廣播電視系統(tǒng)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　隨著科學(xué)技術(shù)日益的發(fā)展，廣播電視設(shè)備的國產(chǎn)化程度也越來越高。在一個(gè)性能優(yōu)良的廣播電視系統(tǒng)中，友好的中文人機(jī)交互界面也尤為重要。

　　本文設(shè)計(jì)了一種廣播電視系統(tǒng)人機(jī)交互界面系統(tǒng)，以滿足“數(shù)字立體聲調(diào)頻調(diào)制器”顯控要求為前提，采用MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)的MCU ；液晶屏為滿足漢字4行11列、字母4行22列顯示要求的LCM168651顯示模塊；并滿足用戶通過鍵盤輸入的方式進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)置和工作狀態(tài)查詢的人機(jī)交互要求。

　　1．系統(tǒng)組成

　　本系統(tǒng)主要由三個(gè)模塊組成，即以MSP430F149單片機(jī)為核心的MCU；以LCM168651為主要部件的菜單顯示模塊；以及以ZLG7289B為主的鍵盤掃描管理模塊。

　　1.1 單片機(jī)控制模塊

　　本系統(tǒng)中單片機(jī)控制模塊主要完成顯示、控制信息的采集、處理以及與“數(shù)字立體聲調(diào)頻調(diào)制器”其他分系統(tǒng)之間的通信。選型要求主要考慮以下幾個(gè)方面：

　　·低功耗；

·具有豐富的I/O端口及定時(shí)、中斷功能；

　　·3v左右的工作電壓；　

·至少一個(gè)串行通信接口；

　　·大于8KB的存儲(chǔ)空間；

·基本時(shí)鐘模塊在4MHz以上；

·具有加密保護(hù)功能。

　　根據(jù)以上的要求，我們選用TI公司推出的超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī)MSP430F149。根據(jù)其主要性能特點(diǎn)，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。

　　1.2 菜單顯示模塊

　　菜單顯示模塊主要完成系統(tǒng)信息的時(shí)時(shí)顯示功能，并能在鍵盤控制下滾動(dòng)顯示不同的信息?！皵?shù)字立體聲調(diào)頻調(diào)制器”在顯示模塊主要有以下要求：

　　·同時(shí)顯示信息滿足至少漢字3行10列；·可卷動(dòng)顯示系統(tǒng)信息；

　　·并串行接口，電路簡單；·5v以內(nèi)工作電壓；·顯示清晰無光斑，抗干擾能力強(qiáng)

　　我們設(shè)計(jì)選用北京青云公司的圖形點(diǎn)陣液晶模塊LCM168651，該模塊屬于被動(dòng)顯示，受外界光線干擾小，不產(chǎn)生電磁干擾，顯示內(nèi)容清晰，分辨率高。

　　1.3 鍵盤控制模塊

　　鍵盤控制模塊是人機(jī)交互界面的重要組成模塊，滿足用戶通過鍵盤輸入的方式進(jìn)行工作參數(shù)的設(shè)置和工作狀態(tài)的查詢?！皵?shù)字立體聲調(diào)頻調(diào)制器”對該模塊的主要要求是：

　　·控制鍵盤的數(shù)量最少6個(gè)；·易于與微控制系統(tǒng)連接；·可靠性高。

　　我們設(shè)計(jì)選用廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司自行設(shè)計(jì)的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描管理芯片ZLG7289B，可直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管，還可以掃描管理多達(dá)64只按鍵。該芯片與微控制系統(tǒng)的工作電壓都可以控制在3v左右，避免了與微控制系統(tǒng)之間電平不匹配問題。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)原理框圖

　　為了便于對系統(tǒng)工作原理的理解，這里首先給出系統(tǒng)的原理框圖，如圖1所示。

　圖1 系統(tǒng)原理框圖

　　系統(tǒng)中MSP430F149單片機(jī)為微控制器，由其分配系統(tǒng)資源與液晶顯示模塊使用并行總線進(jìn)行通信、與鍵盤控制模塊使用SPI串行總線進(jìn)行通信。微控制器的程序?qū)懭爰罢{(diào)試采用在線編程模式進(jìn)行，系統(tǒng)使用5v電源供電，系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHz。

