基于μCOS的預(yù)定義UI交互設(shè)計(jì)

摘要：本設(shè)計(jì)用于電能計(jì)量終端的人機(jī)交互，對直流電和單相、三相交流電的電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時顯示。基于μCOS的預(yù)定義UI交互設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是預(yù)定義一個菜單數(shù)組，由程序解析菜單定義。菜單項(xiàng)為菜單數(shù)組中的一個結(jié)構(gòu)體，通過設(shè)置菜單數(shù)組就能改變菜單組合形式。菜單項(xiàng)的可響應(yīng)按鍵集也以結(jié)構(gòu)體的形式定義，結(jié)構(gòu)體的每一元素對應(yīng)一個可以響應(yīng)的按鍵，通過按鍵響應(yīng)動作來實(shí)現(xiàn)菜單切換。該設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)多層次菜單，而且具備很好的可移植性，適用于大量中等規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。運(yùn)用該設(shè)計(jì)很好地完成了電能計(jì)量終端電參數(shù)的實(shí)時顯示。
關(guān)鍵詞：UI設(shè)計(jì)；菜單設(shè)計(jì)；人機(jī)交互；μCOS；嵌入式系統(tǒng)

0 引言
    嵌入式設(shè)備的飛速發(fā)展大大豐富了人們的生活，無論在工業(yè)控制、儀器儀表、通信設(shè)備或是娛樂工具等各個方面都有嵌入式微處理器在工作，然而，人們要想實(shí)現(xiàn)對這些設(shè)備的控制就必須通過用戶界面(User Interface，UI)，所以人們越來越關(guān)注UI界面的可用性和用戶使用效率的提高。目前，嵌入式設(shè)備開發(fā)中的UI設(shè)計(jì)多數(shù)采用按鍵控制簡單的上下翻頁或滾屏操作，缺少層次性，本設(shè)計(jì)將在S3C44BOX微控制器上植入μCOS系統(tǒng)，采用預(yù)定義的方式，實(shí)現(xiàn)一種多層次、可移植性強(qiáng)的預(yù)定義UI交互。

1 電能計(jì)量終端系統(tǒng)簡介
    為實(shí)現(xiàn)配電自動化，需要使用電能計(jì)量終端來對多種電源的接入進(jìn)行監(jiān)控，包括直流電和單相、三相交流電。圖1為電能計(jì)量終端的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。它以S3C44BOX微控制器為核心，配有通信電路、LCD顯示電路、按鍵、RS 232和RS 485通信接口以及直流電和單相、三相交流電測量電路。

    電能計(jì)量終端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UI。通過UI交互，用戶可靈活地切換和查看以下信息：供電電流、供電電壓、累計(jì)供電量、有功功率、停電時間／來電時間、交流負(fù)載的總功率因數(shù)、缺相告警及
電壓值超標(biāo)告警等。另外，還設(shè)有掉電保護(hù)和防雷功能。

2 UI交互電路
    圖2為電能計(jì)量終端的UI交互電路框圖，電路中有1個128×64點(diǎn)陣的LCD顯示器(QC12864B)和6個按鍵。LCD顯示器每行能顯示16個英文或8個中文符號，共4行。微控制器通過IO來控制LCD的顯示。因?yàn)長CD外部接口信號需要5 V的驅(qū)動電平，而微控制器的IO管腳輸出只有3．3 V，不能直接控制，在此使用74LVx245電平轉(zhuǎn)換芯片來驅(qū)動LCD。6個按鍵分別為上(up)、下(down)、左(left)、右(right)、確定(enter)和取消(esc)鍵，微控制器通過掃描按鍵IO，可得到各個鍵值。為節(jié)省中斷開銷，6個按鍵通過與門連接到微控制器的同一個外部中斷上。利用這6個按鍵，用戶可以在菜單窗口和監(jiān)控界面之間隨意切換。

3 預(yù)定義UI交互設(shè)計(jì)
    UI的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)中文窗口界面，用戶可以在菜單方式下進(jìn)行交互。窗口分為2類：對話框和菜單，也包括兩者的混合。對話框用于參數(shù)的輸入輸出顯示；菜單用于響應(yīng)用戶的選擇，根據(jù)用戶的選擇運(yùn)行程序。預(yù)定義的UI。簡單的說，就是預(yù)定義一個菜單數(shù)組，由程序解析菜單定義形式。改變菜單數(shù)組中對應(yīng)項(xiàng)的內(nèi)容，就能設(shè)定菜單顯示的坐標(biāo)、尺寸和內(nèi)容等等性能參數(shù)，而無需修改解析函數(shù)，因此具有很高的可移植性。[!--empirenews.page--]
3．1 操作界面
    根據(jù)電能計(jì)量終端的監(jiān)控內(nèi)容，設(shè)計(jì)菜單窗口和各菜單項(xiàng)對應(yīng)的監(jiān)控界面。設(shè)備上電后，將顯示版本號，接著進(jìn)入菜單窗口。菜單窗口有4行，其中前2行顯示菜單項(xiàng)，后2行顯示實(shí)時時間。菜單項(xiàng)共有4個，分別為交流電(包括市電和油電)、風(fēng)電和光電參數(shù)。通過上下按鍵在主窗口的前兩行進(jìn)行菜單項(xiàng)切換。菜單窗口設(shè)計(jì)如圖3所示。

