礦井下通訊控制系統(tǒng)的人機(jī)接口模塊的設(shè)計

摘要：礦井下的通訊控制系統(tǒng)是一個集采煤工作面的自動控制、設(shè)備監(jiān)測、報警保護(hù)于一體的系統(tǒng)。為了滿足系統(tǒng)操作的易用性，控制器的人機(jī)界面設(shè)計也是設(shè)計的一個重點。介紹了礦井下通訊控制系統(tǒng)中人機(jī)接口模塊的設(shè)計過程，提供了液晶顯示模塊SG320240FPD的設(shè)計方框圖。人機(jī)接口界面可以顯示出當(dāng)前系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。針對系統(tǒng)功能，采用PHILPS公司的16／32位嵌入式處理器LPC2292為開發(fā)平臺，該處理器主要面向終端設(shè)備高性價比、低功耗的開發(fā)應(yīng)用。人機(jī)界面設(shè)計要確保系統(tǒng)整體的功能性和美觀性的完美統(tǒng)一。
關(guān)鍵詞：通訊控制系統(tǒng)；人機(jī)界面；SG320240FPD；嵌入式處理器

    為了滿足礦用通訊控制系統(tǒng)操作的易用性，主控制器的人機(jī)界面設(shè)計是本次設(shè)計的一個重點。人機(jī)界面設(shè)計包括控制器面板的設(shè)計及各個接口布局的設(shè)計，設(shè)計不但要保證電氣性能，還要考慮整體美觀性、現(xiàn)場操作和安裝的方便性，最終確保系統(tǒng)整體的功能性和美觀性的完美統(tǒng)一。由于大屏幕的彩色液晶顯示器都需要高壓背光電路，不能滿足本質(zhì)安全的要求。因此本系統(tǒng)的控制器采用320x240點陣的液晶顯示器，其背光電路采用高亮LED，驅(qū)動電壓低，滿足本質(zhì)安全要求。
    用戶界面采用全中文的圖形化界面，并具備如下特點：1)操作方式簡單，一般人員即可操作；2)彈出式的故障提示界面；3)所有提示和狀態(tài)顯示均使用中文。

1 液晶顯示模塊
    由于本設(shè)計中LPC2292微處理器的I／O端口要完成鍵盤輸入、LED指示輸出、LCD屏幕控制等很多功能，為了節(jié)約I／O資源，很多功能都采用了對微處理器I／O端口分時復(fù)用的方法，這樣在不影響系統(tǒng)整體性能的基礎(chǔ)上充分地利用了有限的資源。為了實現(xiàn)LPC2292的D0～D15端口對鍵盤、LED指示輸出、LCD屏幕控制等多種功能的分時輸入／輸出操作，對于鍵盤輸入的讀取，采用了Altera公司的CPLD芯片EPM7128作為以上器件的數(shù)據(jù)傳輸控制通道。
    由于目前最常用的單色LCD控制器SED1335的數(shù)據(jù)傳輸速度相對于LPC2292顯得十分緩慢，經(jīng)過初期的計算和實際測量，刷新一屏320x240點的圖片最快需要130ns左右，故EPM7128對LCD模塊還起到數(shù)據(jù)緩沖譯碼的作用。
    對于常用的LCD，由于它的引線較多，如果直接由CPU去控制LCD的顯示，會造成CPU負(fù)擔(dān)過重，用戶使用起來很不方面。為了解決這種矛盾，本課題運用北京三春暉電子科技發(fā)展有限公司出品的液晶顯示模塊——SG320240FPD。SG320240FPD顯示模塊將LCD液晶顯示驅(qū)動電路和分壓電路集成在一塊板子上，是一種集顯示、控制與驅(qū)動為一體的顯示器件，很好地解決了CPU的負(fù)擔(dān)問題。中文液晶顯示模塊SG320240FPD可實現(xiàn)漢字、ASCII碼、位圖形的同屏顯示。液晶顯示模塊方框圖如圖1所示。

    SG320240FPD液晶的核心器件是SED1335控制器芯片。SED1335是SEIKO EPSON公司出品的液晶顯示控制器，其具有較強功能的I／O緩沖器，指令功能豐富，4位數(shù)據(jù)并行發(fā)送，最大驅(qū)動能力為640x256點陣。
    從圖1可以看出，DB為數(shù)據(jù)總線，可以直接連在CPU數(shù)據(jù)總線上；CS為片選信號，低電平有效；AO為I／O緩沖器數(shù)據(jù)選擇信號，為1時寫指令代碼或讀數(shù)據(jù)，為0時，寫數(shù)據(jù)或讀狀態(tài)字；RD、WR分別為讀操作信號和寫操作信號，低電平有效。LPC2292的控制信號通過EPM7128采用I／O設(shè)備訪問形式控制液晶控制器SED1335。然后，SED1335通過SEG驅(qū)動器向液晶顯示器提供顯示數(shù)據(jù)，通過COM驅(qū)動器向液晶顯示器提供行掃描信號。在COM和SEG的配合下，實現(xiàn)RAM矩陣內(nèi)容的液晶顯示。
    驅(qū)動器模塊是專用芯片與液晶顯示器的接口，其作用是提高驅(qū)動能力、實現(xiàn)偏壓極性的轉(zhuǎn)換。它包括COM驅(qū)動器、SEG驅(qū)動器及COM的移位寄存器。
    COM驅(qū)動器由控制電路、電壓變換電路、電壓選擇電路、COMS驅(qū)動電路等子模塊組成。COM移位寄存器與COM驅(qū)動器相配合，向液晶顯示屏提供行掃描信號。COM移位寄存器實現(xiàn)0行～31行行掃描，電壓變換電路和電壓選擇電路實現(xiàn)行驅(qū)動，控制電路實現(xiàn)對COM Driver的控制，CO-MS獨立完成第32行掃描。
    SEG驅(qū)動器闈向液晶顯示屏提供顯示數(shù)據(jù)，該模塊由控制電路、電壓變換電路和電壓選擇電路實現(xiàn)對顯示數(shù)據(jù)鎖存電路輸出RAM數(shù)據(jù)的驅(qū)動。[!--empirenews.page--]

