2023年03月14日 | 基于LPC2210微控制器实现机器人人机交互系统的设计

移动机器人人机界面为移动机器人的运动控制提供直观的路径图形、运动速度和角度、障碍物信息等。通过ARM2210的串口UART0接收中心处理器PC104的运动信息，利用东芝公司的液晶控制器T6963C驱动STN液晶屏YL240128A，以及ZLG/GUI软件包提供的基本绘图和菜单操作函数设计了基于嵌入式系统ARM2210开发板的移动机器人人机界面，并利用ARM2210的I2C器件ZLG7290提供的I2C接口功能和键盘中断信号实现菜单选择，具有很强的实用性。

引言

嵌入式系统以其高性能、低功耗、低成本的优点，已经在很大程度上改变了人们的生活。如，MP3播放器、智能手机、数码相机产品等已经渗入人们生活的各个方面。随着液晶显示技术的不断进步，以及图形用户界面GUI (Graphical User Interface)技术的广泛应用，人机界面也越来越友好。它能为移动机器人的运动控制提供直观的路径图形、数据参数等。本文介绍了一种以嵌入式微处理器LPC2210为基础，应用ZLG/GUI软件包设计移动机器人人机界面的方法。

我们设计开发的智能移动机器人是一个以PC104嵌入式微机为中心处理器，TMS320F2812为运动控制器，超声波传感器作为避障的集合环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，主要包括运动系统、电子信息系统和传感系统。它通过CCD摄像机和图像采集卡获得视频信息，并通过超声波传感器组测得前方障碍物距离实现避障。移动机器人的人机界面主要向用户展示移动机器人的运动信息，如当前的运动速度、与前方障碍物的距离以及行驶的轨迹。

2 ARM221O的基本组成

ARM221O以PHILIPS公司ARM7TDMI-S微控制器LPC2210为核心，以支持实时仿真和嵌入式跟踪的嵌入式系统。LPC2210的CPU频率最大为60MHz，并且扩展了丰富的外围设备接口，使系统稳定性大大提高，开发也更简单。图1是ARM2210的系统框图。

图1 ARM2210的系统框图

由于系统包含了RS232转换电路，可通过UART0与上位机PC104进行数据传输，同时还包括东芝公司的点阵式液晶控制器T6963C，扩展了液晶接口，同时提供了LED数码管显示和16个按键输入，因此开发人机界面非常方便。

3 人机界面的硬件设计

3.1 数据传输

PC104的串行口可以作为标准PC的COMl通信口或扩展为控制台串行口，用于键盘输入和显示终端输出或计算机之间的串行输入/输出口。

ARM2210的UART0具有16字节接收和发送FIFO;寄存器位置符合'550工业标准;接收器FIFO触发点可为1, 4, 8和14字节 ;内置波特率发生器。

移动机器人的运动信息通过TI公司DSP控制器TMS320F2812以及超声波传感器等传送至嵌入式微机PC104，再经过PC104作信息融合后，通过串口传给ARM2210并由液晶屏显示。

3.2 液晶显示及菜单选择

东芝公司的液晶控制器T6963C具有独特的硬件初始化设置功能，最大驱动点阵液晶为单色640*128(单屏)，支持图形和文本单独显示和混合显示，并具有字符发生器，能满足对移动机器人人机界面的显示要求。图2为内置T6963C的240*128点阵图形液晶模块原理图。

另外， ARM2210系统中配备了I2C器件ZLG7290以及16个按键。ZLG7290提供了I2C串行接口和按键中断信号，方便与处理器连接;并且能驱动8位共阴数码管或64只独立的LED和64个按键，8个功能键可检测任一键的连击次数。

本系统选用点像素为240*128点、黄绿显示的STN液晶屏YL240128A作为人机界面显示屏;用ARM2210系统16个按键中的S11、S12、S13作为输入部分，实现对人机界面的选择操作。

4 人机界面的软件设计

移动机器人人机界面的关键是菜单操作，以及图形和数据的实时显示。GUI是用于提高人机交互友好性、易操作性的计算机程序，它是建立在计算机图形学基础上的产物。人们不再需要死记硬背大量的命令，而是通过窗口、菜单方便地进行操作。由于嵌入式系统的资源有限，所以对GUI 的要求是可裁剪的，高速度的。ZLG/GUI 是由周立功公司开发的，占用资源小、使用方便的嵌入式系统简易的图形用户界面软件。ZLG/GUI 提供了最基本的画点、线、圆形、圆弧、椭圆形、矩形、正方形、填充等功能，较高级的接口功能有ASCII 显示、汉字显示、图标显示、窗口、菜单等，支持单色、灰度、伪彩、真彩等图形显示设备。因此，利用ZLG/GUI软件包能够满足对移动机器人人机界面的设计要求。

图2 内置T6963C的240*128点阵液晶模块原理图

4.1 数据传输

接收上位机PC104发送的数据时，使能UART0的FIFO进行数据发送/接收，接收采用中断处理方式。其中，UART0的串口模式和数据结构设置为：通信波特率9600，8位数据位，1位停止位,无奇偶校验。其主要程序如下：

/*定义串口模式及数据结构*/

typedef struct Uart0Mode

{ uint8 datb; // 字长度

uint8 stpb; // 停止位

uint8 parity; // 奇偶校验位

} UART0MODE;

