2018年03月24日 | 基于P89C51RD2可定制、廉价的人机交互界面设计

随着社会需要和科学技术的发展，产品的竞争愈来愈激烈，更新的周期愈来愈短，因而要求设计者能很快地设计出新产品；而在产品的整体设计中，人机交互界面的设计往往占据着很大一部分工作，这样，不但极大地增加了产品的开发成本而且延长了产品的上市周期。本文论述的基于P89C51RD2的人机交互界面是一种界面可定制、结构紧凑、价格低廉、简单易用、性能优良的通用型人机交互界面，能很好地解决上述问题。

1 系统工作原理

1.1 工作原理

按照实际应用中控制系统的需要及控制系统与人机交互界面的约定，通过PC机上的可视化人机界面定制软件，定制好整个界面信息，再把定制好的界面信息下载到人机交互界面系统中，就可以轻松地实现人机界面的定制。在应用中，人机交互界面通过串行接口与控制系统进行交互，发送按键等信息给控制系统，并接收所需的可变信息，以完成人机交互。

现以空压机控制器的部分人机界面为例来说明相关概念，相关概念说明如下：

①屏幕，即LCD显示区，由一个或多个屏幕项组成；

②屏幕项，即屏幕里面的按其显示内容的性质差异来划分的一个个整体单元，如文本屏幕项等；

③屏幕项的分类，按其显示内容的性质差异分为文本、整型、浮点型、枚举型、图形等。

整个人机界面系统由一个个存在链接关系的屏幕构成，而每个屏幕又由一个或多个屏幕项组成。各屏幕项有其自身的属性，也存在着某些相互的链接关系（例如，由某个屏幕项链接到另外一个屏）。这样，通过对各屏幕项的合理组织而构成一个链表网络，再通过对此链表网络的操作来实现人机界面的操作，即屏幕的显示操作。

1.2 系统的工作过程

系统的软件部分由用户引导程序和应用程序组成。系统运行后，由用户引导程序决定是执行界面信息的更新还是正常运行。若执行界面信息的更新，则系统通过串行接口从上位机接收界面定制信息，并通过在应用编程（IAP）功能保存所接收的信息，然后通过本地读取新的界面定制信息建立链表网络；若正常运行，则直接从本地读取旧的界面定制信息建立链表网络。应用程序实现的功能包括按键的输入、界面的显示及与控制系统的通信。

2 系统硬件设计及电路原理图

本系统采用Philips公司功能强大、资源丰富的P89C51RD2单片机作为微控制器，通过扩展液晶模块及按键模块来构成人机交互界面。

2.1 P89C51RD2单片机简介

P89C51RD2是Philips公司内核基于8位80C51单片机的派生产品，在完全保留80C51指令系统和硬件结构的大框架下，进行了多方面的加强、扩展和创新。P89C51RD2具有64 KB并行可编程的非易失性Flash程序存储器，并可实现对器件串行在系统编程和在应用中编程。

2.2 液晶显示模块

本系统采用的是OCM12864图形点阵液晶显示模块。OCM12864液晶显示模块是128&TImes;64点阵型液晶显示模块，可显示各种字符及图形，可与CPU直接相连；具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线。

2.3 按键输入模块

根据系统的需要，系统至少需要设定如下6个屏幕操作按键：左、右、上、下、换屏、确定按键。其中，左、右键用于切换屏幕项；上、下键用于修改可变屏幕项；确定键用于产生所选屏幕项对应的功能动作；换屏键用于进入所选中项的链接屏幕，若当前屏幕没有选中项，则进入首项链接的屏幕。当然，可以根据需要扩充数字按键及功能按键。

本系统采用普通的矩阵式按键结构，也称“行列式键盘结构”。系统中设计4行4列共16个键，只占用8根I／O口线，键数多而占用I／O口线少。除上述6个屏幕操作按键外，余下的10个键可由用户根据需要定制功能，如数字键或功能键。

3 系统软件设计

由于系统的功能实现不是特别复杂，故采用基于前后台的传统的控制程序设计方法。

3.1 用户引导程序设计

由系统的程序流程可知，用户引导程序在系统上电后执行。首先它检查是否需要下载定制界面信息，当检查到需要下载时，便接收主机经串口传来的定制界面数据，启动IAP功能，对Flash进行操作，把接收到的数据存入预定的位置。接着进入界面系统构建阶段。若没有下载请求，就直接进入界面系统构建阶段。

