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

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 工作原理

按照實(shí)際應(yīng)用中控制系統(tǒng)的需要及控制系統(tǒng)與人機(jī)交互界面的約定，通過(guò)PC機(jī)上的可視化人機(jī)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(jī)交互界面系統(tǒng)中，就可以輕松地實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的定制。在應(yīng)用中，人機(jī)交互界面通過(guò)串行接口與控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，發(fā)送按鍵等信息給控制系統(tǒng)，并接收所需的可變信息，以完成人機(jī)交互。

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

①屏幕，即LCD顯示區(qū)，由一個(gè)或多個(gè)屏幕項(xiàng)組成；

②屏幕項(xiàng)，即屏幕里面的按其顯示內(nèi)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(xiàng)等；

③屏幕項(xiàng)的分類(lèi)，按其顯示內(nèi)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(jī)界面系統(tǒng)由一個(gè)個(gè)存在鏈接關(guān)系的屏幕構(gòu)成，而每個(gè)屏幕又由一個(gè)或多個(gè)屏幕項(xiàng)組成。各屏幕項(xiàng)有其自身的屬性，也存在著某些相互的鏈接關(guān)系(例如，由某個(gè)屏幕項(xiàng)鏈接到另外一個(gè)屏)。這樣，通過(guò)對(duì)各屏幕項(xiàng)的合理組織而構(gòu)成一個(gè)鏈表網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)對(duì)此鏈表網(wǎng)絡(luò)的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的操作，即屏幕的顯示操作。

1.2 系統(tǒng)的工作過(guò)程

系統(tǒng)的軟件部分由用戶(hù)引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序組成。系統(tǒng)運(yùn)行后，由用戶(hù)引導(dǎo)程序決定是執(zhí)行界面信息的更新還是正常運(yùn)行。若執(zhí)行界面信息的更新，則系統(tǒng)通過(guò)串行接口從上位機(jī)接收界面定制信息，并通過(guò)在應(yīng)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(yùn)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(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括按鍵的輸入、界面的顯示及與控制系統(tǒng)的通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及電路原理圖

本系統(tǒng)采用Philips公司功能強(qiáng)大、資源豐富的P89C51RD2單片機(jī)作為微控制器，通過(guò)擴(kuò)展液晶模塊及按鍵模塊來(lái)構(gòu)成人機(jī)交互界面。系統(tǒng)的硬件電路原理如圖2所示。

2.1 P89C51RD2單片機(jī)簡(jiǎn)介

P89C51RD2是Philips公司內(nèi)核基于8位80C51單片機(jī)的派生產(chǎn)品，在完全保留80C51指令系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的大框架下，進(jìn)行了多方面的加強(qiáng)、擴(kuò)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(chǔ)器，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件串行在系統(tǒng)編程和在應(yīng)用中編程。

2.2 液晶顯示模塊

本系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)、6條控制線(xiàn)及電源線(xiàn)。

2.3 按鍵輸入模塊

根據(jù)系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)至少需要設(shè)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(xiàng)；上、下鍵用于修改可變屏幕項(xiàng)；確定鍵用于產(chǎn)生所選屏幕項(xiàng)對(duì)應(yīng)的功能動(dòng)作；換屏鍵用于進(jìn)入所選中項(xiàng)的鏈接屏幕，若當(dāng)前屏幕沒(méi)有選中項(xiàng)，則進(jìn)入首項(xiàng)鏈接的屏幕。當(dāng)然，可以根據(jù)需要擴(kuò)充數(shù)字按鍵及功能按鍵。

本系統(tǒng)采用普通的矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)，也稱(chēng)“行列式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)”。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)4行4列共16個(gè)鍵，只占用8根I／O口線(xiàn)，鍵數(shù)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(jù)需要定制功能，如數(shù)字鍵或功能鍵。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)不是特別復(fù)雜，故采用基于前后臺(tái)的傳統(tǒng)的控制程序設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。

3.1 用戶(hù)引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)的程序流程可知，用戶(hù)引導(dǎo)程序在系統(tǒng)上電后執(zhí)行。首先它檢查是否需要下載定制界面信息，當(dāng)檢查到需要下載時(shí)，便接收主機(jī)經(jīng)串口傳來(lái)的定制界面數(shù)據(jù)，啟動(dòng)IAP功能，對(duì)Flash進(jìn)行操作，把接收到的數(shù)據(jù)存入預(yù)定的位置。接著進(jìn)入界面系統(tǒng)構(gòu)建階段。若沒(méi)有下載請(qǐng)求，就直接進(jìn)入界面系統(tǒng)構(gòu)建階段。

在界面系統(tǒng)構(gòu)建階段，通過(guò)讀取預(yù)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(tǒng)的操作。

3.1.1 相關(guān)設(shè)定

屏幕項(xiàng)組成：顯示信息（如顯示位置、類(lèi)型、內(nèi)容等）和鏈接信息（此項(xiàng)所鏈接的屏等）。綜合各方面的需要，設(shè)定主要相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

其中，back、ahead用于構(gòu)建屏幕項(xiàng)的雙向循環(huán)鏈表；next用于構(gòu)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(gòu)成