/*初始化串口*/

uart0_set.datb= 8; // 8位数据位

uart0_set.stpb = 1; // 1位停止位

uart0_set.parity = 0; // 无奇偶校验UART0_Ini(9600, uart0_set); // 初始化串口模式

/*串口UART0接收中断*/

void __irq IRQ_UART0(void)

{ uint8 i;

if( 0x04==(U0IIR&0x0F) ) rcv_new = 1; // 置新数据标志

for(i=0; i<8; i++)

{ rcv_buf = U0RBR; // 读FIFO数据，清除中断标志}

VICVectAddr = 0x00; // 中断处理结束

}

4.2 窗口显示

人机界面主要是通过图标菜单实现移动机器人运动参数的显示，以及运动轨迹的相关操作，如"打开"、"暂停"、"关闭"等。因此，首先定义一个窗口的数据结构,并设置窗口的起始坐标、大小、标题等相关参数;然后调用GUI_WindowsDraw()输出显示窗口

/* 设置主窗口并显示输出 */

mainwindows.x = 0;

mainwindows.y = 0;

mainwindows.with = 240;

mainwindows.hight = 128;

mainwindows.title = (uint8 *) "Mobile Robot Interface";

mainwindows.state = NULL;

GUI_WindowsDraw(&mainwindows); // 绘制主窗口

图标菜单也需要定义相关的数据结构，其中图标数据和文字显示可以通过字模软件转化为数据。如对应"打开"图标转化为数据：

uint8 const menuico1[]={

0x00,0x70,0x00,0x1C,0x00,0x12,0x1C,0x1A,

0x17,0x0A,0x21,0xF1,0x20,0x1A,0x4F,0xFE,

0x58,0x02,0x50,0x02,0x60,0x06,0x60,0x04,

0x60,0x04,0x40,0x08,0x7F,0xF8,0x00,0x00,

}; /*;图标"打开";宽×高(像素) : 16×16*/

然后，将每一个图标菜单项的显示坐标地址、图标的数据指针、对应的服务函数等进行设置后，即可调用GUI_MenuIcoDraw()实现显示输出。

mainmenu[0].icodat = (uint8 *) menuico1;

mainmenu[0].title = (uint8 *) "open";

mainmenu[0].Function = (void(*)())Runopen;

另外，主程序需要先调用GUI_SetColor(1，0)函数来设置前景色及背景色。1表示点显示，0表示点灭。

4.3 图标菜单选择

界面中还需实现对图标菜单的选择操作。I2C器件ZLG7290提供了I2C接口功能和键盘中断信号。I2C总线是Philips推出的芯片间串行传输总线，它以2根连线实现了完善的全双工同步数据传送，可以方便的构成多机系统和外围器件扩展系统。I2C总线采用了器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法，从而使硬件系统具有最简单而灵活的扩展方法。I2C操作模式分为主模式I2C和从模式I2C，分别对应LPC2210作为主机和从机。

本文采用主模式I2C发送接收数据，从而控制三个按键S11、S12、S13的扫描并检测其连击次数。程序中先设置好默认菜单，再调用函数ZLG7290_GetKey()读取被按下的键值。ZLG7290_GetKey()函数通过调用IRcvStr (ZLG7290,1,&rece,1)，直接读取器件ZLG7290上的按键值。若S11被按下，表示指向上一个图标菜单;若S12被按下，表示选择当前的图标功能;若S13被按下，表示指向下一个图标菜单。

key = ZLG7290_GetKey();

if(key==KEY_OK) break; // 点击OK 键选择

if(key==KEY_NEXT)

{ mainmenu[select].state = 0; // 取消上一选择

GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);

select++; // 指向下一菜单

if(select>2) select=0;

mainmenu[select].state = 1;

GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);

}

if(key==KEY_BACK)

{ mainmenu[select].state = 0; // 取消上一选择

GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);

if(select==0) select=2;

else select--; // 指向下一菜单

mainmenu[select].state = 1;

GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);

4.4 移动机器人行使轨迹及相关参数显示

为了能实时更新显示数据及行使轨迹，PC104将移动机器人的速度，行驶方向，转角等信息转化为液晶屏上的坐标信息，并调用基本绘图函数GUI_Line(uint32 x0, uint32 y0, uint32 x1, uint32 y1, TCOLOR color)，画出当前行驶轨迹;同时，将新的速度值及与前方障碍物的距离值更新到相应位置。

4.5 人机界面显示效果

图3为人机界面实现效果图，整个显示窗口大小为240*128;图标菜单大小为16*16，共有六个图标;用户可以根据自己需要添加图标及对应功能。移动机器人行驶轨迹显示窗口大小为160*100;其他运动参数显示窗口大小为80*100，可以显示当前的速度、障碍物的距离和机器人旋转角度。图中小车位置表示轨迹的起点，左下角有坐标显示和比例尺1:500。

结语

随着嵌入式系统应用的飞速发展，人机交互系统的开发将更加广泛。本文阐述的基于ARM2210嵌入式系统的移动机器人人机界面的设计方法，这种方法设计简单，成本低，使操作者与机器人的交互更加友好。