第8章人机接口ppt课件.ppt

智能仪器原理与设计 第8章人机接口 第8章人机接口 8 1显示部件8 2微型打印机8 3键盘8 4监控程序设计 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 人机接口硬件 输出设备 电子系统向操作者发送信息 输入设备 操作者向电子系统发送信息 发光二极管 数码管 CRT 液晶屏 打印机和扬声器等 按钮 键盘 鼠标 触摸屏 话筒和摄像头等 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 8 1显示部件 8 1 1发光二极管 发光二极管 简称LED 属于半导体二极管中的一种 发光二极管与普通二极管一样 只有一个单向导电的PN结 不同的是这种二极管有正向电流通过时就发光 即能把电能转换成光能 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 上图为发光二极管的电路符号及外形 发光二极管具有体积小 工作电压低 工作电流小 发光均匀稳定 响应速度快以及寿命长等特点 发光二极管被广泛用于种电子仪器和电子设备中 可作为电源指示灯 电平指示或微光源之用 红外发光管常被用于电视机 录像机等的遥控器中 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 发光二极管的特性参数 允许功耗Pm 允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值 超过此值 LED发热 损坏 最大正向直流电流 允许加的最大的正向直流电流 一般为2mA 20mA 最大反向电压 所允许加的最大反向电压 超过此值 发光二极管可能被击穿损坏 工作环境 发光二极管可正常工作的温度范围 超出此范围 发光二极管将不能正常工作 效率大大降低 正向工作电流 它是指发光二极管正常发光时的正向电流值 一般为5mA 10mA 正向工作电压VF 参数表中给出的工作电压是在给定正向电流下得到的 其正向工作电压一般为1 4 3V 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 发光二极管的分类 按发光颜色分 可分成红色 橙色 绿色 蓝色等 有的发光二极管内包含二种或三种颜色的芯片 根据出光处掺或不掺散射剂 有色还是无色分可分成有色透明 无色透明 有色散射和无色散射四种 按出光面特征分 可分为圆灯 方灯 矩形 面发光管 侧向管等 按结构分 可分为全环氧包封 金属底座环氧封装 陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构 按发光强度和工作电流分 有普通亮度LED 发光强度100mcd 高亮度发光二极管 发光强度在10 100mcd间 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 发光二极管的选用由于发光二极管的颜色 尺寸 形状 发光强度及透明情况等不同 所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择 使用时 应保证发光二极管不超过最大正向电流 最大反向电压的限制 为安全起见 串接一个限流电阻 实际最大正向电流取10mA以下 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 4 发光二极管的驱动电路如图8 1所示 驱动端口P1 7输出低电平时LED亮 高电平时LED灭 限流电阻R的阻值由试验决定 在保证亮度的前提下取大一些 通常为150 1K LED的驱动程序设计 首先定义驱动端口和设备运行标志 经简单处理后将指令输出到驱动端即可 LED的闪烁是通过使用时钟系统的信息来实现的 首先从时钟单元中取0 01s单元数据 在1s之内 时钟单元的内容从00H变化到99H 其ACC 6位有一次从0到1的变化 用它来控制LED 就可以产生每秒闪烁一次的效果 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 8 1 2数码管数码管亦称LED显示器 通过发光二极管芯片的适当连接 包括串联和并联 和适当的光学结构 可构成发光显示器的发光段或发光点 由这些发光段或发光点即组成数码管 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 基本的数码管是由七个条状发光二极管芯片加上小数点按一定方式排列而成的 可实现0 9的显示 其具体结构如下左图所示 右图为显示的具体字形 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 数码管有共阴极和共阳极两种类型 公共端用来进行位控制 笔画端用来进行字符控制 在不同的笔型码驱动下显示不同的字符 共阳方式是笔画显示器各段发光二极管的阳极 即P区 是公共的 而阴极互相隔离 共阴方式是笔画显示器各段发光二极管的阴极 即N区 是公共的 而阳极互相隔离 