智能儀器中一種菜單式人機(jī)界面的軟硬件設(shè)計(jì)
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
摘 要： 由點(diǎn)陣式液晶顯示器和旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)構(gòu)成的智能儀器的人機(jī)交互界面，使儀器的操作向菜單式、傻瓜型邁進(jìn)。在闡述光電編碼開關(guān)基本原理和使用方法的基礎(chǔ)上，介紹了I2C 接口芯片電路形成的硬件輸入結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了簡潔的風(fēng)格。在軟件方面，則以當(dāng)前的液晶屏顯示窗口作為界面狀態(tài)，以狀態(tài)跟蹤為主線形成基于界面狀態(tài)的模塊式程序結(jié)構(gòu)，這種程序結(jié)構(gòu)的作業(yè)鏈清晰，便于調(diào)試，而且適合于儀器改進(jìn)和升級(jí)時(shí)功能軟件的增加或變換。在由上位機(jī)與之組成自動(dòng)測試系統(tǒng)時(shí)，操作命令下傳后的任務(wù)執(zhí)行程序也是及其簡單的。
帶有微處理器的儀器的操作曾經(jīng)是通過儀器面板上眾多的功能鍵和數(shù)字鍵來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的，程序用查詢的方法掃描鍵盤或響應(yīng)鍵盤中斷的方法讀回鍵值，然后散轉(zhuǎn)各分支程序去執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序，完成相應(yīng)的作業(yè)。使用者往往不得不借助厚厚的使用說明書來熟悉、來指南儀器面板上各種按鍵的定義和操作的方法。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展及大屏幕點(diǎn)陣式液晶顯示器的出現(xiàn)，使得智能化儀器的操作也向菜單式、傻瓜型邁進(jìn)。通過液晶屏上的菜單選項(xiàng)，用面板上三四個(gè)按鍵或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)，就能完成儀器操作所必需的參數(shù)設(shè)置、命令執(zhí)行等必要的人機(jī)交互。該類儀器的程序結(jié)構(gòu)也適應(yīng)了其菜單式"傻瓜"界面的特點(diǎn)，用后臺(tái)大量的編程工作換取了前臺(tái)儀器操作的極其簡單和方便。本文從軟硬件設(shè)計(jì)的角度，討論智能儀器中菜單式交互界面形成的原理和實(shí)現(xiàn)的方法。
1 交互界面的輸入結(jié)構(gòu)
在菜單式界面的智能儀器中，人機(jī)交互的指令輸入部件可用按鍵或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)。按鍵由增鍵、減鍵和確認(rèn)鍵構(gòu)成（圖1） .使用這3 種操作可以用來在液晶顯示屏上移動(dòng)光標(biāo)、數(shù)據(jù)輸入和操作選定等。增鍵和減鍵用于選擇菜單中選項(xiàng)時(shí)的光標(biāo)移動(dòng)，以及在設(shè)定數(shù)值時(shí)對(duì)數(shù)值大小的增減；確認(rèn)鍵用于對(duì)選中的選項(xiàng)和設(shè)定的數(shù)值大小的確定。
圖1 按鍵示意圖 按鍵的功能可以用旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)來替代。旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)的功能類似計(jì)算機(jī)上使用的鼠標(biāo)，它有3 種操作："左旋""右旋"和"按下選定", 可對(duì)應(yīng)著按鍵輸入時(shí)的增鍵、減鍵和確認(rèn)鍵。 圖2 是光電編碼開關(guān)的外形圖、電原理圖、輸出信號(hào)真值表和波形圖。該開關(guān)壓下時(shí)②和③短路輸出，旋轉(zhuǎn)時(shí)，由把柄帶動(dòng)穿孔圓盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)。開關(guān)內(nèi)有2 個(gè)發(fā)光二極管、2 個(gè)光敏三極管和1 個(gè)穿孔圓盤，圓盤上的穿孔按特定規(guī)律分布。光敏二極管接收發(fā)光二極管發(fā)出的光，形成二路旋轉(zhuǎn)輸出信號(hào)"輸出A"和"輸出B".旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)穿孔圓盤上的某個(gè)圓孔正對(duì)著發(fā)光二極管時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光通過該圓孔照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，輸出低電平信號(hào)；當(dāng)圓盤上的所有圓孔都錯(cuò)開發(fā)光二極管時(shí)，光敏三極管因收不到光信號(hào)而截止，輸出高電平信號(hào)。 圖2 光電編碼開關(guān) 由圖2 （c） 真值表可見，其實(shí)"輸出B"和"輸出A"的編碼對(duì)應(yīng)著2 位循環(huán)碼（格雷碼） ,循環(huán)碼的特點(diǎn)是由一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)變到下一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)的過程中，只有一位數(shù)碼變化，因此在循環(huán)碼的譯碼器中，不會(huì)產(chǎn)生競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象。