P89C51RD2的可定制人機交互界面設計

　　引 言

　　隨著(zhù)社會(huì )需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的競爭愈來(lái)愈激烈，更新的周期愈來(lái)愈短，因而要求設計者能很快地設計出新產(chǎn)品；而在產(chǎn)品的整體設計中，人機交互界面的設計往往占據著(zhù)很大一部分工作，這樣，不但極大地增加了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本而且延長(cháng)了產(chǎn)品的上市周期。本文論述的基于P89C51RD2的人機交互界面是一種界面可定制、結構緊湊、價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易用、性能優(yōu)良的通用型人機交互界面，能很好地解決上述問(wèn)題。

　　1 系統工作原理

　　1.1 工作原理

　　按照實(shí)際應用中控制系統的需要及控制系統與人機交互界面的約定，通過(guò)PC機上的可視化人機界面定制軟件，定制好整個(gè)界面信息，再把定制好的界面信息下載到人機交互界面系統中，就可以輕松地實(shí)現人機界面的定制。在應用中，人機交互界面通過(guò)串行接口與控制系統進(jìn)行交互，發(fā)送按鍵等信息給控制系統，并接收所需的可變信息，以完成人機交互。

　　現以空壓機控制器的部分人機界面為例來(lái)說(shuō)明相關(guān)概念，界面系統示意圖如圖1所示。相關(guān)概念說(shuō)明如下：

　?、倨聊?，即LCD顯示區，由一個(gè)或多個(gè)屏幕項組成；

　?、谄聊豁?，即屏幕里面的按其顯示內容的性質(zhì)差異來(lái)劃分的一個(gè)個(gè)整體單元，如文本屏幕項等；

　?、燮聊豁椀姆诸?lèi)，按其顯示內容的性質(zhì)差異分為文本、整型、浮點(diǎn)型、枚舉型、圖形等。

　　整個(gè)人機界面系統由一個(gè)個(gè)存在鏈接關(guān)系的屏幕構成，而每個(gè)屏幕又由一個(gè)或多個(gè)屏幕項組成。各屏幕項有其自身的屬性，也存在著(zhù)某些相互的鏈接關(guān)系(例如，由某個(gè)屏幕項鏈接到另外一個(gè)屏)。這樣，通過(guò)對各屏幕項的合理組織而構成一個(gè)鏈表網(wǎng)絡(luò )，再通過(guò)對此鏈表網(wǎng)絡(luò )的操作來(lái)實(shí)現人機界面的操作，即屏幕的顯示操作。

　　1.2 系統的工作過(guò)程

　　系統的軟件部分由用戶(hù)引導程序和應用程序組成。系統運行后，由用戶(hù)引導程序決定是執行界面信息的更新還是正常運行。若執行界面信息的更新，則系統通過(guò)串行接口從上位機接收界面定制信息，并通過(guò)在應用編程(IAP)功能保存所接收的信息，然后通過(guò)本地讀取新的界面定制信息建立鏈表網(wǎng)絡(luò )；若正常運行，則直接從本地讀取舊的界面定制信息建立鏈表網(wǎng)絡(luò )。應用程序實(shí)現的功能包括按鍵的輸入、界面的顯示及與控制系統的通信。

　　2 系統硬件設計及電路原理圖

　　本系統采用Philips公司功能強大、資源豐富的P89C51RD2單片機作為微控制器，通過(guò)擴展液晶模塊及按鍵模塊來(lái)構成人機交互界面。系統的硬件電路原理如圖2所示。

　　2.1 P89C51RD2單片機簡(jiǎn)介

　　P89C51RD2是Philips公司內核基于8位80C51單片機的派生產(chǎn)品，在完全保留80C51指令系統和硬件結構的大框架下，進(jìn)行了多方面的加強、擴展和創(chuàng )新。P89C51RD2具有64 KB并行可編程的非易失性Flash程序存儲器，并可實(shí)現對器件串行在系統編程和在應用中編程。

　　2.2 液晶顯示模塊

　　本系統采用的是OCM12864圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊。OCM12864液晶顯示模塊是128×64點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，可與CPU直接相連；具有8位標準數據總線(xiàn)、6條控制線(xiàn)及電源線(xiàn)。

