一種HCI自適應的解決辦法

摘要：  在嵌入式系統(tǒng)工程開發(fā)及現(xiàn)場施工實踐中，為了解決由于嵌入式系統(tǒng)資源退化引起的人機交互復雜性和不確定性問題，從可適應性角度討論，分析了嵌入式系統(tǒng)中人機交互界面（HCI）的可適應性需求，應該針對資源退化提供一種HCI自適應的解決辦法，故對于嵌入式設(shè)備交互特點進行了研究，詳細描述了嵌入式設(shè)備的HCI模型和內(nèi)存結(jié)構(gòu)的建立，并給出具有實踐意義的HCI可適應性策略，最后以一個工程實例進行了驗證。從實例可知，為嵌入式系統(tǒng)的項目開發(fā)提供了一種可行性解決方案。

　　嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能，對可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，其工程實踐正逐漸地引起研究人員的關(guān)注，在實際工程中有諸多因素需要考慮，比如微處理器的功耗，器件的可靠性，設(shè)備的抗惡劣環(huán)境能力，人機交互界面（HCI），現(xiàn)場通信等等問題。HCI是嵌入式系統(tǒng)工程中的一個重要課題。由于某些嵌入式系統(tǒng)研發(fā)的復雜性和工程實施中的不確定性，導致嵌入式系統(tǒng)HCI有僵化的趨勢，對此提出一種可適應性的解決思路是必要的。

　　1 嵌入式工程的HCI

　　圖形用戶界面是當前用戶界面的主流。HCI是決定嵌入式計算機系統(tǒng)是否友好的一個重要因素。嵌入式系統(tǒng)人機交互功能主要靠輸入輸出的設(shè)備與相應的軟件協(xié)同來實現(xiàn)。可供人機交互使用的設(shè)備主要有鍵盤、顯示以及各種模式識別設(shè)備等。嵌入式系統(tǒng)的人機交互因其特殊性而與PC有所區(qū)別，多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)都是顯示屏幕與鍵盤，或者帶觸摸屏定位的設(shè)備組成。對用戶而言，需要用按鍵或觸摸屏的動作告知系統(tǒng)如何按照人的意圖去輸出，絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都有個HCI系統(tǒng)供用戶使用。問題是在工程中交互設(shè)計時，設(shè)計者往往會把交互界面和系統(tǒng)的資源聯(lián)系起來，使得界面的設(shè)計不獨立于系統(tǒng)資源。軟件設(shè)計勢必在很大程度上受限于硬件資源。實踐中，通常的做法是根據(jù)現(xiàn)有的硬件條件臨時組織一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把一系列字符串值“串”起來，之間可以實現(xiàn)相互跳轉(zhuǎn)。一個交互節(jié)點的快照描述一般需要幾部分組成：1）狀態(tài)枚舉量；2）顯示常量狀態(tài)值；3）前趨狀態(tài)；4）后繼狀態(tài)。還可能需要包含節(jié)點Id標識等其他的輔助信息。顯然，這是用一種靜態(tài)的方法來生成一個菜單對象，代碼易讀性強，但各個部分相互依賴，編碼和調(diào)試比較繁瑣，需要設(shè)計者對各部分都十分清楚。最大的問題是可擴展性受限，對后續(xù)規(guī)模的增加造成一定的影響。工程實踐中，用戶的需求及隱含需求往往是復雜和不確定的。

　　本文的研究目的是建立一套能夠適應應用復雜性和不確定性的實現(xiàn)方案，為后續(xù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供一個工程性的解決思路。

　　2 可適應的嵌入式HCI

　　可適應的HCI是指可根據(jù)系統(tǒng)的計算環(huán)境或應用情境進行伴隨調(diào)節(jié)的界面?？梢赃M一步區(qū)分為被動性適應和主動性適應（或自適應）。

　　可適應性HCI在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中有著越來越迫切的要求。通常該需求來源于2個方面，一個是用戶需求的變更；另一個是系統(tǒng)執(zhí)行中的應用環(huán)境變化。由這2種因素出發(fā)，依據(jù)可適應性的行為模式，嵌入式HCI的可適應性從以下2個方面展開研究：

　　所謂靜態(tài)可適應性是指與系統(tǒng)靜態(tài)配置相關(guān)的可適應性，通常適應行為發(fā)生在2次系統(tǒng)啟動之間。這種適應的需求通常是外來的，比如用戶需求的修改，設(shè)計方案的變化。在工程中，常常出現(xiàn)迭代式的適應性修改，所以靜態(tài)可適應性也是一個很有現(xiàn)實意義的需求。這種可適應性的實現(xiàn)必須借助非易失性存儲器來進行，用來存儲變化后的定義及配置參數(shù)，使得順利完成適應行為。

