P89C51RD2的可定制人機(jī)交互界面設(shè)計

隨著社會需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的競爭愈來愈激烈，更新的周期愈來愈短，因而要求設(shè)計者能很快地設(shè)計出新產(chǎn)品；而在產(chǎn)品的整體設(shè)計中，人機(jī)交互界面的設(shè)計往往占據(jù)著很大一部分工作，這樣，不但極大地增加了產(chǎn)品的開發(fā)成本而且延長了產(chǎn)品的上市周期。本文論述的基于P89C51RD2的人機(jī)交互界面是一種界面可定制、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉、簡單易用、性能優(yōu)良的通用型人機(jī)交互界面，能很好地解決上述問題。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 工作原理

按照實際應(yīng)用中控制系統(tǒng)的需要及控制系統(tǒng)與人機(jī)交互界面的約定，通過PC機(jī)上的可視化人機(jī)界面定制軟件，定制好整個界面信息，再把定制好的界面信息下載到人機(jī)交互界面系統(tǒng)中，就可以輕松地實現(xiàn)人機(jī)界面的定制。在應(yīng)用中，人機(jī)交互界面通過串行接口與控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，發(fā)送按鍵等信息給控制系統(tǒng)，并接收所需的可變信息，以完成人機(jī)交互。

現(xiàn)以空壓機(jī)控制器的部分人機(jī)界面為例來說明相關(guān)概念，界面系統(tǒng)示意圖如圖1所示。相關(guān)概念說明如下：

①屏幕，即LCD顯示區(qū)，由一個或多個屏幕項組成；

②屏幕項，即屏幕里面的按其顯示內(nèi)容的性質(zhì)差異來劃分的一個個整體單元，如文本屏幕項等；

③屏幕項的分類，按其顯示內(nèi)容的性質(zhì)差異分為文本、整型、浮點型、枚舉型、圖形等。

整個人機(jī)界面系統(tǒng)由一個個存在鏈接關(guān)系的屏幕構(gòu)成，而每個屏幕又由一個或多個屏幕項組成。各屏幕項有其自身的屬性，也存在著某些相互的鏈接關(guān)系(例如，由某個屏幕項鏈接到另外一個屏)。這樣，通過對各屏幕項的合理組織而構(gòu)成一個鏈表網(wǎng)絡(luò)，再通過對此鏈表網(wǎng)絡(luò)的操作來實現(xiàn)人機(jī)界面的操作，即屏幕的顯示操作。

1.2 系統(tǒng)的工作過程

系統(tǒng)的軟件部分由用戶引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序組成。系統(tǒng)運行后，由用戶引導(dǎo)程序決定是執(zhí)行界面信息的更新還是正常運行。若執(zhí)行界面信息的更新，則系統(tǒng)通過串行接口從上位機(jī)接收界面定制信息，并通過在應(yīng)用編程(IAP)功能保存所接收的信息，然后通過本地讀取新的界面定制信息建立鏈表網(wǎng)絡(luò)；若正常運行，則直接從本地讀取舊的界面定制信息建立鏈表網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括按鍵的輸入、界面的顯示及與控制系統(tǒng)的通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及電路原理圖

本系統(tǒng)采用Philips公司功能強大、資源豐富的P89C51RD2單片機(jī)作為微控制器，通過擴(kuò)展液晶模塊及按鍵模塊來構(gòu)成人機(jī)交互界面。系統(tǒng)的硬件電路原理如圖2所示。

2.1 P89C51RD2單片機(jī)簡介

P89C51RD2是Philips公司內(nèi)核基于8位80C51單片機(jī)的派生產(chǎn)品，在完全保留80C51指令系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的大框架下，進(jìn)行了多方面的加強、擴(kuò)展和創(chuàng)新。P89C51RD2具有64 KB并行可編程的非易失性Flash程序存儲器，并可實現(xiàn)對器件串行在系統(tǒng)編程和在應(yīng)用中編程。

2.2 液晶顯示模塊

本系統(tǒng)采用的是OCM12864圖形點陣液晶顯示模塊。OCM12864液晶顯示模塊是128×64點陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，可與CPU直接相連；具有8位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線、6條控制線及電源線。

2.3 按鍵輸入模塊

根據(jù)系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)至少需要設(shè)定如下6個屏幕操作按鍵：左、右、上、下、換屏、確定按鍵。其中，左、右鍵用于切換屏幕項；上、下鍵用于修改可變屏幕項；確定鍵用于產(chǎn)生所選屏幕項對應(yīng)的功能動作；換屏鍵用于進(jìn)入所選中項的鏈接屏幕，若當(dāng)前屏幕沒有選中項，則進(jìn)入首項鏈接的屏幕。當(dāng)然，可以根據(jù)需要擴(kuò)充數(shù)字按鍵及功能按鍵。

