Wohin man auch blickt, farbige grafische Benutzeroberflächen sind auf dem Vormarsch. Kein Wunder. Die mit einem TFT-LCD ausgestatteten Produkte bieten dem Benutzer ein einfaches, intuitives Interface. Die relativ hohe Auflösung erlaubt dynamische Grafiken zu verwenden, Abläufe und Fortschrittsanzeigen können animiert werden und zeigen so den aktuellen Zustand an. Im Fehlerfall oder zu Wartungszwecken wird der Benutzer gezielt angeleitet. Ein weiteres Merkmal: Bei klassischen LED-Statusanzeigen oder Character-LCDs wurden bisher für die Eingabe von Daten zusätzliche Tastenfelder benötigt. TFT-LCDs hingegen lassen auch Touchpanels zur Erfassung der Benutzereingaben zu.
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Ein System mit einer Touchpanel-Oberfläche lässt sich analog zu den weit verbreiteten Point&Click-GUIs gestalten. Das Bedienkonzept ist in diesem Fall bereits bekannt, eine spezielle Anleitung oder Schulung der Benutzer ist nicht nötig. Wie empfindlich und präzise ein Touchpanel sein soll, lässt sich jederzeit beliebig verändern. Mal reagiert die ganze Oberfläche wie eine einzige Taste, im Bedarfsfall wird aber auch eine ganze Tastatur zur Eingabe von einzelnen Buchstaben eingeblendet. Der wichtigste Vorteil: Ausschließlich die Software bestimmt die Bedienelemente. Anpassungen an Kundenwünsche oder nachträgliche Verbesserungen und Erweiterungen können jederzeit über ein einfaches Firmware-Update vorgenommen werden, Modifikationen an Gehäuseoberflächen und am Design sind nicht erforderlich. Zwei unterschiedliche Touchpanels haben sich im Alltag bewährt und sind weit verbreitet: Das resistive Panel und Oberflächen mit einem kapazitiven Verfahren. Resistive Panel sind die einfachste und günstigste Bauart eines Touchpanels: Hierbei wird jede Achse analog gemessen. Der A/D-Wandler eines Mikrocontrollers erfasst diese Werte und berechnet die Koordinaten. Für das kapazitive Verfahren hingegen werden spezielle Oberflächen benötigt, bei denen die sensitiven Felder festgelegt sind. Diese Bereiche lassen sich nur in geringem Maße umkonfigurieren. Dafür ist die Glasscheibe eines kapazitiven Panels verschleißfrei und kratzfest. In Umgebungen mit speziellen Anforderungen schützt das Glas gegen Vandalismus, aggressive Reinigungsmittel, Flüssigkeiten oder chemische Substanzen. Die Hersteller der TFT-LCDs haben inzwischen auf die höheren Anforderungen im industriellen Einsatz reagiert: Ein erweiterter Temperaturbereich, geringere Empfindlichkeit gegen Erschütterungen und Langzeitstabilität für Displays mit Diagonalen von 2,2 bis 10,4 Zoll sind heute selbstverständlich. Problematisch gestaltet sich hingegen nach wie vor die Ansteuerung der Displays. Da permanent eine große Menge Daten zu übertragen ist, greifen viele Entwickler auf einen IPC, ein zusätzliches Grafikboard oder einen zusätzlichen Grafikcontroller zurück. Dabei können moderne 32-Bit-Mikrocontroller wie der H8SX/1668R von Renesas diese Aufgabe mittels einer speziellen ExDMA-Einheit sogar zusätzlich übernehmen, ohne dass dafür ein dedizierter Grafikcontroller, der Prozessor oder der interne Datenbus benötigt wird.
Dual-Bus-Design sorgt für Grafik-Power
Eines der Hauptmerkmale des mit einem 32-Bit-CISC-Core ausgestatteten H8SX/1668R sind seine zwei separaten Datenbusse. Der Prozessor ist intern direkt mit dem RAM und dem Flash des Mikrocontrollers verbunden und führt mit vollem Tempo Instruktionen direkt aus dem Flash aus. Ein zweiter, über den Bus-Controller angeschlossener externer Bus verwaltet den Datenaustausch mit und zwischen allen externen Busteilnehmern. Die ExDMA-Einheit des Mikrocontrollers kann auf diesem externen Bus in verschiedenen Modi autonom und ohne Unterstützung durch den Prozessor Daten verschieben. Um ein TFT-LCD direkt anzusteuern, ist lediglich ein externes SRAM als Framebuffer nötig, die ExDMA-Einheit selbst führt dann den Datentransfer zum LCD durch.
