摘 要： 由點陣式液晶顯示器和旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)構(gòu)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)。在闡述光電編碼開關(guān)基本原理和使用方法的基礎(chǔ)上，介紹了I2C 接口芯片電路形成的硬件輸入結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了簡潔的風(fēng)格。在軟件方面，則以當(dāng)前的液晶屏顯示窗口作為界面狀態(tài)，以狀態(tài)跟蹤為主線形成基于界面狀態(tài)的模塊式程序結(jié)構(gòu)，這種程序結(jié)構(gòu)的作業(yè)鏈清晰，便于調(diào)試，而且適合于儀器改進(jìn)和升級時功能軟件的增加或變換。在由上位機與之組成自動測試系統(tǒng)時，操作命令下傳后的任務(wù)執(zhí)行程序也是及其簡單的。

帶有微處理器的儀器的操作曾經(jīng)是通過儀器面板上眾多的功能鍵和數(shù)字鍵來實現(xiàn)人機交互的，程序用查詢的方法掃描鍵盤或響應(yīng)鍵盤中斷的方法讀回鍵值，然后散轉(zhuǎn)各分支程序去執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序，完成相應(yīng)的作業(yè)。使用者往往不得不借助厚厚的使用說明書來熟悉、來指南儀器面板上各種按鍵的定義和操作的方法。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展及大屏幕點陣式液晶顯示器的出現(xiàn)，使得智能化儀器的操作也向菜單式、傻瓜型邁進(jìn)。通過液晶屏上的菜單選項，用面板上三四個按鍵或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)，就能完成儀器操作所必需的參數(shù)設(shè)置、命令執(zhí)行等必要的人機交互。該類儀器的程序結(jié)構(gòu)也適應(yīng)了其菜單式"傻瓜"界面的特點，用后臺大量的編程工作換取了前臺儀器操作的極其簡單和方便。本文從軟硬件設(shè)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現(xiàn)的方法。

1 交互界面的輸入結(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)。按鍵由增鍵、減鍵和確認(rèn)鍵構(gòu)成(圖1) .使用這3 種操作可以用來在液晶顯示屏上移動光標(biāo)、數(shù)據(jù)輸入和操作選定等。增鍵和減鍵用于選擇菜單中選項時的光標(biāo)移動，以及在設(shè)定數(shù)值時對數(shù)值大小的增減;確認(rèn)鍵用于對選中的選項和設(shè)定的數(shù)值大小的確定。

圖1 按鍵示意圖

按鍵的功能可以用旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)來替代。旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)的功能類似計算機上使用的鼠標(biāo)，它有3 種操作："左旋""右旋"和"按下選定", 可對應(yīng)著按鍵輸入時的增鍵、減鍵和確認(rèn)鍵。

圖2 是光電編碼開關(guān)的外形圖、電原理圖、輸出信號真值表和波形圖。該開關(guān)壓下時②和③短路輸出，旋轉(zhuǎn)時，由把柄帶動穿孔圓盤一起轉(zhuǎn)動。開關(guān)內(nèi)有2 個發(fā)光二極管、2 個光敏三極管和1 個穿孔圓盤，圓盤上的穿孔按特定規(guī)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(zhuǎn)輸出信號"輸出A"和"輸出B".旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)穿孔圓盤上的某個圓孔正對著發(fā)光二極管時，發(fā)光二極管發(fā)出的光通過該圓孔照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，輸出低電平信號;當(dāng)圓盤上的所有圓孔都錯開發(fā)光二極管時，光敏三極管因收不到光信號而截止，輸出高電平信號。

圖2 光電編碼開關(guān)

