, dlatego należy pamiętać, aby w wątku obsługi interfejsu graficznego wywołać ją jako ostatnią.

Zakończenie

Dzięki uniwersalnej bibliotece graficznej libgfx tworzenie nawet skomplikowanych interfejsów użytkownika staje się stosunkowo łatwe. Do dyspozycji mamy szereg podstawowych komponentów graficznych, użytecznych w najczęściej spotykanych przypadkach, a gdy staną się one niewystarczające w prosty sposób możemy rozszerzyć funkcjonalność biblioteki tworząc nowe elementy.

Dodatkowa warstwa abstrakcji sprzętu umożliwia całkowite uniezależnienie od zastosowanego wyświetlacza graficznego zapewniając podczas cyklu życia produktu szybką wymianę wyświetlacza na inny model. Jedyną czynnością konieczną do wykonania jest przygotowanie odpowiedniego sterownika urządzenia. Jest to o tyle istotne, że często zdarza się, iż cykl produkcji danego typu wyświetlacza jest stosunkowo krótki i często stajemy przed koniecznością wymiany jednego typu wyświetlacza na inny.

Lucjan Bryndza EP (SQ5FGB)

Artykuł ukazał się w
Październik 2014
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik marzec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio kwiecień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje marzec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna marzec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów