基于ARM2210的智能移動機器人人機界面設(shè)計

引言

　　嵌入式系統(tǒng)以其高性能、低功耗、低成本的優(yōu)點，已經(jīng)在很大程度上改變了人們的生活。如，MP3播放器、智能手機、數(shù)碼相機產(chǎn)品等已經(jīng)滲入人們生活的各個方面。

隨著液晶顯示技術(shù)的不斷進步，以及圖形用戶界面GUI (Graphical User Interface)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人機界面也越來越友好。它能為移動機器人的運動控制提供直觀的路徑圖形、數(shù)據(jù)參數(shù)等。本文介紹了一種以嵌入式微處理器LPC2210為基礎(chǔ)，應(yīng)用ZLG/GUI軟件包設(shè)計移動機器人人機界面的方法。

　　我們設(shè)計開發(fā)的智能移動機器人是一個以PC104嵌入式微機為中心處理器，TMS320F2812為運動控制器，超聲波傳感器作為避障的集合環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，主要包括運動系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。它通過CCD攝像機和圖像采集卡獲得視頻信息，并通過超聲波傳感器組測得前方障礙物距離實現(xiàn)避障。移動機器人的人機界面主要向用戶展示移動機器人的運動信息，如當(dāng)前的運動速度、與前方障礙物的距離以及行駛的軌跡。

　　ARM221O的基本組成

　　ARM221O以PHILIPS公司ARM7TDMI-S微控制器LPC2210為核心，以支持實時仿真和嵌入式跟蹤的嵌入式系統(tǒng)。LPC2210的CPU頻率最大為60MHz，并且擴展了豐富的外圍設(shè)備接口，使系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高，開發(fā)也更簡單。圖1是ARM2210的系統(tǒng)框圖。

　　由于該系統(tǒng)包含了RS232轉(zhuǎn)換電路，可通過UART0與上位機PC104進行數(shù)據(jù)傳輸，同時還包括東芝公司的點陣式液晶控制器T6963C，擴展了液晶接口，同時提供了LED數(shù)碼管顯示和16個按鍵輸入，因此開發(fā)人機界面非常方便。

　　人機界面的硬件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)傳輸

　　PC104的串行口可以作為標(biāo)準(zhǔn)PC的COMl通信口或擴展為控制臺串行口，用于鍵盤輸入和顯示終端輸出或計算機之間的串行輸入/輸出口。

　　ARM2210的UART0具有16字節(jié)接收和發(fā)送FIFO；寄存器位置符合'550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；接收器FIFO觸發(fā)點可為1, 4, 8和14字節(jié) ；內(nèi)置波特率發(fā)生器 。

　　移動機器人的運動信息通過TI公司DSP控制器TMS320F2812以及超聲波傳感器等傳送至嵌入式微機PC104，再經(jīng)過PC104作信息融合后，通過串口傳給ARM2210并由液晶屏顯示。

　　液晶顯示及菜單選擇

　　東芝公司的液晶控制器T6963C具有獨特的硬件初始化設(shè)置功能，最大驅(qū)動點陣液晶為單色640*128(單屏)，支持圖形和文本單獨顯示和混合顯示，并具有字符發(fā)生器，能滿足對移動機器人人機界面的顯示要求。圖2為內(nèi)置T6963C的240*128點陣圖形液晶模塊原理圖。

　　另外， ARM2210系統(tǒng)中配備了I2C器件ZLG7290以及16個按鍵。ZLG7290提供了I2C串行接口和按鍵中斷信號，方便與處理器連接；并且能驅(qū)動8位共陰數(shù)碼管或64只獨立的LED和64個按鍵，8個功能鍵可檢測任一鍵的連擊次數(shù)。

　　本系統(tǒng)選用點像素為240*128點、黃綠顯示的STN液晶屏YL240128A作為人機界面顯示屏；用ARM2210系統(tǒng)16個按鍵中的S11、S12、S13作為輸入部分，實現(xiàn)對人機界面的選擇操作。

