P89C51RD2的可定制人機交互界面設計

　　引 言

　　隨著社會需要和科學技術的發展，產品的競爭愈來愈激烈，更新的周期愈來愈短，因而要求設計者能很快地設計出新產品；而在產品的整體設計中，人機交互界面的設計往往占據著很大一部分工作，這樣，不但極大地增加了產品的開發成本而且延長了產品的上市周期。本文論述的基于P89C51RD2的人機交互界面是一種界面可定制、結構緊湊、價格低廉、簡單易用、性能優良的通用型人機交互界面，能很好地解決上述問題。

　　1 系統工作原理

　　1.1 工作原理

　　按照實際應用中控制系統的需要及控制系統與人機交互界面的約定，通過PC機上的可視化人機界面定制軟件，定制好整個界面信息，再把定制好的界面信息下載到人機交互界面系統中，就可以輕松地實現人機界面的定制。在應用中，人機交互界面通過串行接口與控制系統進行交互，發送按鍵等信息給控制系統，并接收所需的可變信息，以完成人機交互。

　　現以空壓機控制器的部分人機界面為例來說明相關概念，界面系統示意圖如圖1所示。相關概念說明如下：

　　①屏幕，即LCD顯示區，由一個或多個屏幕項組成；

　　②屏幕項，即屏幕里面的按其顯示內容的性質差異來劃分的一個個整體單元，如文本屏幕項等；

　　③屏幕項的分類，按其顯示內容的性質差異分為文本、整型、浮點型、枚舉型、圖形等。

　　整個人機界面系統由一個個存在鏈接關系的屏幕構成，而每個屏幕又由一個或多個屏幕項組成。各屏幕項有其自身的屬性，也存在著某些相互的鏈接關系(例如，由某個屏幕項鏈接到另外一個屏)。這樣，通過對各屏幕項的合理組織而構成一個鏈表網絡，再通過對此鏈表網絡的操作來實現人機界面的操作，即屏幕的顯示操作。

　　1.2 系統的工作過程

　　系統的軟件部分由用戶引導程序和應用程序組成。系統運行后，由用戶引導程序決定是執行界面信息的更新還是正常運行。若執行界面信息的更新，則系統通過串行接口從上位機接收界面定制信息，并通過在應用編程(IAP)功能保存所接收的信息，然后通過本地讀取新的界面定制信息建立鏈表網絡；若正常運行，則直接從本地讀取舊的界面定制信息建立鏈表網絡。應用程序實現的功能包括按鍵的輸入、界面的顯示及與控制系統的通信。

　　2 系統硬件設計及電路原理圖

　　本系統采用Philips公司功能強大、資源豐富的P89C51RD2單片機作為微控制器，通過擴展液晶模塊及按鍵模塊來構成人機交互界面。系統的硬件電路原理如圖2所示。

　　2.1 P89C51RD2單片機簡介

　　P89C51RD2是Philips公司內核基于8位80C51單片機的派生產品，在完全保留80C51指令系統和硬件結構的大框架下，進行了多方面的加強、擴展和創新。P89C51RD2具有64 KB并行可編程的非易失性Flash程序存儲器，并可實現對器件串行在系統編程和在應用中編程。

　　2.2 液晶顯示模塊

　　本系統采用的是OCM12864圖形點陣液晶顯示模塊。OCM12864液晶顯示模塊是128×64點陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，可與CPU直接相連；具有8位標準數據總線、6條控制線及電源線。

　　2.3 按鍵輸入模塊

　　根據系統的需要，系統至少需要設定如下6個屏幕操作按鍵：左、右、上、下、換屏、確定按鍵。其中，左、右鍵用于切換屏幕項；上、下鍵用于修改可變屏幕項；確定鍵用于產生所選屏幕項對應的功能動作；換屏鍵用于進入所選中項的鏈接屏幕，若當前屏幕沒有選中項，則進入首項鏈接的屏幕。當然，可以根據需要擴充數字按鍵及功能按鍵。

　　本系統采用普通的矩陣式按鍵結構，也稱“行列式鍵盤結構”。系統中設計4行4列共16個鍵，只占用8根I／O口線，鍵數多而占用I／O口線少。除上述6個屏幕操作按鍵外，余下的10個鍵可由用戶根據需要定制功能，如數字鍵或功能鍵。

　　3 系統軟件設計

　　由于系統的功能實現不是特別復雜，故采用基于前后臺的傳統的控制程序設計方法。系統的程序流程如圖3所示。

　　3.1 用戶引導程序設計

　　由系統的程序流程可知，用戶引導程序在系統上電后執行。首先它檢查是否需要下載定制界面信息，當檢查到需要下載時，便接收主機經串口傳來的定制界面數據，啟動IAP功能，對Flash進行操作，把接收到的數據存入預定的位置。接著進入界面系統構建階段。若沒有下載請求，就直接進入界面系統構建階段。