在智能儀器中微處理器引腳狀態(tài)變化的中斷輸入中也不會(huì)產(chǎn)生中斷事件的競爭。但循環(huán)碼不能用二進(jìn)制計(jì)算來判別大小和順序，所以要判別光電編碼開關(guān)是"左旋"還是"右旋"時(shí)，要引入"輸出B"和"輸出A"電平的現(xiàn)狀態(tài)和前狀態(tài)進(jìn)行分支邏輯判斷，軟件編程稍稍復(fù)雜一點(diǎn)。 現(xiàn)在很多單片微控制器的I/ O 口線都帶有鍵盤中斷功能，圖1 所示的按鍵和圖2 所示的旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)，可通過上拉電阻的形式直接接到這些I/ O 口線上。有操作信號(hào)時(shí)，口線的電平改變會(huì)引起鍵盤中斷的發(fā)生，CPU 響應(yīng)中斷后可去處理相應(yīng)的操作。在微處理器I/ O 口線或外中斷口線緊張的情況下，可以如圖3 所示，通過I2 C 總線外擴(kuò)一片串行變并行的PCF8574 芯片，芯片P0~ P7 的8根口線可用作輸入或輸出；用作輸入時(shí)，口線電平的變化會(huì)引起芯片13 腳電平變低向微處理器申請(qǐng)中斷。圖3 中RL K 是旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)，它的"輸出A""輸出B"和"按下開關(guān)"接到了PCF8574 的P4、P5 和P6 ,在筆者研制的"電流互感器伏安特性試驗(yàn)儀"中，PCF8574 的P0~P3 被用作輸出，經(jīng)接插件J9 ,通過光耦去驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)電壓量程切換的繼電器。 圖3 節(jié)省I/ O 口線的按鍵輸入接口電路 2 交互界面的輸出結(jié)構(gòu) 菜單式交互界面的輸出部件可采用能顯示字符、漢字及圖形和曲線的大屏幕點(diǎn)陣式液晶顯示器。 帶有驅(qū)動(dòng)控制器的點(diǎn)陣式LCD 液晶屏與微處理器的接口信號(hào)線除了8 位數(shù)據(jù)線外，一般還帶有讀有效線 、寫有效線 及地址譯碼的片選線 ,所以對(duì)它的連接和讀寫操作，可看作是對(duì)微處理器片外的RAM 單元的連接和讀寫操作。讀寫操作中，不同的驅(qū)動(dòng)控制器具有不同的指令格式，如常用于驅(qū)動(dòng)320 ×240 點(diǎn)陣式液晶顯示屏的SED1335 液晶驅(qū)動(dòng)芯片就帶有13 條指令，能方便地完成各種顯示功能。多任務(wù)下的選擇菜單可由多屏菜單形成多級(jí)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，為便于敘述，以三級(jí)任務(wù)菜單為例，將作業(yè)分為主任務(wù)（用大寫字母A 、B、C 等表示） 、子任務(wù)（用小寫字母a 、b 、c 等表示） 和支任務(wù)（用數(shù)字1 、2 、3 等表示） ,圖4 是顯示界面的部分屏顯的匯總。每屏界面都有自己的編號(hào)：win1 、win2 、win3 ??.圖中win1 為主屏菜單，提供了主任務(wù)A、B 和C 3 個(gè)選項(xiàng)；win2 、win3 、win4 為第一級(jí)子菜單，為每項(xiàng)主任務(wù)提供了各自的子任務(wù)的選擇（如win2 屏是主任務(wù)A 的子任務(wù)A2a 、A2b 和A2c 的選項(xiàng)） ;win5 、win6和win7 是第二級(jí)子菜單，為第一級(jí)子菜單中的子任務(wù)提供下一級(jí)支任務(wù)（如win5 屏為win2 中的子任務(wù)選項(xiàng)A2a 提供A2a21 、A2a22 和A2a23 的支任務(wù)選項(xiàng)） ;各級(jí)子菜單中均有"返回"的選項(xiàng)，選擇執(zhí)行后返回上一級(jí)菜單。圖4 中的選項(xiàng)標(biāo)志用■和□來指示， ■表示該項(xiàng)選中，選項(xiàng)的變動(dòng)由增鍵和減鍵（或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)的"左旋"和"右旋"） 來完成，選項(xiàng)的執(zhí)行由確認(rèn)鍵（或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)的"按下選定"） 來完成，根據(jù)■所在的位置，選項(xiàng)號(hào)opt =0 ,1 ,2 …….圖中舉例win14~win18 是具體任務(wù)的執(zhí)行情況界面，可以是測量值顯示，也可以是某參數(shù)的動(dòng)態(tài)曲線顯示，可以是歷史數(shù)據(jù)查詢，等等。這些界面的"返回"功能在作業(yè)完成后自動(dòng)進(jìn)行，或默認(rèn)按"確認(rèn)"鍵返回。 這種結(jié)構(gòu)還很適合儀器在改進(jìn)和升級(jí)時(shí)功能程序模塊的增加和變換。比如系統(tǒng)要增加"子任務(wù)B2d",只要在如圖4 所示的win3 屏顯中插入這個(gè)選項(xiàng)為opt = 3 ,使該屏為5 選項(xiàng)，則當(dāng)標(biāo)志■選中該項(xiàng)時(shí)程序即調(diào)用執(zhí)行"子任務(wù)B2d"的子程序。要增加"主任務(wù)D"的方法是類似的，只要在win1 屏顯中加入這個(gè)選項(xiàng)，然后程序根據(jù)菜單的選擇來分支就行了。 