在界面系统构建阶段，通过读取预定位置处的信息，建立一个链表风格。基于这个链表网络的操作也就是苦于界面系统的操作。

3.1.1 相关设定

屏幕项组成：显示信息（如显示位置、类型、内容等）和链接信息（此项所链接的屏等）。综合各方面的需要，设定主要相关数据结构如下：

其中，back、ahead用于构建屏幕项的双向循环链表；next用于构建链接屏的单向循环链表；init用于原始的屏与屏的链接。

3.1.2 链表网络构成

同一屏幕的项构成双向循环链表、链接屏幕构成单向循环链表。实现方法：先以屏为单位建立每屏的横向双向循环链表；再遍历各屏的双向链表，为各屏的项建立链接关系，进而构成一个链表网络。如界面系统示意图（图1）所示，功能选择、维护信息、故障记录、用户设定、厂家设定5个屏幕项构成1个屏的横向双向链表，而以维护信息、滤清器使用时间、分离器使用时间3项所在的屏构成链接屏的单向循环链表。

下面介绍具体实现步骤。

（1）屏幕项的横向双向循环链表构建

因从PC机下载到人机界面的定制界面信息是按如下格式保存在预定Flash中的（其中，各屏之间以SCREEN_END字符常量为分界），故在构建项的横向双向链表时，先从预定的位置逐一读取项的信息并填充到项的结构中，最后插入到双向链表中。

格式说明：STA代表起始符、END代表结束符、L代表本帧数据的字节长度、x／y／LinkNo／SreenNo／Item_ID／Select／type见data_t结构中的说明。

①文本项格式：STA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type（1），string（文本内容）+END。

②整型、浮点项：STA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type（2／3）+END。

③枚举项：STA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type（4），count（枚举项数），string1（字符串1），string2（字符串2），…，+END。

相关函数：int add_item_node（link_t pNode，data_te）；把项节点插入到横向双向链表中。

（2）链接屏的单向循环链表构建

遍历已生成的各屏的双向链表，为各屏的项建立链接关系，进而构成一个链表网络。

相关函数：int create_net（link_t head）；遍历各屏的双向链表，建立链表网络。

3.2 应用程序设计

应用程序负责完成按键的扫描及处理、界面的显示、与控制系统的通信。

由系统的流程框图可知，构建好链表网络后就进入应用程序阶段，即系统进入正常运行状态。通过系统中设定当前屏指针、当前项指针及已构建的链表网络等来实现人机交互界面的操作。

3.2.1 人机界面与控制系统的通信格式

格式说明：STA代表起始符，END代表结束符，type代表类型。

（1）人机界面→控制系统

①索取变量信息：STA+type（1）+Item_ID（项的ID）+END

②按键：STA+type（2）+按键个数+键值1（，键值2，…）十Item_ID（项的ID）+END

说明：通信格式②中的Item_ID可以为0。

当为0时，表示当前无选中项或功能按键。

（2）控制系统→人机界面

①返回变量信息：STA+type（1）+Item_ID（项的ID）+content（内容）+END

②按键确认：STA+type（2）+END

③按键确认并返回修改后的变量信息：STA+type（3）+content（内容）+END

3.2.2 界面的显示

通过遍历当前屏幕的横向双向循环链表来逐一显示屏幕项。其中对各类项的处理如下：

①当屏幕项是文本时，直接读取并显示。

②当屏幕项为整型、浮点时，通过向控制系统索取其值并显示。

③当屏幕项为枚举时，通过向控制系统索取其值，再按值读取对应的字符串并显示。

3.2.3 按键的处理

所有的按键都先发送到控制系统，并等待其确认。存在如下按键类型及相应的处理：

①当为功能键时，直接发送给控制系统，人机界面不做进一步处理。

②当为上、下键时，如果当前屏幕有选中项且是可变项时（如整型、浮点等），则接收处理后的信息并显示。

③当为左、右键时，如有可选项，则进行当前屏的屏幕项选择或切换（通过操作横向双向循环链表来实现）。

④当为确定键时，如果当前屏幕有选中项，则启用该项的功能（通过发送该键值及项的ID给控制系统）。

⑤当为换屏键时，如果当前屏幕有选中项并且此项有链接，则进入该项的链接屏幕；如果没有选中项且屏幕的首项有链接，则进入此链接屏幕（通过操作链接屏的单向循环链表来实现）。

结 语

从数据结构的角度出发，综合利用PC机、P89C51RD2的IAP等功能，并结合控制系统，巧妙地设计出一种通用型可定制的人机交互界面。使用这种人机交互界面，无论是新产品的开发还是产品的更新升级，都可以减少开发的工作量，缩短开发的时间，为产品赢得宝贵的上市时间，从而可以增强企业的竞争力，因此该系统具有十分广阔的市场前景。

本设计创新点：

①使用P89C51RD2的IAP功能把定制好的界面信息存储于Flash中，实现界面信息的更新。

②基于数据结构，提出了一种通过创建链表网络来实现对定制好的界面进行动态组织，进而实现界面的可定制功能。该功能使人机交互界面的设计更加快捷，进而减少开发的工作量，缩短开发的时间。