本系統(tǒng)采用普通的矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)，也稱“行列式鍵盤結(jié)構(gòu)”。系統(tǒng)中設(shè)計4行4列共16個鍵，只占用8根I／O口線，鍵數(shù)多而占用I／O口線少。除上述6個屏幕操作按鍵外，余下的10個鍵可由用戶根據(jù)需要定制功能，如數(shù)字鍵或功能鍵。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于系統(tǒng)的功能實現(xiàn)不是特別復(fù)雜，故采用基于前后臺的傳統(tǒng)的控制程序設(shè)計方法。系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。

3.1 用戶引導(dǎo)程序設(shè)計

由系統(tǒng)的程序流程可知，用戶引導(dǎo)程序在系統(tǒng)上電后執(zhí)行。首先它檢查是否需要下載定制界面信息，當(dāng)檢查到需要下載時，便接收主機(jī)經(jīng)串口傳來的定制界面數(shù)據(jù)，啟動IAP功能，對Flash進(jìn)行操作，把接收到的數(shù)據(jù)存入預(yù)定的位置。接著進(jìn)入界面系統(tǒng)構(gòu)建階段。若沒有下載請求，就直接進(jìn)入界面系統(tǒng)構(gòu)建階段。

在界面系統(tǒng)構(gòu)建階段，通過讀取預(yù)定位置處的信息，建立一個鏈表風(fēng)格。基于這個鏈表網(wǎng)絡(luò)的操作也就是苦于界面系統(tǒng)的操作。

3.1.1 相關(guān)設(shè)定

屏幕項組成：顯示信息（如顯示位置、類型、內(nèi)容等）和鏈接信息（此項所鏈接的屏等）。綜合各方面的需要，設(shè)定主要相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

其中，back、ahead用于構(gòu)建屏幕項的雙向循環(huán)鏈表；next用于構(gòu)建鏈接屏的單向循環(huán)鏈表；init用于原始的屏與屏的鏈接。

3.1.2 鏈表網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

同一屏幕的項構(gòu)成雙向循環(huán)鏈表、鏈接屏幕構(gòu)成單向循環(huán)鏈表。實現(xiàn)方法：先以屏為單位建立每屏的橫向雙向循環(huán)鏈表；再遍歷各屏的雙向鏈表，為各屏的項建立鏈接關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)成一個鏈表網(wǎng)絡(luò)。如界面系統(tǒng)示意圖(圖1)所示，功能選擇、維護(hù)信息、故障記錄、用戶設(shè)定、廠家設(shè)定5個屏幕項構(gòu)成1個屏的橫向雙向鏈表，而以維護(hù)信息、濾清器使用時間、分離器使用時間3項所在的屏構(gòu)成鏈接屏的單向循環(huán)鏈表，最終構(gòu)成圖4所示的鏈表網(wǎng)絡(luò)示意圖。

下面介紹具體實現(xiàn)步驟。

(1)屏幕項的橫向雙向循環(huán)鏈表構(gòu)建

因從PC機(jī)下載到人機(jī)界面的定制界面信息是按如下格式保存在預(yù)定Flash中的(其中，各屏之間以SCREEN_END字符常量為分界)，故在構(gòu)建項的橫向雙向鏈表時，先從預(yù)定的位置逐一讀取項的信息并填充到項的結(jié)構(gòu)中，最后插入到雙向鏈表中。

格式說明：STA代表起始符、END代表結(jié)束符、L代表本幀數(shù)據(jù)的字節(jié)長度、x／y／LinkNo／SreenNo／Item_ID／Select／type見data_t結(jié)構(gòu)中的說明。

①文本項格式：STA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type(1)，string(文本內(nèi)容)+END。

②整型、浮點項：STA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type(2／3)+END。

③枚舉項：STA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type(4)，count(枚舉項數(shù))，string1(字符串1)，string2(字符串2)，…，+END。

相關(guān)函數(shù)：int add_item_node(link_t pNode，data_te)；把項節(jié)點插入到橫向雙向鏈表中。

(2)鏈接屏的單向循環(huán)鏈表構(gòu)建

遍歷已生成的各屏的雙向鏈表，為各屏的項建立鏈接關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)成一個鏈表網(wǎng)絡(luò)。