圖4 顯示界面的部分屏顯匯總 3 基于界面狀態(tài)的程序結(jié)構(gòu) 儀器儀表的系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)，由按鍵和作業(yè)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可分為一鍵一義型和一鍵多義型兩種結(jié)構(gòu)。 對(duì)于一鍵多義型系統(tǒng)程序，作業(yè)的調(diào)度條件是多因數(shù)的，不僅與外因（鍵盤操作） 有關(guān)，也與內(nèi)因（系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)） 有關(guān)。為此，引入系統(tǒng)狀態(tài)的概念，即將系統(tǒng)運(yùn)行情況分成若干狀態(tài)（如圖4 所示的界面狀態(tài)和選項(xiàng)狀態(tài)，選項(xiàng)狀態(tài)屬于界面狀態(tài)的子狀態(tài)） ,使得在任何一個(gè)狀態(tài)下每一個(gè)按鍵只有唯一的定義。這樣一來，系統(tǒng)運(yùn)行去向就可以由當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前鍵碼來共同決定了。智能化儀器儀表正由一鍵一義型向一鍵多義型進(jìn)化。如用圖4 所示的顯示界面來表征系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，其程序結(jié)構(gòu)稱之為基于界面狀態(tài)的程序結(jié)構(gòu)。 為提高系統(tǒng)效率，對(duì)鍵盤（或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)） 的操作響應(yīng)可采用中斷的方式進(jìn)行。進(jìn)入鍵中斷服務(wù)程序后，先判別是增建、減鍵、確認(rèn)鍵（或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)的"左旋""右旋""按下選定"） 的哪一個(gè)鍵碼觸發(fā)中斷；接著判別當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài)（當(dāng)前的顯示屏號(hào)win 及選項(xiàng)號(hào)opt ） ; 再由鍵碼key ,系統(tǒng)狀態(tài)win 和opt 決定執(zhí)行什么作業(yè)。程序框圖如圖5 所示。值得一提的是，對(duì)那些不適合在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行或執(zhí)行時(shí)間過長的作業(yè)（如打印等） ,可在中斷服務(wù)程序中置位該作業(yè)的啟動(dòng)標(biāo)志，待中斷返回后在主程序中再執(zhí)行選中的作業(yè)，完成后清除該作業(yè)的啟動(dòng)標(biāo)志。 圖5 基于界面的交互過程 4 操作界面的上位機(jī)介入 電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使嵌入式系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器體積越來越小、容量越來越大。但是，如果要在一臺(tái)試驗(yàn)用的儀器上進(jìn)行日積月累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的查詢和管理，如果要使儀器的實(shí)時(shí)試驗(yàn)曲線具有較高的分辨率和對(duì)局部曲線進(jìn)行分析，如果要使儀器的操作能遠(yuǎn)程控制，那么，儀器單機(jī)的資源就略顯不足。 滿足上述要求的通常做法是用PC 機(jī)（或筆記本電腦） 作為儀器的上位機(jī)，通過RS232 串口（或USB口） 與儀器通信構(gòu)成自動(dòng)測試系統(tǒng)，使儀器共享上位計(jì)算機(jī)的資源，進(jìn)一步增強(qiáng)智能儀器的性能。 基于界面狀態(tài)的程序結(jié)構(gòu)為上位計(jì)算機(jī)介入后對(duì)儀器的控制提供了很好的軟件平臺(tái)。微處理器在響應(yīng)串口中斷的中斷服務(wù)程序中，首先從接收到的上位機(jī)傳來的信息判斷是何種作業(yè)，然后用調(diào)用子程序的方法，調(diào)用圖4 所示的基于界面狀態(tài)的opt 作業(yè)程序。這樣，原來基于界面狀態(tài)的程序結(jié)構(gòu)幾乎不用改動(dòng)，只要在串口中斷服務(wù)程序中根據(jù)上位機(jī)的命令來分支調(diào)用子程序就行了。當(dāng)然，在上位機(jī)控制下執(zhí)行相應(yīng)作業(yè)時(shí)，儀器上的液晶顯示界面仍然將同步顯示當(dāng)前作業(yè)，為遠(yuǎn)程操作儀器和實(shí)地監(jiān)視儀器提供了方便。 5 結(jié) 語 大屏幕點(diǎn)陣式液晶顯示器和內(nèi)置大容量程序存儲(chǔ)器的微處理器的出現(xiàn)，給儀器儀表的智能化進(jìn)程推波助瀾。上述人機(jī)交互界面的軟硬件設(shè)計(jì)，僅是筆者在工程項(xiàng)目中的初步嘗試，基本達(dá)到了結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、編程高效和界面友好的效果。用后臺(tái)大量的工作換取前臺(tái)操作的極其簡單和方便，應(yīng)是儀器儀表業(yè)內(nèi)同行始終追求的境界。
下載文檔