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 共阳极 共阴极数码管的电路图 第三章数字输出电路中对LED的驱动是 现在已有专用数码管驱动芯片 比如MAX7219 MAX7219是一个高性能的多位LED显示驱动器 可同时驱动8位共阴极LED或64个独立的LED 主要包括移位寄存器 控制寄存器 译码器 数位与段驱动器以及亮度调节和多路扫描电路等 MAX7219采用串行接口方式 只需LOAD DIN CLK三个管脚便可实现数据传送 DIN管脚上的16位串行数据包不受LOAD状态的影响 在每个CLK的上升沿被移入到内部16位移位寄存器中 然后 在LOAD的上升沿数据被锁存到数字或控制寄存器中 LOAD必须在第16个时钟上降沿或之后 但在下一个时钟上升沿之前变高 否则数据将会丢失 DIN端的数据通过移位寄存器传送 并在16 5个时钟周期后出现在DOUT端 随CLK的下降沿输出 管脚配置 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 5位LED数码管的串行驱动电路设计 书中图8 2就是5位LED数码管的串行驱动电路 单片机通过P3 0和P3 1端口来驱动5段数码管的 74LS164是串行输入并行输出移位寄存器 起数据缓冲作用 用来存放5位显示内容 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 图8 25位LED数码管的串行驱动电路 74LS164串行输入并行输出移位寄存器引脚功能及逻辑图 LED显示中的几个问题 为了控制小数点的显示 在笔型码设计时 暂不考虑小数点而另外开辟一个小数点控制单元XSDS 对共阳数码管 应将其取 反 后拼入笔型码中 为方便讨论 我们假设各位具有相同的笔型码 且小数点均安排在笔型码的D3位 当显示内容为0FH时 对应的笔型码为0FFH 使对应数码管熄灭 见书上相关程序 一 小数点显示 整数高位灭零显示处理规则 整数部分从高位到低位的连续零均不显示 从遇到的第一个非零数值开始均要显示 但从个位开始必须显示见书上相关程序 二 整数高位灭零控制 三 闪烁控制 闪烁显示方式有两种 一种是全闪 即整个内容行闪烁 多用于进行异常状态的提示 另一种是单字闪烁 多用于进行定位指示 进行闪烁处理的基本方法是 一段时间正常显示 一段时间熄灭显示 互相交替就产生了闪烁效果 一般每秒闪烁1 2次 闪烁速度可以用系统时钟来控制 全闪和单字闪的主要区别就是单字闪要提供定位信息 即那一个字闪烁 见书上相关程序 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 8 1 3液晶显示屏 液晶显示器简称LCD LiquidCrystalDisplay 它是将液晶材料夹在2片具有导电性电极的玻璃板之间组成的 它的工作原理是利用液晶材料在控制信号电场作用下会改变分子排列从而产生光的散射或偏光作用来现显示目的 液晶显示器有很多种 比如液晶显示屏 液晶数码管等 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 传统的台式计算机的显示器是CRT CathodeRayTube 阴极射线管显示器 其工作原理是以阴极射线管为基础 采用光栅扫描技术 利用高速电子束不断扫描显示器的荧光屏来实现屏幕上的字符和图形的显示 CRT显示器的工作过程 CPU把要显示的内容存入显示缓冲存储器 在CRT控制器作用下不断从缓冲存储器中读出已存入的信息 通过字符发生器转换成 点阵代码 经移位寄存器变成串行打点信号 并与水平同步信号 垂直同步信号 消隐信号复合在一起 形成全电视信号 送往显示器 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 液晶显示器是一种功耗极低的被动式显示器件 相对数码管显示其最大优点为 既可以显示数据 也可以显示文字和图形 相对于CRT显示器的优点在于工作电流比低 尺寸小 厚度薄 视觉舒服 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 液晶显示屏有智能型和普通型两种 智能型液晶显示屏具有一套类似于绘图仪和打印机的接口命令 显示内容的文字部分以文本形式输入显示屏即可 其中汉字以区位码方式传送 并且可以设置字体大小 显示位置等 显示内容的图形部分直接用绘图命令输入 可以指明图形类型和各种坐标参数 用户编程非常简单 普通型液晶显示屏由用户编程来实现全部显示功能 用户编程任务大 但价格比智能型液晶显示屏要低很多 显示缓冲区分为文本显示缓冲区与图形显示缓冲区 对于ASC字符 传送到文本到显示缓冲区 对于图形 以点阵模式传送到图形显示缓冲区 对应显示内容 液晶显示屏有文本显示模式 图形显示模式和图文混合显示模式3种显示模式 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 1 图文混合显示的基本原理 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 