由圖2 (c) 真值表可見，其實"輸出B"和"輸出A"的編碼對應(yīng)著2 位循環(huán)碼(格雷碼) ,循環(huán)碼的特點是由一個計數(shù)狀態(tài)變到下一個計數(shù)狀態(tài)的過程中，只有一位數(shù)碼變化，因此在循環(huán)碼的譯碼器中，不會產(chǎn)生競爭冒險現(xiàn)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)制計算來判別大小和順序，所以要判別光電編碼開關(guān)是"左旋"還是"右旋"時，要引入"輸出B"和"輸出A"電平的現(xiàn)狀態(tài)和前狀態(tài)進(jìn)行分支邏輯判斷，軟件編程稍稍復(fù)雜一點。

現(xiàn)在很多單片微控制器的I/ O 口線都帶有鍵盤中斷功能，圖1 所示的按鍵和圖2 所示的旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)，可通過上拉電阻的形式直接接到這些I/ O 口線上。有操作信號時，口線的電平改變會引起鍵盤中斷的發(fā)生，CPU 響應(yīng)中斷后可去處理相應(yīng)的操作。在微處理器I/ O 口線或外中斷口線緊張的情況下，可以如圖3 所示，通過I2 C 總線外擴一片串行變并行的PCF8574 芯片，芯片P0~ P7 的8根口線可用作輸入或輸出;用作輸入時，口線電平的變化會引起芯片13 腳電平變低向微處理器申請中斷。圖3 中RL K 是旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)，它的"輸出A""輸出B"和"按下開關(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 ,通過光耦去驅(qū)動試驗電壓量程切換的繼電器。

圖3 節(jié)省I/ O 口線的按鍵輸入接口電路

2 交互界面的輸出結(jié)構(gòu)

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

帶有驅(qū)動控制器的點陣式LCD 液晶屏與微處理器的接口信號線除了8 位數(shù)據(jù)線外，一般還帶有讀有效線

、寫有效線

及地址譯碼的片選線

,所以對它的連接和讀寫操作，可看作是對微處理器片外的RAM 單元的連接和讀寫操作。讀寫操作中，不同的驅(qū)動控制器具有不同的指令格式，如常用于驅(qū)動320 ×240 點陣式液晶顯示屏的SED1335 液晶驅(qū)動芯片就帶有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?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，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)(用大寫字母A 、B、C 等表示) 、子任務(wù)(用小寫字母a 、b 、c 等表示) 和支任務(wù)(用數(shù)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(zhí)行后返回上一級菜單。圖4 中的選項標(biāo)志用■和□來指示， ■表示該項選中，選項的變動由增鍵和減鍵(或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)的"左旋"和"右旋") 來完成，選項的執(zhí)行由確認(rèn)鍵(或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)的"按下選定") 來完成，根據(jù)■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(zhí)行情況界面，可以是測量值顯示，也可以是某參數(shù)的動態(tài)曲線顯示，可以是歷史數(shù)據(jù)查詢，等等。這些界面的"返回"功能在作業(yè)完成后自動進(jìn)行，或默認(rèn)按"確認(rèn)"鍵返回。

這種結(jié)構(gòu)還很適合儀器在改進(jìn)和升級時功能程序模塊的增加和變換。比如系統(tǒng)要增加"子任務(wù)B2d",只要在如圖4 所示的win3 屏顯中插入這個選項為opt = 3 ,使該屏為5 選項，則當(dāng)標(biāo)志■選中該項時程序即調(diào)用執(zhí)行"子任務(wù)B2d"的子程序。要增加"主任務(wù)D"的方法是類似的，只要在win1 屏顯中加入這個選項，然后程序根據(jù)菜單的選擇來分支就行了。

圖4 顯示界面的部分屏顯匯總

3 基于界面狀態(tài)的程序結(jié)構(gòu)

儀器儀表的系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)，由按鍵和作業(yè)的對應(yīng)關(guān)系可分為一鍵一義型和一鍵多義型兩種結(jié)構(gòu)。