2 LCD7920的硬件驅(qū)動
    由于LCD7920的控制器SED1335和LPC2292的外部總線連接時沒有采用直接連接的方式，而是采用了通過可編程邏輯器件擴(kuò)展I／O口進(jìn)行間接連接的方式，SED1335的基本操作需要專門編寫相應(yīng)的操作函數(shù)，包括液晶屏復(fù)位函數(shù)、寫指令代碼、寫數(shù)據(jù)或參數(shù)、讀命令地址、讀數(shù)據(jù)或參數(shù)和SED1335_write函數(shù)(寫一條完整的指令)。
    從軟件角度看，SED1335需要的控制信號包括：復(fù)位信號RST、讀信號RD、寫信號WE、地址信號A0(命令或數(shù)據(jù)方式控制)、片選信號AEN和數(shù)據(jù)信號D0～D7。其中，RST、RD、WE、A0和CS信號由CPLD擴(kuò)展的輸出端口LCD_CMD控制，D0～D7由CPLD擴(kuò)展的雙向端口LCD_DATA控制。另外，為了控制數(shù)據(jù)信號LD0～LD7的方向，還在CPLD內(nèi)部設(shè)置了DataOut信號。當(dāng)DataOut=0時數(shù)據(jù)由CPU通過LCD_DATA向SED1335輸入；當(dāng)Data-Out=1時SED1335通過LCD_DATA向CPU輸出的數(shù)據(jù)。下面將具體分析寫指令信號的全過程。
    首先，要知道在寫指令的過程中，復(fù)位信號RES置高電平不起作用，讀信號RD置高電平也不起作用，寫信號WE置為低電平，片選信號AEN置為低電平。由于寫指令是要數(shù)據(jù)由LCD_DATA向SED1335輸出，因此DataOut信號為低電平。于是寫指令的時序圖如圖2所示。

    根據(jù)寫指令的時序圖，對于液晶模塊低層驅(qū)動的CPLD數(shù)字電路設(shè)計如圖3所示。

    從圖3可知，首先在0x83000004地址空間中，A1高電平保持不變，A0、A2、A3、A4、A5、A6和地址使能信號AEN分別經(jīng)過非門變成高電平。接著，它們在全部經(jīng)過與非門轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑O(shè)為X。從時序圖中，可以看出RD一直保持高電平，它和X相“或”后，輸出為高電平CS—LCD2RD。由于CS—LCD2RD低電平有效，所以讀指令不起作用。同理，X和WE相“或”后，輸出為低電平CS—LCD2WE，然后CS—LCD2WE與74273的CLK位相連，即CLK位為低電平。八重D觸發(fā)器74273的STR管腳信號是由RTS復(fù)位信號決定，為高電平。根據(jù)八重D觸發(fā)器74273的真值表，STR為高電平，CLK為低電平，輸出和輸入相等。下一步輸出信號通過74245總線收發(fā)器，74245的OE管腳由Dataout信號決定。由于是寫代碼指令，Dataout=0，數(shù)據(jù)由CPU通過LCD_DATA向SED1335輸入。由于OE管腳為低電平，根據(jù)74245真值表，輸入輸出保持不變。LD0～LD7就等于輸入信號，把它接到SG320240FPD的D0～D7管腳，SED1335讀取CPU數(shù)據(jù)完畢。SED1335其他操作的分析過程與寫指令類似，這里不詳細(xì)作介紹。