同一屏幕的項(xiàng)構(gòu)成雙向循環(huán)鏈表、鏈接屏幕構(gòu)成單向循環(huán)鏈表。實(shí)現(xiàn)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(xiàng)建立鏈接關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)鏈表網(wǎng)絡(luò)。如界面系統(tǒng)示意圖(圖1)所示，功能選擇、維護(hù)信息、故障記錄、用戶(hù)設(shè)定、廠(chǎng)家設(shè)定5個(gè)屏幕項(xiàng)構(gòu)成1個(gè)屏的橫向雙向鏈表，而以維護(hù)信息、濾清器使用時(shí)間、分離器使用時(shí)間3項(xiàng)所在的屏構(gòu)成鏈接屏的單向循環(huán)鏈表，最終構(gòu)成圖4所示的鏈表網(wǎng)絡(luò)示意圖。

下面介紹具體實(shí)現(xiàn)步驟。

(1)屏幕項(xiàng)的橫向雙向循環(huán)鏈表構(gòu)建

因從PC機(jī)下載到人機(jī)界面的定制界面信息是按如下格式保存在預(yù)定Flash中的(其中，各屏之間以SCREEN_END字符常量為分界)，故在構(gòu)建項(xiàng)的橫向雙向鏈表時(shí)，先從預(yù)定的位置逐一讀取項(xiàng)的信息并填充到項(xiàng)的結(jié)構(gòu)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(jié)束符、L代表本幀數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度、x／y／LinkNo／SreenNo／Item_ID／Select／type見(jiàn)data_t結(jié)構(gòu)中的說(shuō)明。

①文本項(xiàng)格式：STA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type(1)，string(文本內(nèi)容)+END。

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

③枚舉項(xiàng)：STA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type(4)，count(枚舉項(xiàng)數(shù))，string1(字符串1)，string2(字符串2)，…，+END。

相關(guān)函數(shù)：int add_item_node(link_t pNode，data_te)；把項(xiàng)節(jié)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(gòu)建

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

相關(guān)函數(shù)：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(yīng)用程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序負(fù)責(zé)完成按鍵的掃描及處理、界面的顯示、與控制系統(tǒng)的通信。

由系統(tǒng)的流程框圖可知，構(gòu)建好鏈表網(wǎng)絡(luò)后就進(jìn)入應(yīng)用程序階段，即系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)系統(tǒng)中設(shè)定當(dāng)前屏指針、當(dāng)前項(xiàng)指針及已構(gòu)建的鏈表網(wǎng)絡(luò)等來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的操作。

3.2.1 人機(jī)界面與控制系統(tǒng)的通信格式

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

(1)人機(jī)界面→控制系統(tǒng)

①索取變量信息：STA+type(1)+Item_ID(項(xiàng)的ID)+END

②按鍵：STA+type(2)+按鍵個(gè)數(shù)+鍵值1(，鍵值2，…)十Item_ID(項(xiàng)的ID)+END

說(shuō)明：通信格式②中的Item_ID可以為0。

當(dāng)為0時(shí)，表示當(dāng)前無(wú)選中項(xiàng)或功能按鍵。

(2)控制系統(tǒng)→人機(jī)界面

①返回變量信息：STA+type(1)+Item_ID(項(xiàng)的ID)+content(內(nèi)容)+END

②按鍵確認(rèn)：STA+type(2)+END

③按鍵確認(rèn)并返回修改后的變量信息：STA+type(3)+content(內(nèi)容)+END

3.2.2 界面的顯示

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

①當(dāng)屏幕項(xiàng)是文本時(shí)，直接讀取并顯示。

②當(dāng)屏幕項(xiàng)為整型、浮點(diǎn)時(shí)，通過(guò)向控制系統(tǒng)索取其值并顯示。

③當(dāng)屏幕項(xiàng)為枚舉時(shí)，通過(guò)向控制系統(tǒng)索取其值，再按值讀取對(duì)應(yīng)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(tǒng)，并等待其確認(rèn)。存在如下按鍵類(lèi)型及相應(yīng)的處理：

①當(dāng)為功能鍵時(shí)，直接發(fā)送給控制系統(tǒng)，人機(jī)界面不做進(jìn)一步處理。

②當(dāng)為上、下鍵時(shí)，如果當(dāng)前屏幕有選中項(xiàng)且是可變項(xiàng)時(shí)(如整型、浮點(diǎn)等)，則接收處理后的信息并顯示。

③當(dāng)為左、右鍵時(shí)，如有可選項(xiàng)，則進(jìn)行當(dāng)前屏的屏幕項(xiàng)選擇或切換(通過(guò)操作橫向雙向循環(huán)鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn))。

④當(dāng)為確定鍵時(shí)，如果當(dāng)前屏幕有選中項(xiàng)，則啟用該項(xiàng)的功能(通過(guò)發(fā)送該鍵值及項(xiàng)的ID給控制系統(tǒng))。

⑤當(dāng)為換屏鍵時(shí)，如果當(dāng)前屏幕有選中項(xiàng)并且此項(xiàng)有鏈接，則進(jìn)入該項(xiàng)的鏈接屏幕；如果沒(méi)有選中項(xiàng)且屏幕的首項(xiàng)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(xiàn))。

結(jié) 語(yǔ)

從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，綜合利用PC機(jī)、P89C51RD2的IAP等功能，并結(jié)合控制系統(tǒng)，巧妙地設(shè)計(jì)出一種通用型可定制的人機(jī)交互界面。使用這種人機(jī)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(jí)，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(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，因此該系統(tǒng)具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。

本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)：

①使用P89C51RD2的IAP功能把定制好的界面信息存儲(chǔ)于Flash中，實(shí)現(xiàn)界面信息的更新。

②基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提出了一種通過(guò)創(chuàng)建鏈表網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)定制好的界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)組織，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)界面的可定制功能。該功能使人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)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。