對于一鍵多義型系統(tǒng)程序，作業(yè)的調(diào)度條件是多因數(shù)的，不僅與外因(鍵盤操作) 有關(guān)，也與內(nèi)因(系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)) 有關(guān)。為此，引入系統(tǒng)狀態(tài)的概念，即將系統(tǒng)運行情況分成若干狀態(tài)(如圖4 所示的界面狀態(tài)和選項狀態(tài)，選項狀態(tài)屬于界面狀態(tài)的子狀態(tài)) ,使得在任何一個狀態(tài)下每一個按鍵只有唯一的定義。這樣一來，系統(tǒng)運行去向就可以由當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前鍵碼來共同決定了。智能化儀器儀表正由一鍵一義型向一鍵多義型進(jìn)化。如用圖4 所示的顯示界面來表征系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，其程序結(jié)構(gòu)稱之為基于界面狀態(tài)的程序結(jié)構(gòu)。

為提高系統(tǒng)效率，對鍵盤(或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)) 的操作響應(yīng)可采用中斷的方式進(jìn)行。進(jìn)入鍵中斷服務(wù)程序后，先判別是增建、減鍵、確認(rèn)鍵(或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開關(guān)的"左旋""右旋""按下選定") 的哪一個鍵碼觸發(fā)中斷;接著判別當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài)(當(dāng)前的顯示屏號win 及選項號opt ) ; 再由鍵碼key ,系統(tǒng)狀態(tài)win 和opt 決定執(zhí)行什么作業(yè)。程序框圖如圖5 所示。值得一提的是，對那些不適合在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行或執(zhí)行時間過長的作業(yè)(如打印等) ,可在中斷服務(wù)程序中置位該作業(yè)的啟動標(biāo)志，待中斷返回后在主程序中再執(zhí)行選中的作業(yè)，完成后清除該作業(yè)的啟動標(biāo)志。

圖5 基于界面的交互過程

4 操作界面的上位機介入

電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使嵌入式系統(tǒng)中的存儲器體積越來越小、容量越來越大。但是，如果要在一臺試驗用的儀器上進(jìn)行日積月累的試驗數(shù)據(jù)的查詢和管理，如果要使儀器的實時試驗曲線具有較高的分辨率和對局部曲線進(jìn)行分析，如果要使儀器的操作能遠(yuǎn)程控制，那么，儀器單機的資源就略顯不足。

滿足上述要求的通常做法是用PC 機(或筆記本電腦) 作為儀器的上位機，通過RS232 串口(或USB口) 與儀器通信構(gòu)成自動測試系統(tǒng)，使儀器共享上位計算機的資源，進(jìn)一步增強智能儀器的性能。

基于界面狀態(tài)的程序結(jié)構(gòu)為上位計算機介入后對儀器的控制提供了很好的軟件平臺。微處理器在響應(yīng)串口中斷的中斷服務(wù)程序中，首先從接收到的上位機傳來的信息判斷是何種作業(yè)，然后用調(diào)用子程序的方法，調(diào)用圖4 所示的基于界面狀態(tài)的opt 作業(yè)程序。這樣，原來基于界面狀態(tài)的程序結(jié)構(gòu)幾乎不用改動，只要在串口中斷服務(wù)程序中根據(jù)上位機的命令來分支調(diào)用子程序就行了。當(dāng)然，在上位機控制下執(zhí)行相應(yīng)作業(yè)時，儀器上的液晶顯示界面仍然將同步顯示當(dāng)前作業(yè)，為遠(yuǎn)程操作儀器和實地監(jiān)視儀器提供了方便。

5 結(jié) 語

大屏幕點陣式液晶顯示器和內(nèi)置大容量程序存儲器的微處理器的出現(xiàn)，給儀器儀表的智能化進(jìn)程推波助瀾。上述人機交互界面的軟硬件設(shè)計，僅是筆者在工程項目中的初步嘗試，基本達(dá)到了結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、編程高效和界面友好的效果。用后臺大量的工作換取前臺操作的極其簡單和方便，應(yīng)是儀器儀表業(yè)內(nèi)同行始終追求的境界。