　　系統(tǒng)的工作原理可以概述為兩個(gè)方面：一方面微控制器通過擴(kuò)展接口時(shí)時(shí)接收來自“數(shù)字立體聲調(diào)頻調(diào)制器”系統(tǒng)的狀態(tài)信息，這些狀態(tài)信息微控制器在微控制器內(nèi)部以不同的變量形式予以體現(xiàn)，微控制器再將這些變量通過并行總線提供給液晶顯示模塊修改相應(yīng)的顯示參數(shù)，以完成系統(tǒng)信息的顯示及更新工作；另一方面，微控制器以查詢的方式檢測鍵盤控制模塊是否有控制請求，當(dāng)有控制請求時(shí)，微控制器根據(jù)鍵值的不同對液晶顯示模塊發(fā)出不同的指令，以更換顯示內(nèi)容或修改系統(tǒng)參數(shù)，更換顯示內(nèi)容即工作狀態(tài)的查詢，當(dāng)修改系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，微控制器還負(fù)責(zé)將修改過的系統(tǒng)參數(shù)傳遞給“數(shù)字立體聲調(diào)頻調(diào)制器”系統(tǒng)。

　　2.2 液晶顯示原理

　　LCM168651是一種圖形點(diǎn)陣液晶，該模塊將液晶芯片與控制芯片集成在一起，與外界的聯(lián)系是以一系列接口的形式出現(xiàn)的。下面著重介紹一下該模塊的具體使用方法。

　　液晶屏幕被劃分為168*65個(gè)點(diǎn)陣，每個(gè)漢字需要占據(jù)16*16個(gè)點(diǎn)陣，字符或數(shù)字占據(jù)8*16個(gè)點(diǎn)陣，可見滿屏顯示時(shí)最多可以顯示漢字4行11列或字符、數(shù)字4行22列。

　　漢字或字符、數(shù)字的字庫可以從國標(biāo)字庫中查閱，也可以利用專門的軟件分別生成所需要的漢字或字符，本設(shè)計(jì)使用的方法就是后者。所使用的軟件是ZIMO21.EXE，該軟件可以根據(jù)使用者的需要一次獲取一個(gè)或多個(gè)漢字或字符的字庫，基本操作如下：

漢字 圖像上下顛倒 C51取膜 前后16個(gè)字節(jié)交換

字母或者數(shù)字 圖像上下顛倒 C51取膜 前后8個(gè)字節(jié)交換。

　　例如：顯示漢字——廣播電視（宋體12號(hào)字，ZIMO21.EXE的默認(rèn)設(shè)置），使用者可以直接在ZIMO21.EXE軟件中鍵入“廣播電視”，設(shè)置“圖像上下顛倒”，選擇“C51取膜”，則漢字“廣播電視”的字庫便生成了。如下所示：

　　/*-- 文字: 廣 --*/

　　/*-- 宋體12; 此字體下對應(yīng)的點(diǎn)陣為：寬x高=16x16 --*/

0x40,0x30,0x0F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

　0x00,0x00,0xFC,0x04,0x04,0x04,0x04,0x05,0x06,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x04,0x00

