基于嵌入式系統arm2210開發板的移動機器人人機界面設計

　　摘要： 移動機器人人機界面為移動機器人的運動控制提供直觀的路徑圖形、運動速度和角度、障礙物信息等。通過arm2210的串口uart0接收中心處理器pc104的運動信息，利用東芝公司的液晶控制器t6963c驅動stn液晶屏yl240128a，以及zlg/gui軟件包提供的基本繪圖和菜單操作函數設計了基于嵌入式系統arm2210開發板的移動機器人人機界面，并利用arm2210的i2c器件zlg7290提供的i2c接口功能和鍵盤中斷信號實現菜單選擇，具有很強的實用性。

　　引言

　　嵌入式系統以其高性能、低功耗、低成本的優點，已經在很大程度上改變了人們的生活。如，mp3播放器、智能手機、數碼相機產品等已經滲入人們生活的各個方面。隨著液晶顯示技術的不斷進步，以及圖形用戶界面gui (graphical user interface)技術的廣泛應用，人機界面也越來越友好。它能為移動機器人的運動控制提供直觀的路徑圖形、數據參數等。本文介紹了一種以嵌入式微處理器lpc2210為基礎，應用zlg/gui軟件包設計移動機器人人機界面的方法。

　　我們設計開發的智能移動機器人是一個以pc104嵌入式微機為中心處理器，tms320f2812為運動控制器，超聲波傳感器作為避障的集合環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多種功能于一體的綜合系統，主要包括運動系統、電子信息系統和傳感系統。它通過ccd攝像機和圖像采集卡獲得視頻信息，并通過超聲波傳感器組測得前方障礙物距離實現避障。移動機器人的人機界面主要向用戶展示移動機器人的運動信息，如當前的運動速度、與前方障礙物的距離以及行駛的軌跡。

　　圖1 arm2210的系統框圖

　　arm221o的基本組成

　　arm221o以philips公司arm7tdmi-s微控制器lpc2210為核心，以支持實時仿真和嵌入式跟蹤的嵌入式系統。lpc2210的cpu頻率最大為60mhz，并且擴展了豐富的外圍設備接口，使系統穩定性大大提高，開發也更簡單。圖1是arm2210的系統框圖。

　　由于該系統包含了rs232轉換電路，可通過uart0與上位機pc104進行數據傳輸，同時還包括東芝公司的點陣式液晶控制器t6963c，擴展了液晶接口，同時提供了led數碼管顯示和16個按鍵輸入，因此開發人機界面非常方便。

　　人機界面的硬件設計

　　數據傳輸

　　pc104的串行口可以作為標準pc的coml通信口或擴展為控制臺串行口，用于鍵盤輸入和顯示終端輸出或計算機之間的串行輸入/輸出口。

　　arm2210的uart0具有16字節接收和發送fifo；寄存器位置符合550工業標準；接收器fifo觸發點可為1, 4, 8和14字節 ；內置波特率發生器 。

　　移動機器人的運動信息通過ti公司dsp控制器tms320f2812以及超聲波傳感器等傳送至嵌入式微機pc104，再經過pc104作信息融合后，通過串口傳給arm2210并由液晶屏顯示。

　　液晶顯示及菜單選擇

　　東芝公司的液晶控制器t6963c具有獨特的硬件初始化設置功能，最大驅動點陣液晶為單色640*128(單屏)，支持圖形和文本單獨顯示和混合顯示，并具有字符發生器，能滿足對移動機器人人機界面的顯示要求。圖2為內置t6963c的240*128點陣圖形液晶模塊原理圖。

　　另外， arm2210系統中配備了i2c器件zlg7290以及16個按鍵。zlg7290提供了i2c串行接口和按鍵中斷信號，方便與處理器連接；并且能驅動8位共陰數碼管或64只獨立的led和64個按鍵，8個功能鍵可檢測任一鍵的連擊次數。

　　本系統選用點像素為240*128點、黃綠顯示的stn液晶屏yl240128a作為人機界面顯示屏；用arm2210系統16個按鍵中的s11、s12、s13作為輸入部分，實現對人機界面的選擇操作。