人機界面的軟件設(shè)計

　　移動機器人人機界面的關(guān)鍵是菜單操作，以及圖形和數(shù)據(jù)的實時顯示。GUI是用于提高人機交互友好性、易操作性的計算機程序，它是建立在計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)上的產(chǎn)物。人們不再需要死記硬背大量的命令，而是通過窗口、菜單方便地進行操作。由于嵌入式系統(tǒng)的資源有限，所以對GUI 的要求是可裁剪的，高速度的。ZLG/GUI 是由周立功公司開發(fā)的，占用資源小、使用方便的嵌入式系統(tǒng)簡易的圖形用戶界面軟件。ZLG/GUI 提供了最基本的畫點、線、圓形、圓弧、橢圓形、矩形、正方形、填充等功能，較高級的接口功能有ASCII 顯示、漢字顯示、圖標(biāo)顯示、窗口、菜單等，支持單色、灰度、偽彩、真彩等圖形顯示設(shè)備。因此，利用ZLG/GUI軟件包能夠滿足對移動機器人人機界面的設(shè)計要求。

　　數(shù)據(jù)傳輸

　　接收上位機PC104發(fā)送的數(shù)據(jù)時，使能UART0的FIFO進行數(shù)據(jù)發(fā)送/接收，接收采用中斷處理方式。其中，UART0的串口模式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為：通信波特率9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位,無奇偶校驗。其主要程序如下：

　　/*定義串口模式及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/
　　typedef struct Uart0Mode
　　{ uint8 datb; // 字長度
　　uint8 stpb; // 停止位
　　 uint8 parity; // 奇偶校驗位
　　} UART0MODE;
　　/*初始化串口*/
　　uart0_set.datb= 8; // 8位數(shù)據(jù)位
　　uart0_set.stpb = 1; // 1位停止位
　　uart0_set.parity = 0; // 無奇偶校驗UART0_Ini(9600, uart0_set); // 初始化串口模式
　　/*串口UART0接收中斷*/
　　void __irq IRQ_UART0(void)
　　{ uint8 i;
　　 if( 0x04==(U0IIR&0x0F) ) rcv_new = 1; // 置新數(shù)據(jù)標(biāo)志
　　 for(i=0; i<8; i++)
　　 { rcv_buf[i] = U0RBR; // 讀FIFO數(shù)據(jù)，清除中斷標(biāo)志}
　　 VICVectAddr = 0x00; // 中斷處理結(jié)束
　　}

　　窗口顯示

　　人機界面主要是通過圖標(biāo)菜單實現(xiàn)移動機器人運動參數(shù)的顯示，以及運動軌跡的相關(guān)操作，如"打開"、"暫停"、"關(guān)閉"等。因此，首先定義一個窗口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并設(shè)置窗口的起始坐標(biāo)、大小、標(biāo)題等相關(guān)參數(shù)；然后調(diào)用GUI_WindowsDraw()輸出顯示窗口

　　/* 設(shè)置主窗口并顯示輸出 */
　　mainwindows.x = 0;
　　mainwindows.y = 0;
　　mainwindows.with = 240;
　　mainwindows.hight = 128;
　　mainwindows.title = (uint8 *) "Mobile Robot Interface";
　　mainwindows.state = NULL;
　　GUI_WindowsDraw(&mainwindows); // 繪制主窗口

　　圖標(biāo)菜單也需要定義相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中圖標(biāo)數(shù)據(jù)和文字顯示可以通過字模軟件轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。如對應(yīng)"打開"圖標(biāo)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)：

　uint8 const menuico1[]={
0x00,0x70,0x00,0x1C,0x00,0x12,0x1C,0x1A,
0x17,0x0A,0x21,0xF1,0x20,0x1A,0x4F,0xFE,
0x58,0x02,0x50,0x02,0x60,0x06,0x60,0x04,
0x60,0x04,0x40,0x08,0x7F,0xF8,0x00,0x00,
　　}; /*；圖標(biāo)"打開"；寬×高(像素) : 16×16*/

　　然后，將每一個圖標(biāo)菜單項的顯示坐標(biāo)地址、圖標(biāo)的數(shù)據(jù)指針、對應(yīng)的服務(wù)函數(shù)等進行設(shè)置后，即可調(diào)用GUI_MenuIcoDraw()實現(xiàn)顯示輸出。

　　mainmenu[0].icodat = (uint8 *) menuico1;
　　mainmenu[0].title = (uint8 *) "open";
　　mainmenu[0].Function = (void(*)())Runopen;