Der Vorteil dieses Lösungsansatzes: Im Gegensatz zu Mikrocontrollern mit integriertem Grafikcontroller, bei dem sich CPU und Grafikcontroller einen Bus teilen müssen, werden keine Pixeldaten über den internen Bus übertragen. Die gesamte Bandbreite des internen Datenbusses steht der Anwendung zur Verfügung. Die benötigten Synchronisationssignale für das LCD werden in Software über Timer generiert. Um ein anderes Display mit anderem Timing anzupassen, müssen nur die jeweiligen Softwareparameter geändert werden. Viele gängige TFT-LCDs mit QVGA- oder VGA-Auflösung lassen sich auf diesem Weg einfach mit einem TTL-Interface an diese Ansteuerung anpassen, wobei Bildwiederholraten bis zu 75 Hertz möglich sind. Die einzige Einschränkung: Um den Speicherbedarf des Framebuffers um 33 Prozent zu reduzieren und die Adressierung einzelner Pixel zu vereinfachen, wurde der Farbumfang von 18 auf 16 Bit verringert. Dies ist zwar eine theoretische Einschränkung für den GUI-Designer, aber praktisch reicht die Wiedergabequalität immer noch für Fotos. Die Qualität der Bedienoberfläche hängt immer auch von der verwendeten Software ab. Für die H8SX-Plattform wurden bisher Seggers embOS/emWin und IniNets SpiderControl als Komplettlösungen sowie FreeRTOS und uC/OS-II als universelle Betriebssysteme portiert.
Seggers embOS ist ein speziell für Mikrocontrollersysteme entwickeltes Multitasking-Echtzeit-Betriebssystem, das nur geringe Systemressourcen benötigt. Zusammen mit der Segger-Grafikbibliothek des Herstellers bietet es Anwendern selbst für anspruchsvolle Programmierungen eine solide Basis. IniNets SpiderControl verfolgt einen anderen Ansatz: Am PC wird einfach per Drag&Drop eine GUI aus vorgefertigten Komponenten erstellt. Der generierte Code kommuniziert über reguläre C-Variabeln und Funktionsaufrufe; eine Anbindung an einen bestehenden Code ist ohne große Anpassungen möglich. Das erstellte grafische Frontend wird auf dem Display angezeigt und erlaubt dem Anwender eine Fernbedienung. So können viele unterschiedliche Endgeräte von WinCE-basierten PDAs bis hin zu normalen Internetbrowsern problemlos auch über weitere Entfernungen mit dem System interagieren.
Entwicklungskit für den Schnelleinstieg
Damit Anwender die beschriebenen Eigenschaften unmittelbar und ohne große Vorkenntnisse für den Aufbau einfacher TFT-Applikationen nutzen können, bietet die Embedded Display Solution Group von MSC Gleichmann mit dem VisuRDK-H8SX ein eigenes, in dieser Art bislang einzigartiges Entwicklungskit an. Das Komplettpaket enthält alles Notwendige, um direkt loszulegen zu können: ein Evaluierungsboard mit dem Renesas-H8SX/1668R-Mikrocontroller, ein 3,5-Zoll-TFT-LCD von Ampire mit Touchpanel, einen E10A-USB JTAG Debugger/Emulator sowie ein umfangreiches Angebot an Beispielsoftware. Um den Entwicklungsaufwand für den ersten Prototypen zu verringern, liegen dem Kit außerdem Schaltplan und Gerberdaten bei.
Weitere Hardware auf dem Board veranschaulicht dem Anwender die Vielseitigkeit der Mikrocontroller-Plattform: So dient ein kleiner Renesas R8C/23-Mikrocontroller als dedizierter CAN-Controller und Watchdog, ein SMSC9118-Ethernet-Controller bringt das System ins Netz und der SDCard-Slot bietet viel günstigen Speicherplatz. Auf dem Layout selbst finden wahlweise ein kleines oder ein großes SRAM Platz. Nach der Evaluierung werden nicht benötigte Komponenten einfach weggelassen; das Design wird dadurch weiter vereinfacht. Ein kompletter Software-Stack für Peripheriekomponenten wie USB, CAN oder Ethernet ist über Softwarepartner der MSC verfügbar, Demoversionen sind im Softwarepaket enthalten.
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