    在選擇的菜單項(xiàng)上點(diǎn)擊enter鍵進(jìn)入該菜單項(xiàng)對應(yīng)的監(jiān)控界面，監(jiān)控內(nèi)容分屏顯示。交流電子菜單分7屏來顯示交流電接入類型(市電／油電)、交流電壓、交流電量、有功功率、市電／油電停電時間、市電／油電來電時間、功率因數(shù)等，圖4(a)為其中一屏；光電／風(fēng)電子菜單分2屏來顯示光電／風(fēng)電電壓、光電／風(fēng)電電流、光電／風(fēng)電電量、光電／風(fēng)電功率等，圖4(b)為其中一屏。用戶可通過up，down鍵和esc鍵來切屏和返回至菜單窗口。

3．2 預(yù)定義菜單設(shè)計(jì)
    μCOS是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、搶占式、支持多任務(wù)的實(shí)時操作系統(tǒng)，運(yùn)行于沒有MMU的嵌入式微處理器上，采用可剝奪型內(nèi)核進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，實(shí)時性好，小巧且移植方便，適合工業(yè)控制領(lǐng)域使用。在μCOS中，設(shè)置一個UI任務(wù)，完成響應(yīng)用戶的鍵盤輸入、選擇菜單和根據(jù)用戶選擇的菜單執(zhí)行相應(yīng)操作。菜單設(shè)計(jì)成多層次形式。菜單設(shè)計(jì)采用預(yù)定義的集中描述，由程序解析菜單定義形式?？身憫?yīng)的按鍵集也以數(shù)組的形式在菜單數(shù)組中定義。鍵盤服務(wù)設(shè)計(jì)成中斷級任務(wù)，通過專用的消息隊(duì)列發(fā)送鍵值到UI任務(wù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時信息顯示。
    預(yù)定義的菜單由3部分控制：
    ①菜單顯示區(qū)域坐標(biāo)。用來定義菜單顯示區(qū)域左上角字符坐標(biāo)(符號常量MENU_AREA_LT_X，MENU_AREA_LT_Y，)和右下角字符坐標(biāo)(符號常量MENU_AREA_RB_X，MENU_AREA_RB_Y)，顯示的菜單要限制在這個區(qū)域中。
    ②菜單定義。設(shè)計(jì)一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組，數(shù)組中的每個結(jié)構(gòu)體描述一個菜單項(xiàng)的各項(xiàng)設(shè)置，這個結(jié)構(gòu)體數(shù)組稱為“菜單定義結(jié)構(gòu)體數(shù)組”(Menu Deftne Structure，MDS)，在C代碼中命名為Menu_Define[]。
    ③當(dāng)前有效菜單項(xiàng)指針。定義一個整型變量，稱為“菜單指針”(Menu Pointer，MP)，MP的值與MDS的數(shù)組下標(biāo)相對應(yīng)，指明了當(dāng)前有效的菜單項(xiàng)。菜單定義采用枚舉類型標(biāo)識，以提高代碼的可讀性。[!--empirenews.page--]
    一個預(yù)定義的菜單由若干個菜單項(xiàng)組成，每個菜單項(xiàng)可以顯示主顯示內(nèi)容和副顯示內(nèi)容兩部分。程序運(yùn)行后，主顯示內(nèi)容一旦定義則不改變，副顯示內(nèi)容是可變的。如圖4(b)中，風(fēng)電電壓、風(fēng)電電流是主顯示內(nèi)容，而其對應(yīng)的電壓、電流值是副顯示內(nèi)容。MDS是一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組，數(shù)組中每個元素(即每個“菜單項(xiàng)”)的結(jié)構(gòu)如表1所示。

    可響應(yīng)按鍵集也是一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組，每個元素對應(yīng)一個可以響應(yīng)的按鍵，Key_Collection_Iterm定義如下：
   
