近年來，LCD顯示器的普及和微處理器向大容量的發(fā)展使嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)交互功能得到了顯著的提高。在很多場合下，良好的圖形用戶界面(GUI)和便捷的操作環(huán)境是影響產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵因素之一。如何充分利用成本低、資源少的單片機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)完善的人機(jī)交互功能已成為單片機(jī)設(shè)計者需要解決的一個問題。
      目前，國內(nèi)外許多先進(jìn)的智能儀表不僅在測量精度和采樣速率等方面有較高的性能指標(biāo)，在人機(jī)交互的友好性方面也有許多獨到之處。筆者在為德國TOX沖壓技術(shù)有限公司研制智能壓力監(jiān)控儀的過程中，積累了一些嵌入式系統(tǒng)人機(jī)交互技術(shù)的沒計經(jīng)驗。本文以此為實例，介紹其設(shè)計方法。

 
1 智能壓力監(jiān)控儀概述

      智能壓力監(jiān)控儀是為德國TOX沖壓技術(shù)有限公司研制的專用儀器。該公司專門生產(chǎn)金屬板件連接沖壓設(shè)備，為保證連接質(zhì)量，需對沖壓過程中的壓力進(jìn)行監(jiān)測；并將被測值與設(shè)定的壓力上限和壓力下限進(jìn)行比較，據(jù)此判定是否合格。圖l為TOX智能壓力監(jiān)控儀硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。它以片機(jī)為核心，配有壓力和位移傳感器、信號調(diào)理電路、LCD液晶顯示電路、按鍵、RS232和RS485通信接口，以及與PLC連接的輸入／輸出接口等。

      TOX智能壓力臨控儀除了具有普通智能儀表所具有的測量功能、數(shù)據(jù)處理功能和通信功能外，還為用戶提供了友好的人機(jī)交互菜單。通過按鍵和LCD顯示器，可靈活地設(shè)定和查詢以下信息：測量程序號及對應(yīng)的壓力上、下限值；傳感器的類型、規(guī)格和靈敏度等；傳感器的零點偏移量和允許偏移的最大范圍；自動零點校驗功能是否啟用；通信接口是否啟用；通信接口的模式和地址；最新10組測量數(shù)據(jù)；用戶密碼；文字種類(中文或英文)；設(shè)備的維護(hù)周期和操作次數(shù)等。另外，設(shè)有存儲器保護(hù)功能。

2 控制面板及操作界面

      圖2所示為TOX智能壓力監(jiān)控儀的控制面板，面板上有1個160×80點陣的LCD顯示器和6個按鍵。LCD顯示器每行能顯示20個英文或lO個中文符號，共5行；6個按鍵分別為0、ENTER和ESC。利用這6個按鍵，用戶可以隨意切換“測量”和“菜單”界面，進(jìn)入菜單界面后，用戶還可以方便地設(shè)定和查詢有關(guān)信息。

      打開電源后，設(shè)備將顯示版本號，接著進(jìn)行“傳感器校準(zhǔn)”(可關(guān)閉此項功能)，而后進(jìn)入圖3所示的“測量”界面。

      在測量界面下，如果接收到來自于PLC的測量命令，或用戶按下“F1”或“F2”鍵，則開始對通道1或通道2的壓力進(jìn)行測量，隨后處理和顯示測量結(jié)果；如果用戶按下“ESC”鍵，則進(jìn)入網(wǎng)4所示的“主菜單”界面。

      進(jìn)入主菜單界面后，按”鍵移動光標(biāo)；按“ESC”鍵返回到上級菜單(即“測量”菜單)；按“ENTER”鍵進(jìn)入所選的子菜單。例如，當(dāng)光標(biāo)位于“測量程序”選項上時，若按下“ENTER”鍵，則進(jìn)入圖5所示的“測量程序”輸入子菜單。

      “測量程序”子菜單共有5個選項，分別是程序號以及通道1和通道2的壓力上、下限值(即最小值和最大值)，用戶選定的設(shè)定值也同時給出。同樣，按鍵可以移動光標(biāo)；按“ESC”鍵返回到上級菜單(即主菜單)；按“ENTER”鍵進(jìn)入光標(biāo)所在位置下級子菜單。例如，當(dāng)光標(biāo)位于通道l的“最小值”選項上時，若按下“ENTER”鍵，則進(jìn)入圖6所示的“最小值”設(shè)定界面。

