智能儀器中一種菜單式人機界面的軟硬件設計

摘 要： 由點(diǎn)陣式液晶顯示器和旋轉式光電編碼開(kāi)關(guān)構成的智能儀器的人機交互界面，使儀器的操作向菜單式、傻瓜型邁進(jìn)。在闡述光電編碼開(kāi)關(guān)基本原理和使用方法的基礎上，介紹了I2C 接口芯片電路形成的硬件輸入結構，該結構體現了簡(jiǎn)潔的風(fēng)格。在軟件方面，則以當前的液晶屏顯示窗口作為界面狀態(tài)，以狀態(tài)跟蹤為主線(xiàn)形成基于界面狀態(tài)的模塊式程序結構，這種程序結構的作業(yè)鏈清晰，便于調試，而且適合于儀器改進(jìn)和升級時(shí)功能軟件的增加或變換。在由上位機與之組成自動(dòng)測試系統時(shí)，操作命令下傳后的任務(wù)執行程序也是及其簡(jiǎn)單的。

帶有微處理器的儀器的操作曾經(jīng)是通過(guò)儀器面板上眾多的功能鍵和數字鍵來(lái)實(shí)現人機交互的，程序用查詢(xún)的方法掃描鍵盤(pán)或響應鍵盤(pán)中斷的方法讀回鍵值，然后散轉各分支程序去執行相應的功能子程序，完成相應的作業(yè)。使用者往往不得不借助厚厚的使用說(shuō)明書(shū)來(lái)熟悉、來(lái)指南儀器面板上各種按鍵的定義和操作的方法。隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展及大屏幕點(diǎn)陣式液晶顯示器的出現，使得智能化儀器的操作也向菜單式、傻瓜型邁進(jìn)。通過(guò)液晶屏上的菜單選項，用面板上三四個(gè)按鍵或旋轉式光電編碼開(kāi)關(guān)，就能完成儀器操作所必需的參數設置、命令執行等必要的人機交互。該類(lèi)儀器的程序結構也適應了其菜單式傻瓜界面的特點(diǎn)，用后臺大量的編程工作換取了前臺儀器操作的極其簡(jiǎn)單和方便。本文從軟硬件設計的角度，討論智能儀器中菜單式交互界面形成的原理和實(shí)現的方法。

1 交互界面的輸入結構

在菜單式界面的智能儀器中，人機交互的指令輸入部件可用按鍵或旋轉式光電編碼開(kāi)關(guān)。按鍵由增鍵、減鍵和確認鍵構成(圖1) .使用這3 種操作可以用來(lái)在液晶顯示屏上移動(dòng)光標、數據輸入和操作選定等。增鍵和減鍵用于選擇菜單中選項時(shí)的光標移動(dòng)，以及在設定數值時(shí)對數值大小的增減;確認鍵用于對選中的選項和設定的數值大小的確定。

圖1 按鍵示意圖

按鍵的功能可以用旋轉式光電編碼開(kāi)關(guān)來(lái)替代。旋轉式光電編碼開(kāi)關(guān)的功能類(lèi)似計算機上使用的鼠標，它有3 種操作：左旋右旋和按下選定, 可對應著(zhù)按鍵輸入時(shí)的增鍵、減鍵和確認鍵。

圖2 是光電編碼開(kāi)關(guān)的外形圖、電原理圖、輸出信號真值表和波形圖。該開(kāi)關(guān)壓下時(shí)②和③短路輸出，旋轉時(shí)，由把柄帶動(dòng)穿孔圓盤(pán)一起轉動(dòng)。開(kāi)關(guān)內有2 個(gè)發(fā)光二極管、2 個(gè)光敏三極管和1 個(gè)穿孔圓盤(pán)，圓盤(pán)上的穿孔按特定規律分布。光敏二極管接收發(fā)光二極管發(fā)出的光，形成二路旋轉輸出信號輸出A和輸出B.旋轉時(shí)，當穿孔圓盤(pán)上的某個(gè)圓孔正對著(zhù)發(fā)光二極管時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光通過(guò)該圓孔照射到光敏三極管上，三極管導通，輸出低電平信號;當圓盤(pán)上的所有圓孔都錯開(kāi)發(fā)光二極管時(shí)，光敏三極管因收不到光信號而截止，輸出高電平信號。

圖2 光電編碼開(kāi)關(guān)