　　在界面系統構建階段，通過讀取預定位置處的信息，建立一個鏈表風格。基于這個鏈表網絡的操作也就是苦于界面系統的操作。

　　3.1.1 相關設定

　　屏幕項組成：顯示信息（如顯示位置、類型、內容等）和鏈接信息（此項所鏈接的屏等）。綜合各方面的需要，設定主要相關數據結構如下：

　　其中，back、ahead用于構建屏幕項的雙向循環鏈表；next用于構建鏈接屏的單向循環鏈表；init用于原始的屏與屏的鏈接。

　　3.1.2 鏈表網絡構成

　　同一屏幕的項構成雙向循環鏈表、鏈接屏幕構成單向循環鏈表。實現方法：先以屏為單位建立每屏的橫向雙向循環鏈表；再遍歷各屏的雙向鏈表，為各屏的項建立鏈接關系，進而構成一個鏈表網絡。如界面系統示意圖(圖1)所示，功能選擇、維護信息、故障記錄、用戶設定、廠家設定5個屏幕項構成1個屏的橫向雙向鏈表，而以維護信息、濾清器使用時間、分離器使用時間3項所在的屏構成鏈接屏的單向循環鏈表，最終構成圖4所示的鏈表網絡示意圖。

　　下面介紹具體實現步驟。

　　(1)屏幕項的橫向雙向循環鏈表構建

　　因從PC機下載到人機界面的定制界面信息是按如下格式保存在預定Flash中的(其中，各屏之間以SCREEN_END字符常量為分界)，故在構建項的橫向雙向鏈表時，先從預定的位置逐一讀取項的信息并填充到項的結構中，最后插入到雙向鏈表中。

　　格式說明：STA代表起始符、END代表結束符、L代表本幀數據的字節長度、x／y／LinkNo／SreenNo／Item_ID／Select／type見data_t結構中的說明。

　　①文本項格式：STA+L+x，y，LinkNo，ScreenNo，Item_ID，Select，type(1)，string(文本內容)+END。

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

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

　　相關函數：int add_item_node(link_t pNode，data_te)；把項節點插入到橫向雙向鏈表中。

　　(2)鏈接屏的單向循環鏈表構建

　　遍歷已生成的各屏的雙向鏈表，為各屏的項建立鏈接關系，進而構成一個鏈表網絡。

　　相關函數：int create_net(link_t head)；遍歷各屏的雙向鏈表，建立鏈表網絡。

　　3.2 應用程序設計

　　應用程序負責完成按鍵的掃描及處理、界面的顯示、與控制系統的通信。

　　由系統的流程框圖可知，構建好鏈表網絡后就進入應用程序階段，即系統進入正常運行狀態。通過系統中設定當前屏指針、當前項指針及已構建的鏈表網絡等來實現人機交互界面的操作。

　　3.2.1 人機界面與控制系統的通信格式

　　格式說明：STA代表起始符，END代表結束符，type代表類型。

　　(1)人機界面→控制系統

　　①索取變量信息：STA+type(1)+Item_ID(項的ID)+END

　　②按鍵：STA+type(2)+按鍵個數+鍵值1(，鍵值2，…)十Item_ID(項的ID)+END

　　說明：通信格式②中的Item_ID可以為0。

　　當為0時，表示當前無選中項或功能按鍵。

　　(2)控制系統→人機界面

　　①返回變量信息：STA+type(1)+Item_ID(項的ID)+content(內容)+END

　　②按鍵確認：STA+type(2)+END

　　③按鍵確認并返回修改后的變量信息：STA+type(3)+content(內容)+END

　　3.2.2 界面的顯示

　　通過遍歷當前屏幕的橫向雙向循環鏈表來逐一顯示屏幕項。其中對各類項的處理如下：

　　①當屏幕項是文本時，直接讀取并顯示。

　　②當屏幕項為整型、浮點時，通過向控制系統索取其值并顯示。

　　③當屏幕項為枚舉時，通過向控制系統索取其值，再按值讀取對應的字符串并顯示。

　　3.2.3 按鍵的處理

　　所有的按鍵都先發送到控制系統，并等待其確認。存在如下按鍵類型及相應的處理：

　　①當為功能鍵時，直接發送給控制系統，人機界面不做進一步處理。

　　②當為上、下鍵時，如果當前屏幕有選中項且是可變項時(如整型、浮點等)，則接收處理后的信息并顯示。

　　③當為左、右鍵時，如有可選項，則進行當前屏的屏幕項選擇或切換(通過操作橫向雙向循環鏈表來實現)。

　　④當為確定鍵時，如果當前屏幕有選中項，則啟用該項的功能(通過發送該鍵值及項的ID給控制系統)。

　　⑤當為換屏鍵時，如果當前屏幕有選中項并且此項有鏈接，則進入該項的鏈接屏幕；如果沒有選中項且屏幕的首項有鏈接，則進入此鏈接屏幕(通過操作鏈接屏的單向循環鏈表來實現)。

　　結 語

　　從數據結構的角度出發，綜合利用PC機、P89C51RD2的IAP等功能，并結合控制系統，巧妙地設計出一種通用型可定制的人機交互界面。使用這種人機交互界面，無論是新產品的開發還是產品的更新升級，都可以減少開發的工作量，縮短開發的時間，為產品贏得寶貴的上市時間，從而可以增強企業的競爭力，因此該系統具有十分廣闊的市場前景。

　　本設計創新點：

　　①使用P89C51RD2的IAP功能把定制好的界面信息存儲于Flash中，實現界面信息的更新。

　　②基于數據結構，提出了一種通過創建鏈表網絡來實現對定制好的界面進行動態組織，進而實現界面的可定制功能。該功能使人機交互界面的設計更加快捷，進而減少開發的工作量，縮短開發的時間。