3 GUI軟件的實現(xiàn)
    嵌入式(GUI，Graphic User Interface)系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)中為特定的硬件設(shè)備或環(huán)境而設(shè)計的圖形用戶界面系統(tǒng)。
     顯示任務(wù)與鍵盤任務(wù)的關(guān)系最密切，它們組成了最基本的人機(jī)接口，每一次鍵盤操作都伴隨著畫面的更新。由鍵盤操作更新的畫面內(nèi)容稱為“畫面的靜態(tài)部分”，因為這部分畫面內(nèi)容在沒有鍵盤操作時是固定不變。
    還有某些任務(wù)也需要顯示任務(wù)提供服務(wù)，更新畫面的指定部分的內(nèi)容，如實時時鐘顯示、皮帶工作狀態(tài)和各種現(xiàn)場物理參數(shù)的動態(tài)顯示等。這部分西面內(nèi)容的數(shù)據(jù)由不同的任務(wù)提供，與鍵盤操作無關(guān)，把各種不是鍵盤操作更新的畫面內(nèi)容稱為“畫面的動態(tài)部分”。不管是“畫面的靜態(tài)部分”，還是“畫面的動態(tài)部分”，都是調(diào)用GUI接口函數(shù)來實現(xiàn)的。顯示任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)定較低，其主要作用是初始化系統(tǒng)畫面，顯示按鍵操作的效果和采樣波形。
    在液晶顯示屏上的畫面主要是：主信息窗口，當(dāng)前皮帶運行狀態(tài)顯示，坐標(biāo)方格線和命令按健。因此，這里需要的畫圖功能分別是畫點函數(shù)、畫線函數(shù)和字符顯示函數(shù)。[!--empirenews.page--]
    在畫面顯示前，要初始化液晶顯示屏(包括設(shè)置顯示方式和清屏)，這個功能由函數(shù)GUI_Init()來實現(xiàn)。該函數(shù)可以強制刷新主界面，并且清屏。畫線功能由函數(shù)LCD_Line()來實現(xiàn)，其函數(shù)原型為“void LCD_Line(uint16 StartX，uint16StartY，uint16 EndX，uint16 EndY，uint8 Color，uint8 Layer)”。其各參數(shù)的定義為：StartX為線起點所在的行位置；StartY為線起點所在的列位置；EndX為線終點所在的行位置；EndY為線終點所在的列位置；color為顯示顏色(對于黑白色LCD，為0時，滅；為1時，顯示)；Layer為當(dāng)前畫的線所在圖層，其部分代碼如下所示。


    菜單的反色顯示處理由函數(shù)LCD_Fill()來實現(xiàn)，這里的反色處理是指當(dāng)操作者選擇主信息窗口的設(shè)置、狀態(tài)、紀(jì)錄或操作等任意菜單時，選定菜單會呈現(xiàn)與周圍環(huán)境有差異的顏色。
    字符顯示功能由函數(shù)LCD_DispCh()來實現(xiàn)。其函數(shù)原型為 “void LCD_DispCh(uint16 X，uint16 Y，uint8 Chineselndex)”。其中X為指定顯示位置的X坐標(biāo)；Y為指定顯示位置的Y坐標(biāo)；ChineseIndex為定義的漢字索引變量。由于本設(shè)計的液晶顯示基本上采甩漢字，為了顯示漢字，必須有漢字的點陣碼。本系統(tǒng)通過提取漢字的點陣數(shù)據(jù)。及運行造字程序編制特殊字符的點陣數(shù)據(jù)，創(chuàng)建了顯示字庫。用點陣數(shù)據(jù)生成顯示字庫時，依次對每個字符用一個字節(jié)進(jìn)行編碼，漢字／字符提取程序可根據(jù)需顯示的字符的編碼，得到相應(yīng)的點陣數(shù)據(jù)在字庫中的偏移地址，計算出存放首地址后，取出點陣數(shù)據(jù)填充到外部的RAM中的相應(yīng)位置。每屏要顯示的菜單制成表，根據(jù)表號，就可以提取出所要顯示的字符編號。

4 人機(jī)接口界面的調(diào)試
    為了進(jìn)一步測試系統(tǒng)性能，在實驗室環(huán)境使用了標(biāo)準(zhǔn)的超5類網(wǎng)線(非屏蔽的雙絞線，線路電阻約為9．8Ω／100 m)串聯(lián)起來進(jìn)行了完整的500 m距離測試，發(fā)現(xiàn)人機(jī)接口模塊可以正常地顯示出礦井下智能設(shè)備的工作狀態(tài)，它接收其他任務(wù)的操作指令，完成顯示畫面內(nèi)容的動態(tài)更新。顯示界面如圖4所示。

    從圖4中可以看到，最上面一行為主信息窗口，包括應(yīng)用菜單和實時時鐘。中間一行為當(dāng)前皮帶運行狀態(tài)，第一個是MCCS的主控制器，通過7芯通信線纜(包括+12 V電源，GND，CANH，CANL，NF+，NF-和SKR 7路信號)與智能設(shè)備相連，被監(jiān)視設(shè)備運行異常，系統(tǒng)按事先編制的邏輯進(jìn)行控制輸出。系統(tǒng)能在線自檢，通過圖形界面顯示故障設(shè)備的位置和故障情況。

5 結(jié)束語
    人機(jī)接口采用圖形化方式實現(xiàn)，全中文界面，專用操作按鈕和鍵盤，簡潔方便、通俗易懂。液晶屏在將來可以改進(jìn)成TFT液晶(薄膜場效應(yīng)晶體管)，不但可以提高顯示屏的反應(yīng)速度，同時可以做到高分辨率的顯示屏幕信息。并且人機(jī)接口界面可以擴(kuò)展為智能化的設(shè)計，有自己獨立的CPU，屬于單獨的模塊，會大大提高了主控制器CPU的利用率。