基于单片机开发的可定制人机交互界面

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，界面系统示意图如图1所示。

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。

系统的硬件电路原理如图2所示。

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128×64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。

系统的程序流程如图3所示。

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，最终构成图4所示的链表网络示意图。

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)+END②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)+END②按键确认：STA+type(2)+END③按键确认并返回修改后的变量信息：STA+type(3)+content(内容)+END3.2.2 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。