　　2.3 按鍵輸入模塊

　　根據系統的需要，系統至少需要設定如下6個(gè)屏幕操作按鍵：左、右、上、下、換屏、確定按鍵。其中，左、右鍵用于切換屏幕項；上、下鍵用于修改可變屏幕項；確定鍵用于產(chǎn)生所選屏幕項對應的功能動(dòng)作；換屏鍵用于進(jìn)入所選中項的鏈接屏幕，若當前屏幕沒(méi)有選中項，則進(jìn)入首項鏈接的屏幕。當然，可以根據需要擴充數字按鍵及功能按鍵。

　　本系統采用普通的矩陣式按鍵結構，也稱(chēng)“行列式鍵盤(pán)結構”。系統中設計4行4列共16個(gè)鍵，只占用8根I／O口線(xiàn)，鍵數多而占用I／O口線(xiàn)少。除上述6個(gè)屏幕操作按鍵外，余下的10個(gè)鍵可由用戶(hù)根據需要定制功能，如數字鍵或功能鍵。

　　3 系統軟件設計

　　由于系統的功能實(shí)現不是特別復雜，故采用基于前后臺的傳統的控制程序設計方法。系統的程序流程如圖3所示。

　　3.1 用戶(hù)引導程序設計

　　由系統的程序流程可知，用戶(hù)引導程序在系統上電后執行。首先它檢查是否需要下載定制界面信息，當檢查到需要下載時(shí)，便接收主機經(jīng)串口傳來(lái)的定制界面數據，啟動(dòng)IAP功能，對Flash進(jìn)行操作，把接收到的數據存入預定的位置。接著(zhù)進(jìn)入界面系統構建階段。若沒(méi)有下載請求，就直接進(jìn)入界面系統構建階段。

　　在界面系統構建階段，通過(guò)讀取預定位置處的信息，建立一個(gè)鏈表風(fēng)格?；谶@個(gè)鏈表網(wǎng)絡(luò )的操作也就是苦于界面系統的操作。

　　3.1.1 相關(guān)設定

　　屏幕項組成：顯示信息（如顯示位置、類(lèi)型、內容等）和鏈接信息（此項所鏈接的屏等）。綜合各方面的需要，設定主要相關(guān)數據結構如下：

　　其中，back、ahead用于構建屏幕項的雙向循環(huán)鏈表；next用于構建鏈接屏的單向循環(huán)鏈表；init用于原始的屏與屏的鏈接。

　　3.1.2 鏈表網(wǎng)絡(luò )構成

　　同一屏幕的項構成雙向循環(huán)鏈表、鏈接屏幕構成單向循環(huán)鏈表。實(shí)現方法：先以屏為單位建立每屏的橫向雙向循環(huán)鏈表；再遍歷各屏的雙向鏈表，為各屏的項建立鏈接關(guān)系，進(jìn)而構成一個(gè)鏈表網(wǎng)絡(luò )。如界面系統示意圖(圖1)所示，功能選擇、維護信息、故障記錄、用戶(hù)設定、廠(chǎng)家設定5個(gè)屏幕項構成1個(gè)屏的橫向雙向鏈表，而以維護信息、濾清器使用時(shí)間、分離器使用時(shí)間3項所在的屏構成鏈接屏的單向循環(huán)鏈表，最終構成圖4所示的鏈表網(wǎng)絡(luò )示意圖。

　　下面介紹具體實(shí)現步驟。

　　(1)屏幕項的橫向雙向循環(huán)鏈表構建

　　因從PC機下載到人機界面的定制界面信息是按如下格式保存在預定Flash中的(其中，各屏之間以SCREEN_END字符常量為分界)，故在構建項的橫向雙向鏈表時(shí)，先從預定的位置逐一讀取項的信息并填充到項的結構中，最后插入到雙向鏈表中。

　　格式說(shuō)明：STA代表起始符、END代表結束符、L代表本幀數據的字節長(cháng)度、x／y／LinkNo／SreenNo／Item_ID／Select／type見(jiàn)data_t結構中的說(shuō)明。

　?、傥谋卷椄袷剑篠TA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type(1)，string(文本內容)+END。

　?、谡?、浮點(diǎn)項：STA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type(2／3)+END。

　?、勖杜e項：STA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type(4)，count(枚舉項數)，string1(字符串1)，string2(字符串2)，…，+END。