    部分菜單定義結(jié)構(gòu)體數(shù)組成員說明：
    i16uMenu_ID：菜單的標(biāo)識符，如果在某菜單上發(fā)生了“RT_ACT”(執(zhí)行)動作，則菜單任務(wù)根據(jù)菜單標(biāo)識符執(zhí)行相應(yīng)的功能。
    I16uAccessory_Type：副顯示值類型，指明副顯示內(nèi)容的來源類型，包括常見的變量類型(char，char*，INT16U，INT16，INT32U，INT32，float，double)。
    I16uResponse_Type：按鍵響應(yīng)動作類型，指明對當(dāng)前按鍵的響應(yīng)動作，包括：當(dāng)前有效菜單項(xiàng)改變?yōu)樯吓R菜單項(xiàng)；當(dāng)前有效菜單項(xiàng)改變?yōu)橄屡R菜單項(xiàng)；當(dāng)前有效菜單項(xiàng)改變?yōu)橛遗R菜單項(xiàng)；當(dāng)前有效菜單項(xiàng)改變?yōu)樽笈R菜單項(xiàng)；當(dāng)前有效菜單項(xiàng)改變?yōu)楦覆藛雾?xiàng)；當(dāng)前有效菜單項(xiàng)改變?yōu)樽硬藛雾?xiàng)。依據(jù)當(dāng)前有效菜單項(xiàng)ID執(zhí)行相應(yīng)操作，對應(yīng)的枚舉類型定義如下：
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3．3 預(yù)定義UI交互軟件流程
    預(yù)定義的菜單設(shè)計(jì)針對的是多層次的菜單設(shè)計(jì)，可以輕松實(shí)現(xiàn)多層次菜單顯示。根據(jù)操作界面設(shè)計(jì)各個菜單項(xiàng)，即：在預(yù)定義的菜單項(xiàng)結(jié)構(gòu)體中定義菜單項(xiàng)的標(biāo)識符、坐標(biāo)、上下臨菜單項(xiàng)標(biāo)識符、父子菜單標(biāo)識符和可響應(yīng)按鍵集等等。用戶在當(dāng)前有效菜單項(xiàng)上點(diǎn)擊按鍵，系統(tǒng)根據(jù)動作ID散轉(zhuǎn)，在可響應(yīng)按鍵集中找出相應(yīng)的響應(yīng)動作，圖5為按鍵響應(yīng)動作類型散轉(zhuǎn)流程圖。

    各按鍵通過相似的響應(yīng)流程完成各自不同的響應(yīng)動作，這里以單個按鍵為例，對按鍵動作響應(yīng)流程進(jìn)行介紹。圖6是一個UI交互任務(wù)流程，完成對UP按鍵的響應(yīng)動作，動作類型為RT_MOVE_UP。

    系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)硬件和各變量進(jìn)行初始化，屏幕顯示首屏菜單，由活動表示符指明當(dāng)前活動菜單項(xiàng)。當(dāng)UP按鍵按下，進(jìn)入鍵盤中斷，隨即向μCOS中發(fā)送按鍵消息隊(duì)列，執(zhí)行UI任務(wù)，在UI任務(wù)中將中斷掛起，而后運(yùn)行鍵盤掃描代碼，判斷出鍵值UP。此時，UI任務(wù)將根據(jù)當(dāng)前活動菜單標(biāo)識符執(zhí)行RT_MOVE_UP功能。首先判斷菜單顯示區(qū)域內(nèi)的當(dāng)前活動菜單項(xiàng)標(biāo)識符(CAID)是否等于它的上臨菜單(CAID．上臨ID)，如果相等，不做任何操作；如果不等，再判斷CAID是否為當(dāng)前菜單顯示區(qū)域內(nèi)正在顯示的最頂端的菜單項(xiàng)標(biāo)識符(TMID)。如果CAID=TM ID，那么CAID=TMID=CAID．上臨ID，調(diào)用顯示菜單函數(shù)，顯示此屏幕的上一屏菜單；如果CAID不是TMID，則CAID=CAID．上臨ID，調(diào)用顯示菜單函數(shù)，活動表示符指向CAID．上臨ID。
3．4 UI交互設(shè)計(jì)實(shí)物圖
    UI交互設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖7所示。

4 結(jié)語
    UI的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今計(jì)算機(jī)發(fā)展的重大成就之一，它強(qiáng)調(diào)的是計(jì)算機(jī)對于人的反饋交互作用。嵌入式UI具有下面幾個方面的基本要求，輕型、占用資源少，高性能、高可靠性，便于移植、可配置。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的UI是基于預(yù)定義的文本菜單，具有菜單設(shè)計(jì)靈活、占用資源少的優(yōu)點(diǎn)，同時支持多層次菜單，菜單功能豐富，適用于大量的中等規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。