智能儀器中一種菜單式人機(jī)界面的軟硬件設(shè)計(jì)

摘 要： 由點(diǎn)陣式液晶顯示器和旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)關(guān)構(gòu)成的智能儀器的人機(jī)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(kāi)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(jiǎn)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(xiàn)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(jí)時(shí)功能軟件的增加或變換。在由上位機(jī)與之組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，操作命令下傳后的任務(wù)執(zhí)行程序也是及其簡(jiǎn)單的。

帶有微處理器的儀器的操作曾經(jīng)是通過(guò)儀器面板上眾多的功能鍵和數(shù)字鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的，程序用查詢(xún)的方法掃描鍵盤(pán)或響應(yīng)鍵盤(pán)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(shuō)明書(shū)來(lái)熟悉、來(lái)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(diǎn)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(guò)液晶屏上的菜單選項(xiàng)，用面板上三四個(gè)按鍵或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)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(jī)交互。該類(lèi)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(diǎn)，用后臺(tái)大量的編程工作換取了前臺(tái)儀器操作的極其簡(jiǎn)單和方便。本文從軟硬件設(shè)計(jì)的角度，討論智能儀器中菜單式交互界面形成的原理和實(shí)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(jī)交互的指令輸入部件可用按鍵或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)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(lái)在液晶顯示屏上移動(dòng)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(xiàng)時(shí)的光標(biāo)移動(dòng)，以及在設(shè)定數(shù)值時(shí)對(duì)數(shù)值大小的增減;確認(rèn)鍵用于對(duì)選中的選項(xiàng)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(kāi)關(guān)來(lái)替代。旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)關(guān)的功能類(lèi)似計(jì)算機(jī)上使用的鼠標(biāo)，它有3 種操作：左旋右旋和按下選定, 可對(duì)應(yīng)著按鍵輸入時(shí)的增鍵、減鍵和確認(rèn)鍵。

圖2 是光電編碼開(kāi)關(guān)的外形圖、電原理圖、輸出信號(hào)真值表和波形圖。該開(kāi)關(guān)壓下時(shí)②和③短路輸出，旋轉(zhuǎn)時(shí)，由把柄帶動(dòng)穿孔圓盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。開(kāi)關(guān)內(nèi)有2 個(gè)發(fā)光二極管、2 個(gè)光敏三極管和1 個(gè)穿孔圓盤(pán)，圓盤(pán)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(hào)輸出A和輸出B.旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)穿孔圓盤(pán)上的某個(gè)圓孔正對(duì)著發(fā)光二極管時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光通過(guò)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(hào);當(dāng)圓盤(pán)上的所有圓孔都錯(cuò)開(kāi)發(fā)光二極管時(shí)，光敏三極管因收不到光信號(hào)而截止，輸出高電平信號(hào)。

圖2 光電編碼開(kāi)關(guān)

由圖2 (c) 真值表可見(jiàn)，其實(shí)輸出B和輸出A的編碼對(duì)應(yīng)著2 位循環(huán)碼(格雷碼) ,循環(huán)碼的特點(diǎn)是由一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)變到下一個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)的過(guò)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(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)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(huì)產(chǎn)生中斷事件的競(jìng)爭(zhēng)。但循環(huán)碼不能用二進(jìn)制計(jì)算來(lái)判別大小和順序，所以要判別光電編碼開(kāi)關(guān)是左旋還是右旋時(shí)，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(diǎn)。

現(xiàn)在很多單片微控制器的I/ O 口線(xiàn)都帶有鍵盤(pán)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(kāi)關(guān)，可通過(guò)上拉電阻的形式直接接到這些I/ O 口線(xiàn)上。有操作信號(hào)時(shí)，口線(xiàn)的電平改變會(huì)引起鍵盤(pán)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(xiàn)或外中斷口線(xiàn)緊張的情況下，可以如圖3 所示，通過(guò)I2 C 總線(xiàn)外擴(kuò)一片串行變并行的PCF8574 芯片，芯片P0~ P7 的8根口線(xiàn)可用作輸入或輸出;用作輸入時(shí)，口線(xiàn)電平的變化會(huì)引起芯片13 腳電平變低向微處理器申請(qǐng)中斷。圖3 中RL K 是旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)關(guān)，它的輸出A輸出B和按下開(kāi)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(yàn)儀中，PCF8574 的P0~P3 被用作輸出，經(jīng)接插件J9 ,通過(guò)光耦去驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)電壓量程切換的繼電器。

圖3 節(jié)省I/ O 口線(xiàn)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(xiàn)的大屏幕點(diǎn)陣式液晶顯示器。

帶有驅(qū)動(dòng)控制器的點(diǎn)陣式LCD 液晶屏與微處理器的接口信號(hào)線(xiàn)除了8 位數(shù)據(jù)線(xiàn)外，一般還帶有讀有效線(xiàn)

、寫(xiě)有效線(xiàn)

及地址譯碼的片選線(xiàn)

,所以對(duì)它的連接和讀寫(xiě)操作，可看作是對(duì)微處理器片外的RAM 單元的連接和讀寫(xiě)操作。讀寫(xiě)操作中，不同的驅(qū)動(dòng)控制器具有不同的指令格式，如常用于驅(qū)動(dòng)320 ×240 點(diǎn)陣式液晶顯示屏的SED1335 液晶驅(qū)動(dòng)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(jí)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，為便于敘述，以三級(jí)任務(wù)菜單為例，將作業(yè)分為主任務(wù)(用大寫(xiě)字母A 、B、C 等表示) 、子任務(wù)(用小寫(xiě)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(hào)：win1 、win2 、win3 ??.圖中win1 為主屏菜單，提供了主任務(wù)A、B 和C 3 個(gè)選項(xiàng);win2 、win3 、win4 為第一級(jí)子菜單，為每項(xiàng)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(xiàng)) ;win5 、win6和win7 是第二級(jí)子菜單，為第一級(jí)子菜單中的子任務(wù)提供下一級(jí)支任務(wù)(如win5 屏為win2 中的子任務(wù)選項(xiàng)A2a 提供A2a21 、A2a22 和A2a23 的支任務(wù)選項(xiàng)) ;各級(jí)子菜單中均有返回的選項(xiàng)，選擇執(zhí)行后返回上一級(jí)菜單。圖4 中的選項(xiàng)標(biāo)志用■和□來(lái)指示， ■表示該項(xiàng)選中，選項(xiàng)的變動(dòng)由增鍵和減鍵(或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)關(guān)的左旋和右旋) 來(lái)完成，選項(xiàng)的執(zhí)行由確認(rèn)鍵(或旋轉(zhuǎn)式光電編碼開(kāi)關(guān)的按下選定) 來(lái)完成，根據(jù)■所在的位置，選項(xiàng)號(hào)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(cè)量值顯示，也可以是某參數(shù)的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)顯示，可以是歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，等等。這些界面的返回功能在作業(yè)完成后自動(dòng)進(jìn)行，或默認(rèn)按確認(rèn)鍵返回。