　　動態(tài)可適應性是指在系統(tǒng)運行過程中，可以依據(jù)環(huán)境的變化進行在線自適應修改，即普適環(huán)境下的修改。通常普適設(shè)備在使用環(huán)境中遷移，引起了環(huán)境參數(shù)的強制性變化，系統(tǒng)的HCI與環(huán)境就會產(chǎn)生矛盾，因此普適策略下的自適應調(diào)整是很有必要的。依據(jù)收集到的系統(tǒng)狀態(tài)信息，判斷是否HCI與系統(tǒng)配置同步，依靠算法實時糾正系統(tǒng)配置來實現(xiàn)自適應。普適環(huán)境下的自適應特點在于動態(tài)性，只有在出現(xiàn)矛盾的時候才做普適調(diào)整，在設(shè)計中必須對匹配性進行考慮。

　　3 基于多重鏈表的嵌入式HCI

　　3.1 模型建立

　　多重鏈表在組織順序型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)時具有較快的搜索速度，下面給出一個基于多重鏈表的模型，每個節(jié)點扇出為4，分別指向上層節(jié)點、下層節(jié)點及左、右的鄰居節(jié)點，扇入不限。每個節(jié)點與相鄰的節(jié)點之間都有雙向連接，并且每個節(jié)點均可帶子節(jié)點進行擴展。

　　模型從功能上講是個層次結(jié)構(gòu)，從數(shù)據(jù)模型上看是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，允許有一個以上的節(jié)點無雙親，并且一個節(jié)點可以有多于一個的雙親。每層節(jié)點的數(shù)目不固定，可視實際情況而變化。每層都是一個閉環(huán)的雙向回路，可進行水平雙向遍歷。層與層之間由父節(jié)點與長子節(jié)點雙向連接。父層節(jié)點對子層節(jié)點是一對一聯(lián)系，由父節(jié)點進入子層時在長子節(jié)點駐足；子層節(jié)點對父節(jié)點是多對一聯(lián)系，意味著由每個子節(jié)點都可回溯至父節(jié)點。由父層切換至子層的每次遍歷必須經(jīng)過長子節(jié)點，然后可由長子節(jié)點依次進行水平循環(huán)遍歷，子層切換至父層則比較靈活，每個子節(jié)點均可到達其父節(jié)點。

　　3.2 方案實現(xiàn)

　　3.2.1 內(nèi)存結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　節(jié)點應該具備4個域，除了標示身份外還至少應該具備指向上層父節(jié)點的指針域、指向下層子節(jié)點的指針域以及指向同層左、右兄弟的指針域。

　　圖1是一個簡單的HCI結(jié)構(gòu)圖，從功能上看，它分為5層，第一層有5個節(jié)點項形成一個閉環(huán)，第二層閉環(huán)是第一層第一個節(jié)點的子節(jié)點組，該子節(jié)點組的第二項又有子節(jié)點組。如此下去共有5層，處在最高位置的節(jié)點其父指針為空，最低位置的節(jié)點的兒子指針為空。

圖1 一個簡單的HCI結(jié)構(gòu)圖

　　3.2.2 類設(shè)計

　　依據(jù)模型定義如圖2所示的類對象。左邊所示是個基本的菜單節(jié)點類，除了模型中提到的幾個節(jié)點指針，還增加了幾個相關(guān)的屬性域，Id用來標識節(jié)點身份，displayValue用來存儲菜單的顯示標題，布爾成員editable指明當前節(jié)點是否可編輯，另外還增加一個ptr_function域，用來指向一個功能函數(shù)，該函數(shù)完成節(jié)點在接受確定消息后要做的工作。

圖2 菜單結(jié)點的類定義和菜單代理類定義

　　在節(jié)點類中還定義了幾個成員方法，與私有屬性相關(guān)的命名符合OOP的命名規(guī)定，均使用Get—Set前綴規(guī)則。除針對幾個成員屬性的方法外，還引入了另外幾個成員方法，CoUp執(zhí)行向父節(jié)點的跳轉(zhuǎn)，CoDown執(zhí)行向長子節(jié)點的跳轉(zhuǎn)，CoLeft和GoRight負責向左右鄰居的跳轉(zhuǎn)。