　　相關(guān)函數：int add_item_node(link_t pNode，data_te)；把項節點(diǎn)插入到橫向雙向鏈表中。

　　(2)鏈接屏的單向循環(huán)鏈表構建

　　遍歷已生成的各屏的雙向鏈表，為各屏的項建立鏈接關(guān)系，進(jìn)而構成一個(gè)鏈表網(wǎng)絡(luò )。

　　相關(guān)函數：int create_net(link_t head)；遍歷各屏的雙向鏈表，建立鏈表網(wǎng)絡(luò )。

　　3.2 應用程序設計

　　應用程序負責完成按鍵的掃描及處理、界面的顯示、與控制系統的通信。

　　由系統的流程框圖可知，構建好鏈表網(wǎng)絡(luò )后就進(jìn)入應用程序階段，即系統進(jìn)入正常運行狀態(tài)。通過(guò)系統中設定當前屏指針、當前項指針及已構建的鏈表網(wǎng)絡(luò )等來(lái)實(shí)現人機交互界面的操作。

　　3.2.1 人機界面與控制系統的通信格式

　　格式說(shuō)明：STA代表起始符，END代表結束符，type代表類(lèi)型。

　　(1)人機界面→控制系統

　?、偎魅∽兞啃畔ⅲ篠TA+type(1)+Item_ID(項的ID)+END

　?、诎存I：STA+type(2)+按鍵個(gè)數+鍵值1(，鍵值2，…)十Item_ID(項的ID)+END

　　說(shuō)明：通信格式②中的Item_ID可以為0。

　　當為0時(shí)，表示當前無(wú)選中項或功能按鍵。

　　(2)控制系統→人機界面

　?、俜祷刈兞啃畔ⅲ篠TA+type(1)+Item_ID(項的ID)+content(內容)+END

　?、诎存I確認：STA+type(2)+END

　?、郯存I確認并返回修改后的變量信息：STA+type(3)+content(內容)+END

　　3.2.2 界面的顯示

　　通過(guò)遍歷當前屏幕的橫向雙向循環(huán)鏈表來(lái)逐一顯示屏幕項。其中對各類(lèi)項的處理如下：

　?、佼斊聊豁検俏谋緯r(shí)，直接讀取并顯示。

　?、诋斊聊豁棡檎?、浮點(diǎn)時(shí)，通過(guò)向控制系統索取其值并顯示。

　?、郛斊聊豁棡槊杜e時(shí)，通過(guò)向控制系統索取其值，再按值讀取對應的字符串并顯示。

　　3.2.3 按鍵的處理

　　所有的按鍵都先發(fā)送到控制系統，并等待其確認。存在如下按鍵類(lèi)型及相應的處理：

　?、佼敒楣δ苕I時(shí)，直接發(fā)送給控制系統，人機界面不做進(jìn)一步處理。

　?、诋敒樯?、下鍵時(shí)，如果當前屏幕有選中項且是可變項時(shí)(如整型、浮點(diǎn)等)，則接收處理后的信息并顯示。

　?、郛敒樽?、右鍵時(shí)，如有可選項，則進(jìn)行當前屏的屏幕項選擇或切換(通過(guò)操作橫向雙向循環(huán)鏈表來(lái)實(shí)現)。

　?、墚敒榇_定鍵時(shí)，如果當前屏幕有選中項，則啟用該項的功能(通過(guò)發(fā)送該鍵值及項的ID給控制系統)。

　?、莓敒閾Q屏鍵時(shí)，如果當前屏幕有選中項并且此項有鏈接，則進(jìn)入該項的鏈接屏幕；如果沒(méi)有選中項且屏幕的首項有鏈接，則進(jìn)入此鏈接屏幕(通過(guò)操作鏈接屏的單向循環(huán)鏈表來(lái)實(shí)現)。

　　結 語(yǔ)

　　從數據結構的角度出發(fā)，綜合利用PC機、P89C51RD2的IAP等功能，并結合控制系統，巧妙地設計出一種通用型可定制的人機交互界面。使用這種人機交互界面，無(wú)論是新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)還是產(chǎn)品的更新升級，都可以減少開(kāi)發(fā)的工作量，縮短開(kāi)發(fā)的時(shí)間，為產(chǎn)品贏(yíng)得寶貴的上市時(shí)間，從而可以增強企業(yè)的競爭力，因此該系統具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。

　　本設計創(chuàng )新點(diǎn)：

　?、偈褂肞89C51RD2的IAP功能把定制好的界面信息存儲于Flash中，實(shí)現界面信息的更新。

　?、诨跀祿Y構，提出了一種通過(guò)創(chuàng )建鏈表網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現對定制好的界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)組織，進(jìn)而實(shí)現界面的可定制功能。該功能使人機交互界面的設計更加快捷，進(jìn)而減少開(kāi)發(fā)的工作量，縮短開(kāi)發(fā)的時(shí)間。