液晶显示屏的功能相当于普通计算机中显卡 监视器的功能 工作过程如下 首先 在片外RAM中开辟一块映像缓冲区 在其中完成文本显示和图形绘制过程 然后 CPU通过专用命令将映像缓冲区中的制作好的显示内容进行高效的数据批量传送 将映像缓冲区的内容复制到液晶显示屏内部的显示缓冲区中 最后 由显示屏内部的扫描与驱动部件完成显示任务 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 2 字符的显示 以160 128点阵显示屏为例 每字符点阵为8 8点 故全屏可显示20 16 320个字符 则文本缓冲区存储量最少也要不320个字节 对应的片外RAM的大小也至少要大于320字节 则映像缓冲区内文本显示过程程序设计步骤如下 1 清屏操作 初始化映象缓冲区 将原有内容清除 主要指令 CLR INC DJNZ 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 2 显示字符串 从屏幕指定的位置开始显示指定的字符串 显示位置由两个坐标参数决定 可用TX表示列 取值范围为0 TXMAX 1 纵坐标TY表示行 取值范围0 MAX 1 主要指令 DATA DB LCCALL 输出字符串的方法是 先设定显示字符串的起始坐标 然后调用字符串输出程序 并将字符串的内容以 DB 形式附在调用语句后面 以0表示字符串结束 该字符串的起始地址将被调用 子程序语句作为返回地址压入堆栈 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 3 显示数据 从屏幕指定的位置开始按指定的格式显示指定的数据 需要显示的数据必须进行一些预处理 将浮点数转换成为十进制数 并按预定的格式存放到工作寄存器中 应对于同一类数据编制一个子程序来进行预处理 就可以调用输出数据的子程序了 主要指令 ANL JB SJMP 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 3 图形的显示 在图形模式下 该液晶显示屏可以显示160X128个点 每一行的160个点对应缓冲区中的20字节 在一字节的8个位里 1对应一个显示出来的点 0对应一个不显示的点 且高位对应左边的点 低位对应右边的点 整个屏幕有128行 故图形显示缓冲区共有128X20 2560字节 则图形显示的软件设计重点如下 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 1 清屏操作 初始化映象缓冲区 将原有画面内容清除 软件和字符显示程序一致 2 画点子程序 画点是做图的基础 斜线 函数曲线和实时测控系统中系统参数的动态变化曲线都是用的画点方法来显示的 首先 根据给定点位置坐标参数计算出对应图形缓冲区中的哪一个字节里的哪一位 然后 将这一位置1完成了画一点的任务 假如画曲线 只要依次计算出各个点坐标 就可通过不断调用画点子程序将曲线画出来 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 画点时有两点注意 1 坐标问题 有的显示屏坐标原点定义在屏左上角 y轴朝下 在实际作图时如按习惯将坐标原点选定在左下角 且y轴朝上 则需进行坐标变换 y YMAX y 1 式中y 为习惯坐标值 2 计算坐标值的超范围问题 在曲线坐标计算算法中 必须进行计算结果的检查 使坐标值始终落在规定范围之内 如果超出范围 要进行保底或封顶处理 否则将把点画到屏幕外面去 破坏了图形映像缓冲区之外的RAM中数据 这是非常危险的 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 3 画水平线 主要考虑画线效率问题 提高效率思路 水平线主要用来画表格横线和坐标轴 其长度远大于8个点 一定有若干个字节被完整占用 可以用 对整个字节赋值0FFH来完成一次画8个点的工作 高效率画法 水平线由起点坐标和长度两个因数决定 将水平线起点坐标设置为8的整数倍 X 8 并将其长度 点数 也设置为8的整数倍 这时 整条水平线将由图形缓冲区中若干连续字节组成 所有操作将完全以字节为单位进行 效率达到最高 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 3 画垂直线 采用连续画点方法 由于水平方向8位构成一字节 而垂直方向不形成字节方式 故画垂直线时一般采用连续画点方案 由于各点X坐标相同 其画点所需操作码也必然相同 故只要求出起点操作码 画其他点时可以直接使用指针指令完成垂直线画法 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 4汉字显示汉字显示是在图形模式下将汉字的点阵字模存放到图形映像缓冲区指定的区域之中 显示时直接调用就可以了 若所需汉字数目固定且有限 可以使用软件点阵字库 点阵字库中的字模数据可以从各种中文系统中获取 各个字库生成后 和程序一起编译 烧录到芯片的程序存储器里 若系统所需使用的汉字数目不固定 