　　/*-- 文字: 播 --*/

　　/*-- 宋體12; 此字體下對應(yīng)的點(diǎn)陣為：寬x高=16x16 --*/

　　0x42,0x81,0x7F,0x00,0x01,0x01,0xFF,0x49,0x49,0x7F,0x49,0x49,0xFF,0x01,0x00,0x00,

　　0x08,0x08,0xFF,0x88,0x48,0x12,0x96,0x5A,0x32,0xFE,0x31,0x59,0x95,0x91,0x90,0x00

　　/*-- 文字: 電 --*/

　　/*-- 宋體12; 此字體下對應(yīng)的點(diǎn)陣為：寬x高=16x16 --*/

　　0x00,0x00,0x0F,0x04,0x04,0x04,0x04,0x3F,0x44,0x44,0x44,0x44,0x4F,0x40,0x70,0x00,

　　0x00,0x00,0xF8,0x48,0x48,0x48,0x48,0xFF,0x48,0x48,0x48,0x48,0xF8,0x00,0x00,0x00,

　　/*-- 文字: 視 --*/

　　/*-- 宋體12; 此字體下對應(yīng)的點(diǎn)陣為：寬x高=16x16 --*/

　　0x02,0x01,0x00,0xFF,0x00,0x87,0x42,0x21,0x18,0x06,0x01,0x3E,0x40,0x43,0x70,0x00,

　　0x08,0x08,0x89,0x4E,0xAA,0x18,0x00,0xFE,0x02,0x02,0xFA,0x02,0x02,0xFE,0x00,0x00,

　　將各個(gè)漢字的字庫“前后16個(gè)字節(jié)交換”之后按一定順序存儲(chǔ)到特定的數(shù)組chinese[]中，每個(gè)漢字字庫第一個(gè)字節(jié)在數(shù)組中的位置就是該漢字的序號(hào)。此時(shí)字庫就建立完畢。下面的工作就是將漢字顯示到液晶屏幕的指定位置上，步驟：1）初始化液晶模塊；2）設(shè)置漢字在屏幕的位置坐標(biāo)（X、Y）；3）將漢字字庫信息通過并口逐個(gè)傳遞給液晶模塊進(jìn)行顯示。

　　上述過程1）是以向液晶模塊寫入一系列命令字的形式完成的；2）、3）步驟一般則是以自命名函數(shù)的形式完成的，比如本方案中使用disp_Chinese[X,Y,Number]來完成，其中X，Y代表屏幕坐標(biāo)，Number代表漢字在數(shù)組中的位置。設(shè)計(jì)過程中可以根據(jù)需要設(shè)置漢字的字體、大小等參數(shù)，以達(dá)到美觀的藝術(shù)效果。

　　2.3 鍵盤控制原理

　　本設(shè)計(jì)中在鍵盤控制模塊主要使用了ZLG7289B ，該芯片可直接驅(qū)動(dòng)8 位共陰式數(shù)碼管（或64 只獨(dú)立LED），同時(shí)還可以掃描管理多達(dá)64 只按鍵。

　　ZLG7289B外圍電路簡單，與微控制器系統(tǒng)之間只需要三根線CS、CLK、DIO，即所謂的SPI串行總線的模式即可進(jìn)行通信，擴(kuò)展使用非常方便，在掃描鍵盤時(shí)，已經(jīng)采取了消抖動(dòng)措施，因此在程序中不必另外編寫消抖動(dòng)，非常適合于本方案設(shè)計(jì)的需要。

其基本原理如下：某個(gè)按鍵按下時(shí)，ZLG7289B 的INT 引腳會(huì)出現(xiàn)低電平，向微控制器發(fā)出中斷請求。微控制器既可以采用中斷方式處理，也可以采用查詢/INT 引腳電平狀態(tài)的方法處理。在/INT 引腳出現(xiàn)低電平時(shí)及時(shí)地讀取鍵值。讀取鍵值后，/INT引腳并不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)為高電平，一定要等到按鍵抬起為止。如果沒有及時(shí)讀取按鍵值，則按鍵抬起后INT 引腳也將恢復(fù)到高電平，而在INT 引腳處于高電平期間，試圖去讀取鍵值將可能得不到有意義的數(shù)據(jù)。按鍵K0~K5分別對應(yīng)鍵值0～5，微控制器即可根據(jù)鍵值的不同作出不同的處理。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　前面已經(jīng)提到，系統(tǒng)的工作過程實(shí)際上是微控制器不斷地根據(jù)外界信息調(diào)整液晶顯示內(nèi)容并傳遞信息的過程。下面給出系統(tǒng)的軟件流程圖2，并結(jié)合軟件流程詳細(xì)說明系統(tǒng)的功能和工作過程。