　　人機界面的軟件設計

　　移動機器人人機界面的關鍵是菜單操作，以及圖形和數據的實時顯示。gui是用于提高人機交互友好性、易操作性的計算機程序，它是建立在計算機圖形學基礎上的產物。人們不再需要死記硬背大量的命令，而是通過窗口、菜單方便地進行操作。由于嵌入式系統的資源有限，所以對gui 的要求是可裁剪的，高速度的。zlg/gui 是由周立功公司開發的，占用資源小、使用方便的嵌入式系統簡易的圖形用戶界面軟件。zlg/gui 提供了最基本的畫點、線、圓形、圓弧、橢圓形、矩形、正方形、填充等功能，較高級的接口功能有ascii 顯示、漢字顯示、圖標顯示、窗口、菜單等，支持單色、灰度、偽彩、真彩等圖形顯示設備。因此，利用zlg/gui軟件包能夠滿足對移動機器人人機界面的設計要求。

　　圖2 內置t6963c的240*128點陣液晶模塊原理圖

　　數據傳輸

　　接收上位機pc104發送的數據時，使能uart0的fifo進行數據發送/接收，接收采用中斷處理方式。其中，uart0的串口模式和數據結構設置為：通信波特率9600，8位數據位，1位停止位,無奇偶校驗。其主要程序如下：

　　/*定義串口模式及數據結構*/

　　typedef struct uart0mode

　　{ uint8 datb; // 字長度

　　uint8 stpb; // 停止位

　　uint8 parity; // 奇偶校驗位

　　} uart0mode;

　　/*初始化串口*/

　　uart0_set.datb= 8; // 8位數據位

　　uart0_set.stpb = 1; // 1位停止位

　　uart0_set.parity = 0; // 無奇偶校驗uart0_ini(9600, uart0_set); // 初始化串口模式

　　/*串口uart0接收中斷*/

　　void __irq irq_uart0(void)

　　{ uint8 i;

　　if( 0x04==(u0iir0x0f) ) rcv_new = 1; // 置新數據標志

　　for(i=0; i8; i++)

　　{ rcv_buf[i] = u0rbr; // 讀fifo數據，清除中斷標志}

　　vicvectaddr = 0x00; // 中斷處理結束

　　}

　　窗口顯示

　　人機界面主要是通過圖標菜單實現移動機器人運動參數的顯示，以及運動軌跡的相關操作，如"打開"、"暫停"、"關閉"等。因此，首先定義一個窗口的數據結構,并設置窗口的起始坐標、大小、標題等相關參數；然后調用gui_windowsdraw()輸出顯示窗口

　　/* 設置主窗口并顯示輸出 */

　　mainwindows.x = 0;

　　mainwindows.y = 0;

　　mainwindows.with = 240;

　　mainwindows.hight = 128;

　　mainwindows.title = (uint8 *) "mobile robot interface";

　　mainwindows.state = null;

　　gui_windowsdraw(mainwindows); // 繪制主窗口

　　圖標菜單也需要定義相關的數據結構，其中圖標數據和文字顯示可以通過字模軟件轉化為數據。如對應"打開"圖標轉化為數據：

　　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,

　　}; /*；圖標"打開"；寬高(像素) : 1616*/

　　然后，將每一個圖標菜單項的顯示坐標地址、圖標的數據指針、對應的服務函數等進行設置后，即可調用gui_menuicodraw()實現顯示輸出。

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

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

　　mainmenu[0].function = (void(*)())runopen;

　　另外，主程序需要先調用gui_setcolor(1，0)函數來設置前景色及背景色。1表示點顯示，0表示點滅。

　　圖標菜單選擇

　　界面中還需實現對圖標菜單的選擇操作。i2c器件zlg7290提供了i2c接口功能和鍵盤中斷信號。i2c總線是philips推出的芯片間串行傳輸總線，它以2根連線實現了完善的全雙工同步數據傳送，可以方便的構成多機系統和外圍器件擴展系統。i2c總線采用了器件地址的硬件設置方法，通過軟件尋址完全避免了器件的片選線尋址方法，從而使硬件系統具有最簡單而靈活的擴展方法。i2c操作模式分為主模式i2c和從模式i2c，分別對應lpc2210作為主機和從機。

　　本文采用主模式i2c發送接收數據，從而控制三個按鍵s11、s12、s13的掃描并檢測其連擊次數。程序中先設置好默認菜單，再調用函數zlg7290_getkey()讀取被按下的鍵值。zlg7290_getkey()函數通過調用ircvstr (zlg7290,1,rece,1)，直接讀取器件zlg7290上的按鍵值。若s11被按下，表示指向上一個圖標菜單；若s12被按下，表示選