      圖6中，“30．00”表示通道l的壓力最小值是30．00，“_”為光標(biāo)提示符。如果用戶要修改設(shè)定值，則可按、鍵將光標(biāo)移動到相應(yīng)的位上，然后再按鍵修改設(shè)定值。例如，當(dāng)光標(biāo)在當(dāng)前位置上時，若按“▲”鍵，則設(shè)定值由30．00變成31．00；若按鍵，則設(shè)定值30．00由變成29．00。這樣，只用4個按鍵，就可以方便地輸入設(shè)定值。
      主菜單下的“傳感器配置”、“數(shù)據(jù)”和“其它”選項下也嵌套了不同數(shù)量的一級、二級甚至多級子菜單，供用戶查詢、修改數(shù)據(jù)和配置參數(shù)。
      由此可見，盡管儀有6個操作按鍵和1個LCD顯示器，但TOX智能壓力監(jiān)控儀仍給操作者提供了友好的操作環(huán)境，實現(xiàn)了人機(jī)交互。

3 人機(jī)交互菜單的設(shè)計

      本設(shè)計中，主菜單和子菜單多達(dá)20余頁，且有中、英文2種文字供用戶選擇，從而增大了應(yīng)用層程序設(shè)計的難度。程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括以下幾個模塊：
      界面切換控制模塊：為按用戶要求切換操作界面，定義了一個Page_Point映像寄存器，其值在O～P-l之間變化，P為操作界面的個數(shù)。如果Page_Point=O，則LCD顯示器上顯示第0頁窗體(為圖3所示的測量界面)；如果Page_Point=l，則LCD顯示器上顯示第1頁窗體(為圖4所示的主菜單界面)。當(dāng)用戶按下“ENTER”或“ESC”鍵后，根據(jù)選項光標(biāo)所在的位置修改Page_Point的值，然后更新顯示窗體，實現(xiàn)人機(jī)交互。
      按鍵掃描模塊：對6個操作按鍵進(jìn)行掃描，將結(jié)果存在Key_Status映像寄存器中。該寄存器有6個有效位，分別是Key_Up、Key_Down、Key_Left、Key_Right、Key_Esc及Key_Enter，依次對應(yīng)操作面板上的6個按鍵“ESC”及“ENTER”。如果標(biāo)志位為l，則意味著對應(yīng)的按鍵按下;反之，則松開。
      選項管理控制模塊：若當(dāng)前的操作界面屬于“選項界面”(圖4所示的主菜單界面和圖5所示的測量程序子界面均屬于選項界面)，則按下鍵，光標(biāo)“>”所在的位置向上或向下移動l項。為此，定義了一個Option_Point映像寄存器，其值為0～N-1(N為選項個數(shù))。若主菜單有4個選項，則N=4，此時Option_Point為O～3；若測量程序子菜單有5個選項，則N=5，此時Option_Point為0～4。圖7為選項管理控制模塊的程序流程圖。
      數(shù)據(jù)輸入模塊：若當(dāng)前的操作界面屬于“置數(shù)界面”(圖6所示的最小值設(shè)定界面就屬于置數(shù)界面)，則按下和鍵，光標(biāo)“_”所在的位置向左或向右移動1位。為此，定義了一個Bit_Point映像寄存器，用于記錄可以修改的數(shù)據(jù)位所在的位置。按下鍵，可將當(dāng)前光標(biāo)所在數(shù)據(jù)位上的數(shù)值加“l(fā)”或減“l(fā)”，例如，在圖6所示的最小值設(shè)定界面中，若按“▲”鍵，則設(shè)定值由30．00變成31．00；若按“v”鍵，則設(shè)定值由30．OO變成29．00。用4個鍵，即可方便地輸入滿足用戶要求的任何數(shù)值。圖8為數(shù)據(jù)輸入模塊的程序流程圖。

      利用上述模塊，只需少量的程序代碼就可以靈活地實現(xiàn)選項、修改數(shù)據(jù)及切換操作界面等功能。
      本設(shè)計采用匯編語言編程，所片j單片機(jī)為性能較低的PICl6F877A，盡管其程序存儲器只有8KB，但卻實現(xiàn)了20多頁操作界面的顯示和切換，以及數(shù)十個數(shù)據(jù)的設(shè)定和杳詢等人機(jī)交互功能，同時還實現(xiàn)了測量、監(jiān)控和通信功能。

4 結(jié)論

      嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)交互技術(shù)日趨完善。通過LCD顯示器和少量的幾個按鍵，利用軟件在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)管理等人機(jī)交互功能，增強(qiáng)了操作的趣味性和功能性，有助于提高系統(tǒng)的附加值。