　　圖2 系統(tǒng)的軟件流程

　　說明：

系統(tǒng)初始化工作中最重要的工作是完成液晶基本工作模式的設(shè)置，主要包括顯示偏壓設(shè)置、對比度設(shè)置、工作時(shí)鐘源選擇、背景光設(shè)置等等；

由于微控制器系統(tǒng)的工作時(shí)鐘有兩種，即高頻時(shí)鐘和低頻時(shí)鐘，不同的時(shí)鐘模式對應(yīng)不同的設(shè)置方式，因此在使用之前必須進(jìn)行時(shí)鐘的初始化；

顯示模塊主要顯示內(nèi)容有“開機(jī)畫面”、“主參數(shù)畫面”、“設(shè)置菜單”、6組“設(shè)置值”、6組“預(yù)設(shè)值”、“故障指示畫面”以一些子畫面；

系統(tǒng)開機(jī)后自動(dòng)顯示“開機(jī)畫面”，開機(jī)畫面的顯示內(nèi)容可以根據(jù)需要調(diào)整；

“開機(jī)畫面”顯示一定時(shí)間之后（時(shí)間可設(shè)置，本設(shè)計(jì)中為30S）自動(dòng)轉(zhuǎn)入“主參數(shù)畫面”進(jìn)行顯示；主參數(shù)畫面顯示“數(shù)字立體聲調(diào)頻調(diào)制器”系統(tǒng)最重要的參數(shù)，如載頻值、頻偏值、入射功率、反射功率、設(shè)頻開關(guān)狀態(tài)、左右聲道瞬時(shí)進(jìn)度等；

在6組“設(shè)置值”和6組“預(yù)設(shè)值”菜單中，“上”、“下”鍵用于選擇，當(dāng)進(jìn)入某一個(gè)菜單后，“左”、“右”鍵用于選擇，“上”、“下”鍵用于參數(shù)值的改變；

在“主參數(shù)畫面”，如果有“確認(rèn)”則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入“設(shè)置菜單”，在此后的各級(jí)菜單中，如果長時(shí)間（時(shí)間可調(diào)，本設(shè)計(jì)中為10秒）沒有操作，則系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入上一級(jí)菜單，直至返回“主參數(shù)畫面”畫面；

“設(shè)置菜單”，在此后的各級(jí)菜單中，如果有“取消”鍵，系統(tǒng)也自動(dòng)轉(zhuǎn)入上一級(jí)菜單，直至返回“主參數(shù)畫面”畫面。

系統(tǒng)軟件流程中，除具有基本功能的控制外，還有一定的保護(hù)設(shè)置，比如看門狗設(shè)置等，在一定程度上避免了程序意外進(jìn)入死循環(huán)的情況。

　 　4 小結(jié)

　　通過實(shí)驗(yàn)，證明了本文設(shè)計(jì)的中文人機(jī)交互界面系統(tǒng)較好地滿足了“數(shù)字立體聲調(diào)頻調(diào)制器”的顯示與控制要求。

　　由于本模塊在設(shè)計(jì)過程中重視了擴(kuò)展性的思考和升級(jí)的需要，在主要元件的選擇及程序設(shè)計(jì)上都留有擴(kuò)展及升級(jí)的余地，因此，在后續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、擴(kuò)展功能方面將能夠很好適用，并且在其它廣播電視系統(tǒng)的中文人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)中也有良好的借鑒作用。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

　　1、 較詳細(xì)地提出了廣播電視系統(tǒng)中文人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)方案；

　　2、 并將此方法運(yùn)用于專業(yè)廣播電視系統(tǒng)中，效果良好。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1、《設(shè)計(jì)基于MSP430單片機(jī)的微功耗中文人機(jī)界面》，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，焦純 董秀珍 楊國勝 霍旭陽，2006

　　2、《基于ARM的信號(hào)發(fā)生器人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)》, 倪禎浩　盧博友　田澤, 微計(jì)算機(jī)信息 2007年第5-2期，P134-136

　　3、《MSP430x1xx Family User's Guide》, 2000