具有汉字输入功能 可以使用硬件点阵字库 专用字库芯片 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 液晶显示器件的使用注意事项 避免施加直流电压液晶显示器只能用交流电压驱动 长时间施加过大的直流成分 会发生电化学分解和电极老化 从而缩短液晶显示器的使用寿命 避免施加过大的压力液晶显示器的关键部位 是玻璃表面的定向层和其间定向排列的液晶层 如果在液晶显示器上施加压力 会使玻璃变形 定向排列变乱 甚至会造成玻璃板破碎 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 避免紫外线照射液晶及偏振片都是有机物 在紫外线照射下会产生光化学反映 在使用中应避免阳光直射 防止划伤 污染由于液晶显示器表面为塑料型偏振片 所以安装 使用中绝对避免硬物划伤 污染 在规定的温度范围内使用 超过一定温度范围液晶态会消失 注意防潮 潮湿的环境会造成玻璃表面导电 从而可能造成字段之间发生 串 扰显示 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 8 2微型打印机 智能仪器多配备体积小 功耗低 成本低的微型打印机 或提供标准打印接口和软件 供用户外接打印机 主要类型有GP 16 TP PP40B和PP40等 本节以GP 16微型打印机为例介绍硬件接口电路和驱动程序设计原理 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 8 2 1GP 16微型打印机的接口电路 GP 16智能微型打印机的技术特点 机芯 Model 150H型16行微型针式打印头 内部控制器为8051单片机 带锁存功能 通信 主机通过并行接口电路通信 发送命令和传输数据 控制打印机将字符串 数据或图形打印出来 打印模式 点阵式 驱动 垂直排列的钢针靠电磁铁的驱动进行打印动作 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 16个端口功能分别为 D0 D7 双向三态数据总线 是CPU和打印机之间命令 状态和数据信息的传输线 CS 设备选择线 低电平有效 RD WR 读 写控制线 低电子有效 BUSY 打印机 忙 信号线 高电平有效 低电平时可接收CPU的命令和数据 还可供CPU查询或向CPU申请中断信号 另外4端口分别为电源接口和接低端口 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 8 2 2GP 16微型打印机的使用 GP 16的打印命令占2字节 第1字节高4位为操作码 低4位为点行数n 第2字节为打印行数mm n m均为十六进制数 打印字符占据7个点行 n可用来选择行间距 打印命令高4位的十六进制数对应功能 8 空走纸 9 打印字符串 A 打印十六进制数 B 打印点阵图形 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 1 空走纸命令 8nmm 打印机接收到命令 8nmm 打印机开始空走8n mm点行 打印机空走结束 忙标志BUSY置位 忙标志BUSY清零 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 2 打印字符串命令 9nmm 打印机接收到命令 9nmm 接受主机写入的字符数据 打印完成 忙标志BUSY置位 忙标志BUSY清零 接受完一行数据后开始打印 若收到非法字符 则作空格处理 若收到换行 0AH 则作停机处理 打印完本行即停机 转入空闲状态 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 3 十六进制数据打印命令 Anmm 该命令直接打印数据 一行打印4字节数据 行首为相对地址 00H XXXXXXXX04H XXXXXXXX08H XXXXXXXX0CH XXXXXXXX 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 4 图形打印命令 Bnmm 接收到图形打印命令 Bnmm 和规定行数 打印完成 忙标志BUSY置位 忙标志BUSY清零 接受完一行图形数据后开始打印 再接受完一行图形数据后开始打印 继续循环 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 图形打印注意 a 因为图形数据量较大 通常需要在扩展RAM中进行预处理 按打印机的要求生成打式的点阵数据 然后打印输出 b 为了打印这个曲线图 命令码中的n应该等于8 否则图不能正常拼接 c 打印时首先传送打印命令0B803 然后分3次传送图形数据 每次传送96字节 d 注意检测 忙 信号 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 5 状态字与工作状态 状态作用 节省端口 不连接BUSY信号 状态字的最高位D7为 错误 位 GP 16接收到非法命令时 