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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準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)標準;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)標志
   for(i=0; i<8; i++)
   { rcv_buf[i] = U0RBR; // 讀FIFO數(shù)據(jù),清除中斷標志}
   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、大小、標題等相關(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

  圖標菜單也需要定義相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其中圖標數(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"打開";寬×高(像素) : 16×16*/

  然后,將每一個圖標菜單項的顯示坐標地址、圖標的數(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。

  圖標菜單選擇

  界面中還需實現(xiàn)對圖標菜單的選擇操作。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菜單;若S12被按下,表示選擇當前的圖標功能;若S13被按下,表示指向下一個圖標菜單。

  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;圖標菜單大小為16*16,共有六個圖標;用戶可以根據(jù)自己需要添加圖標及對應(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,北京航天航空大學出版社,2004.11

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