　　從軟件設(shè)計獨立與資源來考慮，提出一個界面代理的概念，界面代理就是基于事件驅(qū)動，處在界面與環(huán)境之間一個中間對象。外界事件的消息均由代理來接收識別，并由它調(diào)用界面元素，對界面做出改變。圖2右邊上部所示的定義的是菜單代理類MenuManageAgent。該類對象用來作為菜單體系與外界交互的媒介物，它用來記錄菜單的頭指針，菜單體系的規(guī)模以及菜單的總體狀態(tài)；初始化菜單結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建菜單系統(tǒng)并代表菜單接受外來的消息，并對消息加以識別和做出合理的響應。圖2右下是對外部消息的定義。消息的列表可以依據(jù)實際情況擴展和修正。

　　4 嵌入式HCI的可適應性實現(xiàn)

　　靜態(tài)可適應的實現(xiàn)是基于用戶主觀意圖進行的。這個過程強調(diào)人機交互，因此用戶的工作內(nèi)容很重要，一般也作為靜態(tài)可適應性實現(xiàn)的輸入?yún)?shù)。而實現(xiàn)的技術(shù)細節(jié)相對簡單。在算法設(shè)計上，該種可適應性實現(xiàn)工作重點仍然放在用戶交互內(nèi)容的管理上，由用戶的“交互內(nèi)容”綜合系統(tǒng)功能可以得到界面的“變更差”，進而推導出系統(tǒng)HCI的具體參數(shù)集的變化。

　　如圖3所示，設(shè)備在使用環(huán)境中的動態(tài)可適應以系統(tǒng)狀態(tài)檢測開始，這是一個周期性的行為，頻率依據(jù)系統(tǒng)在HCI上的實時性要求而定。系統(tǒng)狀態(tài)檢測應該包含幾部分的工作：1）應該有監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的手段，比如傳感器、接入信號等；2）要依據(jù)特定的算法來測定這個矛盾，其中包括差異的獲取，尺度的制定。狀態(tài)檢測的結(jié)果是，是否有矛盾輸出，如果有矛盾出現(xiàn)的情況下，還需要做決策分析，其主要任務是基于系統(tǒng)現(xiàn)有條件是否可實現(xiàn)動態(tài)可適應，比如已經(jīng)達到了臨界狀態(tài)時，就喪失了這種可能性。所以這里涉及到對系統(tǒng)資源的管理調(diào)度。下一步就是在動態(tài)適應的情況下，采用動態(tài)適應策略對系統(tǒng)HCI給出合適的調(diào)整，從而達到普適環(huán)境下可動態(tài)適應的目的。

圖3 動態(tài)自適應性算法流程

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　　5 工程應用

　　5.1 工程介紹

　　我們在一個系列工程中采用了以下方案構(gòu)造HCI的菜單體系。某公司研發(fā)一款嵌入式的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，該產(chǎn)品的代碼與數(shù)據(jù)獨立存儲在兩個Flash芯片，通過采集外界的模擬量和數(shù)字量對其處理后進行輸出。產(chǎn)品的人機交互界面采用按鍵、LED數(shù)碼管，計算控制單元采用飛思卡爾半導體的微處理器Coldfire V2系列，該CPU基于變長RISC處理器核心，具有32位地址線和數(shù)據(jù)線以及集成的調(diào)試模塊，MAC／eMAC單元能提供高性能的品質(zhì)。

　　嵌入式操作系統(tǒng)采用Nucleus PLUS，Nucleus PLUS實時操作系統(tǒng)是Accelerated Technology公司開發(fā)的嵌入式RTOS產(chǎn)品，只需一次性購買Licenses，就可以獲得操作系統(tǒng)的源碼。最終是以C庫的形式提供給用戶，可以選擇所需要的部分鏈入到應用程序中。具有如下特性：

　　1）快速響應時間：對臨界資源的檢測時間不依賴于占有該臨界資源的線程執(zhí)行時間長短，一旦低優(yōu)先級線程釋放掉臨界資源（不管其是否執(zhí)行完），高優(yōu)先級線程就會搶占運行。

　　2）模塊相互獨立：每個任務的執(zhí)行時間和其他任務的處理時間無關(guān)。

　　3）較高吞吐量：隨著任務數(shù)目的增多，任務的調(diào)度時間為常數(shù)。

　　4）具有可擴展性：利用現(xiàn)有系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)合可得到新的系統(tǒng)調(diào)用。

　　5.2 驗證過程

　　我們擬在這個項目開發(fā)中實現(xiàn)普適設(shè)備的嵌入式人機交互界面，在其中應用可適應性的思想。

　　首先是硬件設(shè)計，該產(chǎn)品設(shè)計了8個Ied數(shù)碼管，8個按鍵Key1～Key8。這部分設(shè)計的功用體現(xiàn)在兩個方面：