错误 位置1 接收到正确命令后 该位清零 状态字的最低位D0为 忙 位 当主机写入的命令或数B还没有处理完时 忙 位置1 不能接收新的命令或数据 空闲时 忙 位为0 可以接收新的命令或数据 上节内容的复习 1 图形显示时一般LCD和普通坐标有什么不同 如何实现坐标的变换 2 画水平直线时的高效率画法程序设计思路 3 GP 16打印机的技术特点 4 针式打印机的工作过程 5 简要说明GP 16打印机的4种打印命令操作码和操作功能 6 GP 16打印机的若一命令为 B803 则其含义是什么 在传送图形数据的规则是什么 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 编码键盘是较多按键 20个以上 和专用驱动芯片的组合 可以处理按键的抖动 连击等问题 直接输出按键的编码 无需系统软件的干预 通用计算机使用的标准键盘就是编码键盘 在智能仪器中 使用并行接口芯片8279或串行接口芯片HD7279均可以组成编码键盘 同时还可以兼顾数码管的显示驱动 其相关的接口电路和接口软件均可在所购买的芯片资料中得到 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 非编码键盘的接口电路设计根据需要自行决定 按键信息通过接口软件 一般自行设计 来获取 当按键的数目较少时 可采用图8 7 a 所示的独立式键盘 每个按键单独占有一个端口 将各个按键直接连接在单片机或其它接口芯片的端口和地之间 在按键没有按下时 端口为高电平 当某个按键按下时 对应端口就变成低电平 只要读取各个端口的信息就可以获各个按键的状态 其接口程序非常简单 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 当按键数目比较多时 为了减少所占用的端口 可将按键组成一个矩阵 如图8 7 b 示的16个按键只占用了8个端口 这种键盘称为矩阵式键盘 常用识别矩阵式非编码键盘按键的两种方法 扫描法和反转法 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 1 扫描法扫描法工作原理 首先定义所有行线固定为输出端口 并依次输出低电平 所有列线固定为输入端口 用来检测按键状态 当全部按键均松开时 从列线上检测不到行线输出的低电平 当某个按键按下时 只有在对应的行线输出低电平时才能在对应的列线端口检测到低电平 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 扫描法读键子程序设计的主要子程序 键盘扫描 键码初始化和参数设置程序KEYINS 一行扫描子程序KS1 换行子程序KS2 取键子程序KS3 结束程序KEND 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 2 反转法反转法工作原理 首先 第一次读键 所有行线均输出低电平 所有列线读入键盘信息 列信息 其次 第二次读键 所有列线均输出低电平 从所有行线读入键盘信息 行信息 然后 将两次读键信息进行组合得到按键的特征编码 然后通过查表得到按键的顺序编码 最后 用当前读得的特征码来查表 当表中有该特征码时 它的位置就是对应顺序编码 当表中没有该特征码时 说明这是一个没有定义的键码 与没有按键 0FFH 同等看待 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 反法读键及键码程序的主要子程序 反转两次读键程序KEYIN 顺序编码子程序KEYIN1 特征码判别子程序KEYIN2 顺序码查找子程序KEYIN3 特征码库程序KEYCOD 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 解决抖动现象的方法 一般采用软件延时的方法来避开抖动阶 延时过程一般长于5ms 如果读键操作安排在主程序 后台程序 或键盘 外部中断 中断子程序中 该延时子程序便可直接插入读键过程中 如果读键过程安排在定时中断子程序中 就可省去专门的延时子程序 利用两次定时中断的时间间隔来实现去抖动功能 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 解决连击现象的几种方法 解决连击的关键是一次按键只让它响应一次 为此要分别检测到按键按下和释放的时刻 1 按下键盘就执行 执行完后等待操作者释放按键 未释放前不再执行指定功能 从而避免了一次按键重复执行的现象 2 在按键释放后再执行指定功能 同样可以避免连击 但给人一种反应迟钝的感觉 因此不常采用 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 连击现象的合理利用与控制 在某些按键数目很少 没有数字键的简易智能仪器中 调整参数是通过加1方式进行的 调整量大需要多次按键时 连击键盘至参数调整到位 连击时 必须注意有效控制连击次数 比如 电脑运算速度100次 S 若4次 S按键 则相当于每次按键可以执行25次制定功能 而我们希望的是执行4次功能 