　　另外，主程序需要先調(diào)用GUI_SetColor(1，0)函數(shù)來設(shè)置前景色及背景色。1表示點顯示，0表示點滅。

　　圖標(biāo)菜單選擇

　　界面中還需實現(xiàn)對圖標(biāo)菜單的選擇操作。I2C器件ZLG7290提供了I2C接口功能和鍵盤中斷信號。I2C總線是Philips推出的芯片間串行傳輸總線，它以2根連線實現(xiàn)了完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，可以方便的構(gòu)成多機系統(tǒng)和外圍器件擴展系統(tǒng)。I2C總線采用了器件地址的硬件設(shè)置方法，通過軟件尋址完全避免了器件的片選線尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)具有最簡單而靈活的擴展方法。I2C操作模式分為主模式I2C和從模式I2C，分別對應(yīng)LPC2210作為主機和從機。

　　本文采用主模式I2C發(fā)送接收數(shù)據(jù)，從而控制三個按鍵S11、S12、S13的掃描并檢測其連擊次數(shù)。程序中先設(shè)置好默認(rèn)菜單，再調(diào)用函數(shù)ZLG7290_GetKey()讀取被按下的鍵值。ZLG7290_GetKey()函數(shù)通過調(diào)用IRcvStr (ZLG7290,1,&rece,1)，直接讀取器件ZLG7290上的按鍵值。若S11被按下，表示指向上一個圖標(biāo)菜單；若S12被按下，表示選擇當(dāng)前的圖標(biāo)功能；若S13被按下，表示指向下一個圖標(biāo)菜單。

　　key = ZLG7290_GetKey();
　　if(key==KEY_OK) break; // 點擊OK 鍵選擇
　　if(key==KEY_NEXT)
　　{ mainmenu[select].state = 0; // 取消上一選擇
　　GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);
　　select++; // 指向下一菜單
　　if(select>2) select=0;
　　mainmenu[select].state = 1;
　　GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);
　　}
　　if(key==KEY_BACK)
　　{ mainmenu[select].state = 0; // 取消上一選擇
　　GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);
　　if(select==0) select=2;
　　else select--; // 指向下一菜單
　　mainmenu[select].state = 1;
　　GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);

　　移動機器人行使軌跡及相關(guān)參數(shù)顯示

　　為了能實時更新顯示數(shù)據(jù)及行使軌跡，PC104將移動機器人的速度，行駛方向，轉(zhuǎn)角等信息轉(zhuǎn)化為液晶屏上的坐標(biāo)信息，并調(diào)用基本繪圖函數(shù)GUI_Line(uint32 x0, uint32 y0, uint32 x1, uint32 y1, TCOLOR color)，畫出當(dāng)前行駛軌跡；同時，將新的速度值及與前方障礙物的距離值更新到相應(yīng)位置。

　　人機界面顯示效果

　　圖3為人機界面實現(xiàn)效果圖，整個顯示窗口大小為240*128；圖標(biāo)菜單大小為16*16，共有六個圖標(biāo)；用戶可以根據(jù)自己需要添加圖標(biāo)及對應(yīng)功能。移動機器人行駛軌跡顯示窗口大小為160*100；其他運動參數(shù)顯示窗口大小為80*100，可以顯示當(dāng)前的速度、障礙物的距離和機器人旋轉(zhuǎn)角度。圖中小車位置表示軌跡的起點，左下角有坐標(biāo)顯示和比例尺1:500。

　　結(jié)語

　　隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的飛速發(fā)展，人機交互系統(tǒng)的開發(fā)將更加廣泛。本文闡述的基于ARM2210嵌入式系統(tǒng)的移動機器人人機界面的設(shè)計方法，這種方法設(shè)計簡單，成本低，使操作者與機器人的交互更加友好。

　　參考文獻：
　　
　　1. 周立功等，ARM與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程，廣州周立功單片機發(fā)展有限公司，2004.11

　　2. 周立功， ARM微控制器基礎(chǔ)與實戰(zhàn)，北京航天航空大學(xué)出版社，2003

　　3. 周立功等， ARM嵌入式系統(tǒng)實驗教程，北京航天航空大學(xué)出版社，2004.11