基于PC104的能移動機器人人機界面設計 - 全文

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。

????? 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。

????? 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。
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????? 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。
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????? 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。

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);? // 初始化模?????

????? /*串口UART0接收中斷*/
????? void?? __irq IRQ_UART0(void)
????? {? uint8? i;
????? if( 0x04==(U0IIR&0x0F) ) rcv_new = 1; // 置新數據標志
????? for(i=0; i<8; 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) : 16×16*/

????? 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，表示選擇當前的圖標功能；若S13被按下，表示指向下一個圖標菜單。

????? key = ZLG7290_GetKey();
????? if(key==KEY_OK) break; // 點擊OK 鍵選擇
????? if(key==KEY_NEXT)
????? { mainmenu[select].state = 0; // 取消上一選擇
????? GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);
????? select++; // 指向下一菜單
????? if(select>2) select=0;
????? mainmenu[select].state = 1;
????? GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);
????? }
????? if(key==KEY_BACK)
????? { mainmenu[select].state = 0; // 取消上一選擇
????? GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);
????? if(select==0) select=2;
????? else select--; // 指向下一菜單
????? mainmenu[select].state = 1;
????? GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);

????? 移動機器人行使軌跡及相關參數顯示

????? 為了能實時更新顯示數據及行使軌跡，PC104將移動機器人的速度，行駛方向，轉角等信息轉化為液晶屏上的坐標信息，并調用基本繪圖函數GUI_Line(uint32 x0, uint32 y0, uint32 x1, uint32 y1, TCOLOR color)，畫出當前行駛軌跡；同時，將新的速度值及與前方障礙物的距離值更新到相應位置。

????? 人機界面顯示效果

????? 圖3為人機界面實現效果圖，整個顯示窗口大小為240*128；圖標菜單大小為16*16，共有六個圖標；用戶可以根據自己需要添加圖標及對應功能。移動機器人行駛軌跡顯示窗口大小為160*100；其他運動參數顯示窗口大小為80*100，可以顯示當前的速度、障礙物的距離和機器人旋轉角度。圖中小車位置表示軌跡的起點，左下角有坐標顯示和比例尺1:500。