由圖2 (c) 真值表可見(jiàn)，其實(shí)輸出B和輸出A的編碼對應著(zhù)2 位循環(huán)碼(格雷碼) ,循環(huán)碼的特點(diǎn)是由一個(gè)計數狀態(tài)變到下一個(gè)計數狀態(tài)的過(guò)程中，只有一位數碼變化，因此在循環(huán)碼的譯碼器中，不會(huì )產(chǎn)生競爭冒險現象。在智能儀器中微處理器引腳狀態(tài)變化的中斷輸入中也不會(huì )產(chǎn)生中斷事件的競爭。但循環(huán)碼不能用二進(jìn)制計算來(lái)判別大小和順序，所以要判別光電編碼開(kāi)關(guān)是左旋還是右旋時(shí)，要引入輸出B和輸出A電平的現狀態(tài)和前狀態(tài)進(jìn)行分支邏輯判斷，軟件編程稍稍復雜一點(diǎn)。

現在很多單片微控制器的I/ O 口線(xiàn)都帶有鍵盤(pán)中斷功能，圖1 所示的按鍵和圖2 所示的旋轉式光電編碼開(kāi)關(guān)，可通過(guò)上拉電阻的形式直接接到這些I/ O 口線(xiàn)上。有操作信號時(shí)，口線(xiàn)的電平改變會(huì )引起鍵盤(pán)中斷的發(fā)生，CPU 響應中斷后可去處理相應的操作。在微處理器I/ O 口線(xiàn)或外中斷口線(xiàn)緊張的情況下，可以如圖3 所示，通過(guò)I2 C 總線(xiàn)外擴一片串行變并行的PCF8574 芯片，芯片P0~ P7 的8根口線(xiàn)可用作輸入或輸出;用作輸入時(shí)，口線(xiàn)電平的變化會(huì )引起芯片13 腳電平變低向微處理器申請中斷。圖3 中RL K 是旋轉式光電編碼開(kāi)關(guān)，它的輸出A輸出B和按下開(kāi)關(guān)接到了PCF8574 的P4、P5 和P6 ,在筆者研制的電流互感器伏安特性試驗儀中，PCF8574 的P0~P3 被用作輸出，經(jīng)接插件J9 ,通過(guò)光耦去驅動(dòng)試驗電壓量程切換的繼電器。

圖3 節省I/ O 口線(xiàn)的按鍵輸入接口電路

2 交互界面的輸出結構

菜單式交互界面的輸出部件可采用能顯示字符、漢字及圖形和曲線(xiàn)的大屏幕點(diǎn)陣式液晶顯示器。

帶有驅動(dòng)控制器的點(diǎn)陣式LCD 液晶屏與微處理器的接口信號線(xiàn)除了8 位數據線(xiàn)外，一般還帶有讀有效線(xiàn)

、寫(xiě)有效線(xiàn)

及地址譯碼的片選線(xiàn)

,所以對它的連接和讀寫(xiě)操作，可看作是對微處理器片外的RAM 單元的連接和讀寫(xiě)操作。讀寫(xiě)操作中，不同的驅動(dòng)控制器具有不同的指令格式，如常用于驅動(dòng)320 ×240 點(diǎn)陣式液晶顯示屏的SED1335 液晶驅動(dòng)芯片就帶有13 條指令，能方便地完成各種顯示功能。多任務(wù)下的選擇菜單可由多屏菜單形成多級鏈式結構，為便于敘述，以三級任務(wù)菜單為例，將作業(yè)分為主任務(wù)(用大寫(xiě)字母A 、B、C 等表示) 、子任務(wù)(用小寫(xiě)字母a 、b 、c 等表示) 和支任務(wù)(用數字1 、2 、3 等表示) ,圖4 是顯示界面的部分屏顯的匯總。每屏界面都有自己的編號：win1 、win2 、win3 ??.圖中win1 為主屏菜單，提供了主任務(wù)A、B 和C 3 個(gè)選項;win2 、win3 、win4 為第一級子菜單，為每項主任務(wù)提供了各自的子任務(wù)的選擇(如win2 屏是主任務(wù)A 的子任務(wù)A2a 、A2b 和A2c 的選項) ;win5 、win6和win7 是第二級子菜單，為第一級子菜單中的子任務(wù)提供下一級支任務(wù)(如win5 屏為win2 中的子任務(wù)選項A2a 提供A2a21 、A2a22 和A2a23 的支任務(wù)選項) ;各級子菜單中均有返回的選項，選擇執行后返回上一級菜單。圖4 中的選項標志用■和□來(lái)指示， ■表示該項選中，選項的變動(dòng)由增鍵和減鍵(或旋轉式光電編碼開(kāi)關(guān)的左旋和右旋) 來(lái)完成，選項的執行由確認鍵(或旋轉式光電編碼開(kāi)關(guān)的按下選定) 來(lái)完成，根據■所在的位置，選項號opt =0 ,1 ,2 …….圖中舉例win14~win18 是具體任務(wù)的執行情況界面，可以是測量值顯示，也可以是某參數的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)顯示，可以是歷史數據查詢(xún)，等等。這些界面的返回功能在作業(yè)完成后自動(dòng)進(jìn)行，或默認按確認鍵返回。