相關(guān)函數(shù)：int create_net(link_t head)；遍歷各屏的雙向鏈表，建立鏈表網(wǎng)絡(luò)。

3.2 應(yīng)用程序設(shè)計

應(yīng)用程序負(fù)責(zé)完成按鍵的掃描及處理、界面的顯示、與控制系統(tǒng)的通信。

由系統(tǒng)的流程框圖可知，構(gòu)建好鏈表網(wǎng)絡(luò)后就進(jìn)入應(yīng)用程序階段，即系統(tǒng)進(jìn)入正常運行狀態(tài)。通過系統(tǒng)中設(shè)定當(dāng)前屏指針、當(dāng)前項指針及已構(gòu)建的鏈表網(wǎng)絡(luò)等來實現(xiàn)人機(jī)交互界面的操作。

3.2.1 人機(jī)界面與控制系統(tǒng)的通信格式

格式說明：STA代表起始符，END代表結(jié)束符，type代表類型。

(1)人機(jī)界面→控制系統(tǒng)

①索取變量信息：STA+type(1)+Item_ID(項的ID)+END

②按鍵：STA+type(2)+按鍵個數(shù)+鍵值1(，鍵值2，…)十Item_ID(項的ID)+END

說明：通信格式②中的Item_ID可以為0。

當(dāng)為0時，表示當(dāng)前無選中項或功能按鍵。

(2)控制系統(tǒng)→人機(jī)界面

①返回變量信息：STA+type(1)+Item_ID(項的ID)+content(內(nèi)容)+END

②按鍵確認(rèn)：STA+type(2)+END

③按鍵確認(rèn)并返回修改后的變量信息：STA+type(3)+content(內(nèi)容)+END

3.2.2 界面的顯示

通過遍歷當(dāng)前屏幕的橫向雙向循環(huán)鏈表來逐一顯示屏幕項。其中對各類項的處理如下：

①當(dāng)屏幕項是文本時，直接讀取并顯示。

②當(dāng)屏幕項為整型、浮點時，通過向控制系統(tǒng)索取其值并顯示。

③當(dāng)屏幕項為枚舉時，通過向控制系統(tǒng)索取其值，再按值讀取對應(yīng)的字符串并顯示。

3.2.3 按鍵的處理

所有的按鍵都先發(fā)送到控制系統(tǒng)，并等待其確認(rèn)。存在如下按鍵類型及相應(yīng)的處理：

①當(dāng)為功能鍵時，直接發(fā)送給控制系統(tǒng)，人機(jī)界面不做進(jìn)一步處理。

②當(dāng)為上、下鍵時，如果當(dāng)前屏幕有選中項且是可變項時(如整型、浮點等)，則接收處理后的信息并顯示。

③當(dāng)為左、右鍵時，如有可選項，則進(jìn)行當(dāng)前屏的屏幕項選擇或切換(通過操作橫向雙向循環(huán)鏈表來實現(xiàn))。

④當(dāng)為確定鍵時，如果當(dāng)前屏幕有選中項，則啟用該項的功能(通過發(fā)送該鍵值及項的ID給控制系統(tǒng))。

⑤當(dāng)為換屏鍵時，如果當(dāng)前屏幕有選中項并且此項有鏈接，則進(jìn)入該項的鏈接屏幕；如果沒有選中項且屏幕的首項有鏈接，則進(jìn)入此鏈接屏幕(通過操作鏈接屏的單向循環(huán)鏈表來實現(xiàn))。

結(jié) 語

從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，綜合利用PC機(jī)、P89C51RD2的IAP等功能，并結(jié)合控制系統(tǒng)，巧妙地設(shè)計出一種通用型可定制的人機(jī)交互界面。使用這種人機(jī)交互界面，無論是新產(chǎn)品的開發(fā)還是產(chǎn)品的更新升級，都可以減少開發(fā)的工作量，縮短開發(fā)的時間，為產(chǎn)品贏得寶貴的上市時間，從而可以增強企業(yè)的競爭力，因此該系統(tǒng)具有十分廣闊的市場前景。

本設(shè)計創(chuàng)新點：

①使用P89C51RD2的IAP功能把定制好的界面信息存儲于Flash中，實現(xiàn)界面信息的更新。

②基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提出了一種通過創(chuàng)建鏈表網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對定制好的界面進(jìn)行動態(tài)組織，進(jìn)而實現(xiàn)界面的可定制功能。該功能使人機(jī)交互界面的設(shè)計更加快捷，進(jìn)而減少開發(fā)的工作量，縮短開發(fā)的時間。