　　1）數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過LED顯示采集的數(shù)據(jù)和處理結(jié)果；

　　2）用戶通過按鍵可以查看和設(shè)置設(shè)備的參數(shù)。

　　其次是一些必要的定義，對按鍵的功能通過項目組討論做了如表1的定義。

　　表1的定義給消息定義提供一個依據(jù)。按功能鍵送入一個OK消息，按取消鍵則發(fā)送了一個CANCEL消息，其他按鍵事件以此類推。于是我們便得到一個消息枚舉量的定義。

表1 按鍵定義

　　界面狀態(tài)定義。把人機交互工作分為工作、驗證和設(shè)置狀態(tài)。每種狀態(tài)用一個MenuStatus枚舉常量表示，NORMAL表示工作狀態(tài)，CHECKI-NG表示驗證狀態(tài)，SETHNG表示設(shè)置狀態(tài)。正常工作時處于NORMAL狀態(tài)，一旦按下功能鍵會進入菜單成為驗證或設(shè)置態(tài)。

　　交互行為定義如下：

　　1）常態(tài)時默認為各通道實時數(shù)據(jù)循環(huán)顯示，有報警時，可顯示報警標識；

　　2）默認常態(tài)下按功能鍵進入1層菜單，按上翻鍵、下翻鍵顯示1-、2-、3-、…、14-Reset；

　　3）狀態(tài)2-和狀態(tài)4-可用作擴展；

　　4）狀態(tài)3-時，按功能鍵進入日期時間設(shè)置菜單，按上翻鍵、下翻鍵顯示日期、時間，設(shè)置好后，按功能鍵確定退出；

　　5）狀態(tài)4-時，按功能鍵進入?yún)?shù)設(shè)置菜單，按上翻鍵、下翻鍵顯示4-1、4-2、4-3……、4-19，表示通道選擇；

　　狀態(tài)4-x時，按功能鍵進入x通道的參數(shù)設(shè)置菜單，按上翻鍵、下翻鍵顯示4-x-O、4-x-2、4-x-3、…、4-x-8時，按功能鍵進入x通道的y（0≤y≤8）參數(shù)設(shè)置菜單，按加1鍵、減1鍵和移位可以進行參數(shù)修改操作；修改好參數(shù)按功能鍵確定退出；

　　6）在任一狀態(tài)時，按Key7則返回上層；

　　7）在任一狀態(tài)時，按取消鍵可返回常態(tài)。

　　然后按照上面定義的交互行為，定義菜單節(jié)點的功能函數(shù)。在菜單的創(chuàng)建時把函數(shù)的指針賦值給節(jié)點。該模型同樣可以用于實現(xiàn)通過通信進行的交互。

　　上述HCI的實例，不但實現(xiàn)簡潔，開發(fā)效率高，而且是結(jié)構(gòu)開放性的，便于界面規(guī)模的控制。

　　6 結(jié)束語

　　通過工程實踐驗證，該基于可適應性考慮的嵌入式HCI方案有如下特點：

　　1）易于維護，在拓撲結(jié)構(gòu)不變的情況下，隨按鍵或輸入的不同，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)易于加以修改。菜單節(jié)點可以隨實際項目需求增減成員，代理類也可隨實際需求修改。

　　2）開放性好，便于擴展。只要內(nèi)存容量允許，菜單規(guī)模理論上不受限，并且增刪節(jié)點容易實現(xiàn)。菜單結(jié)構(gòu)可以靜態(tài)聲明，也可以使用動態(tài)內(nèi)存分配。

　　3）通用性強，不但適應于Led數(shù)碼管與按鍵的組合，而且適應于LCD屏幕與按鍵或觸摸屏。只要是用戶與系統(tǒng)交互，能產(chǎn)生消息驅(qū)動的地方都可以使用。

　　4）效率高，從根節(jié)點到任一節(jié)點的路由不需要軟件實現(xiàn)，由用戶交互決定。雖然是網(wǎng)狀模型，但對用戶而言，從功能上仍是個層狀結(jié)構(gòu)，脈絡比較清楚，容易被開發(fā)人員掌握。

　　另外，在具體應用中，可適應性的實現(xiàn)還可能以混合的模式出現(xiàn)。

　　未來的研究是考察在宿主機與目標機交互的情況下，如何實現(xiàn)HCI方案到目標機的遷移，實現(xiàn)目標機HCI動態(tài)配置。