基于嵌入式的GUI設計與實(shí)現

電子技術(shù)的發(fā)展和計算機的出現，使得醫療設備的功能越來(lái)越多，人機之間的信息傳輸量也加大，因此需要以屏幕來(lái)作為顯示信息的物理載體。特別是一些大型醫療設備工作站的控制部分和工作部分逐漸變得相對獨立。醫療設備的屏幕是圖形界面的主要物質(zhì)載體空間。除了少量的圖形在醫療設備的實(shí)體界面上有所分布外，幾乎絕大部分的圖形界面視覺(jué)信息都分布于屏幕上顯示，因此需要色彩絢麗、交互體驗良好的人機界面的場(chǎng)景越來(lái)越多。利用嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)的人機界面因其成本低廉、性能穩定、功能多樣等諸多優(yōu)勢，正越來(lái)越多的應用于醫療器械行業(yè)領(lǐng)域。

本文基于GUI Designer 圖形庫和C 語(yǔ)言程序對人機界面進(jìn)行設計，實(shí)現了人機交互、參數設置與顯示以及數據存儲等功能，具有較強的適配性，可以應用于各種醫療器械以及各種場(chǎng)景。本文以超聲刀項目為依托，進(jìn)行了適配和調試，取得了良好的使用效果。

1   硬件電路設計

該人機界面硬件結構如圖1 所示。該系統采用市面上的一種嵌入式芯片作為中央處理單元，其基于A(yíng)RM DDR2 的內核架構，處理器自帶64 M 的ram 以及128 M 的flash，能夠保證流暢運行GUI Designer 圖形庫以及其他任務(wù)。

另外，根據實(shí)際的顯示需求，硬件電路還設計了多個(gè)功能模塊，共同完成系統數據的接收、轉換和顯示，主要包括了音頻IC、SD 卡、UART 等，方便功能應用擴展。

各硬件模塊情況如下：

（1）LCD 顯示屏

LCD 顯示屏采用7 寸大屏幕彩色觸摸顯示屏，顯示分辨率位1 024×600，支持1 600 W 真彩顯示、色彩逼真、效果細膩。工作溫度范圍為-20-70 ℃，為GUIDesigner 人機界面顯示提供了良好的硬件基礎。

（2）供電電源

系統供電電源采用的兩種IC 芯片，對系統輸入的12 V 進(jìn)行降壓處理，得到5 V 和3.3 V 用于單片機及其他IC 的供電電源。

（3）音頻模塊

系統音頻模塊采用專(zhuān)用音頻解碼器以及功放IC 組合。采用的專(zhuān)用音頻解碼器是一款功能強大的高品質(zhì)語(yǔ)音芯片，采用了高性能32 位處理器、最高頻率可達120 MHz?？刂品绞届`活：支持標準的異步串口通訊(UART)、支持SPI-Flash、U 盤(pán)做為存儲器。32 級音量可調、最大可以支持外掛128 Mbit 的Flash 和32G 的U盤(pán)。結合功放芯片，可以實(shí)現清晰的提示音效果。

（4）其他器件選擇

開(kāi)發(fā)板提供了SD 卡、USART 接口等模塊。SD 卡模塊采用4 位SDIO 方式驅動(dòng)，理論上最大速度可以達到24 MB/S，適用于大容量存儲。UART 模塊采用TTL電平進(jìn)行輸出，用于開(kāi)發(fā)板之間的通訊。

2   軟件部分設計

GUI Designer 是由聯(lián)陽(yáng)公司研發(fā)的基于嵌入式系統的人機界面設計工具，開(kāi)發(fā)穩定高效的圖形軟件庫. 具有豐富的人機界面設計控件，用于任何使用圖形顯示進(jìn)行操作的應用。GUI 人機界面設計，與VS 結合，聯(lián)合開(kāi)發(fā)底層設計，滿(mǎn)足用戶(hù)需求。開(kāi)發(fā)過(guò)程無(wú)需等待硬件開(kāi)發(fā)，直接通過(guò)VS軟件仿真，最后與硬件進(jìn)行系統聯(lián)調，節約時(shí)間成本。

2.1 程序整體設計

本文采用Freetros 操作系統，采用多任務(wù)、模塊化的思想，將整個(gè)系統任務(wù)分為人機界面顯示任務(wù)，觸摸屏相應任務(wù)，音頻播放任務(wù)以及串口通訊任務(wù)。軟件采用任務(wù)優(yōu)先級和時(shí)間片輪訓算法實(shí)現任務(wù)調度，任務(wù)之間通過(guò)消息隊列進(jìn)行通訊。系統軟件結構如圖2 所示。

圖2 系統軟件結構

2.2 人機界面交互任務(wù)

人機界面交互任務(wù)主要完成與醫療設備的人機交互功能。本文以超聲刀項目為例進(jìn)行介紹，該系統主要包括主界面、功能選擇、參數設置、系統信息顯示、調試模式顯示、系統日志等界面。

2.3 觸摸屏任務(wù)

觸摸屏任務(wù)主要完成人機界面的操作任務(wù)，實(shí)現系統界面切換、參數設置，日志瀏覽等功能。系統采用查詢(xún)方式，每5 ms 查詢(xún)一次。

2.4 音頻播放任務(wù)

音頻播放任務(wù)采用UART 方式進(jìn)行， 當接收到UART 消息播放命令時(shí)就會(huì )執行該命令，并根據接收消息的內容選擇播放內容。系統提供單次播放和循環(huán)播放兩種方式。

2.5 串口通訊任務(wù)

串口通訊任務(wù)用于實(shí)現與主機之間的通訊功能。人機界面系統通過(guò)觸摸屏進(jìn)行信息輸入，打包后將信息發(fā)送給主機，從而實(shí)現參數設置等功能。而當人機界面收到主機發(fā)來(lái)的信息后，在該串口通訊任務(wù)中對數據包進(jìn)行解析，從而完成相應指令操作，實(shí)現界面切換、參數設置、信息和日志更新等功能。

3 界面顯示

本文以超聲刀項目為依托，結合產(chǎn)品需求對超聲刀主機界面進(jìn)行設計。產(chǎn)品具有開(kāi)機自檢界面、主界面、配置界面、設置界面、系統日志界面等。在實(shí)際使用過(guò)程中可以設計多套不同界面供用戶(hù)選擇，也可以更換不同語(yǔ)言和字體顯示。在測試過(guò)程中，能夠通過(guò)串口與主機進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，數據顯示正常。

圖3 系統主界面

圖4 系統設置界面

圖5 系統日志界面

4   結束語(yǔ)

該系統采用嵌入式芯片和GUI Designer 圖形庫進(jìn)行人機界面設計，能夠提供友好的界面及交互體驗，并通過(guò)此界面完成查看和管理任務(wù)。設計成果證明，開(kāi)發(fā)設計過(guò)程簡(jiǎn)單高效，界面美觀(guān)，工作穩定可靠，適配性及可移植性強，能夠應用于醫療器械行業(yè)的各種場(chǎng)景，大大縮短開(kāi)發(fā)周期，具有較強的實(shí)用性。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）