因此这里就需要在执行指定功能之后延时250ms 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 延时连击策略一般运用在键盘解释程序在后台主程序中的情况下 当键盘解释程序安排在中断子程序中时 需要采用加键龄和已响应标志两个辅助控制信息来控制 键龄 按键按下的持续时间 从按下键的时刻开始计算 持续时间每增加一个定时间隔 键龄就加1 直到释放时为止 已响应标志 用来表示某键指定功能是否已经被执行过 如果已经被执行 则该标志置1 表示该按键已响应 图8 8定时中断里键盘信息处理流程 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 复合键用于键盘信号的可靠采集当总键数较少而需要定义的操作命令较多时 可以定义一些复合键来扩充键盘功能 特点 操作安全性好 可以减少误碰键盘引起差错 两键按下因为执行有先后 可能产生额外动作 解决方法是加入键龄概念 用于键盘解释程序在定时中断中的情况 引导键 其他键 用于键盘解释程序安排在后台主程序或外部中断程序中的情况 自动存取柜的相关设计 单片机作为整个系统的主要控制单元 需要通过判断用户按下的按键作相应处理 包括存取功能选择 判断是否有空柜 判断密码是否正确 通过液晶显示屏显示相应信息等 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 8 4监控程序设计 8 4 1监控程序的基本概念 8 4 2系统状态分析 8 4 3基于顺序编码的监控程序设计 8 4 4基于特征编码的监控程序设计 8 4 5基于菜单操作的监控程序设计 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 8 4 1监控程序的基本概念 1 概念 系统监控程序是控制应用系统按预定操作方式运转的程序 使系统按操作者的意图完成指定的作业 2 监控程序的主要任务 完成解释键盘和调度执行模块 对遥控通信接口系统还需完成通信解释程序 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 3 监控程序的主要结构 1 作业顺序调度型 2 作业优先调度型 3 键码分析作业调度型 一键一义型 一键多义型 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 1 作业顺序调度型 应用场合 各类无人值守的应用系统 系统运行后按一个预定顺序依次执行一系列作业 循环不已 硬件特点 其操作按钮很少 且多为一些启 停控制之类开关按钮 功能 多用做信息采集 预处理 存储 发送和报警之类 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 作业的触发方式有3种 第1种是接力方式 在上道作业完成后触发下一道作业运行方式 第2种是定时方式 预先安排好每道作业的运行时刻表 由系统时钟来顺序触发对应的作业第3种是外部信息触发方式 当外部信息满足某预定条件时触发一系列作业 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 2 作业优先调度型 特性 这类系统的作业有优先级的差别 优先级高者先运行 高优先级不运行时才能运行低优先级作业 应用场合 用于可操作或可遥控的智能测试系统 工作过程 首先 给每种作业分配一个标志和优先级别 各作业请求运行时 通过硬件手段将自己的标志置位 监控程序按优先级高低的次序来检查标志 响应当前优先级别最高的请求 将标志清除后便投入运行 运行完毕后再返回到检查志的过程 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 3 键码分析作业调度型 这类系统的作业调度完全服从操作者的意图 操作者通过键盘来发出作业调度命令 监控程序接收控制命令后 通过分析 启动对应作业 大多数应用系统的监控程序均属此类型 由按键和作业的对应关系 此类监控程序又可分为两大类 一键一义型 和 一键多义型 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 一键一义型 操作者每按下一键 监控程序就获得一个键盘编码信息 键码 然后由键码散转到对应功能模块的入口 启动对应作业 监控程序的安排与键盘信号的获得有三种方法 单纯查寻法 键盘中断法 定时查询法 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 当系统功能较多而按键数目较少时 监控程序属于 一键多义型 结构 监控程序必须根据一个按键操作系列来启动一个作业 同一按键在不同操作系列中有不同的含义 为此 引入系统状态的概念 即将系统运行情况分成若干状态 使得在任何一个状态下每一个按键只有唯一的定义 对于 一键多义型 的应用系统 监控程序主要是处理 现态 键码 功能模块 和 次态 四者之间的关系 系统状态是用状态编码来表示的 最常见的做法是将各个状态顺序编码 即状态0 状态1 状态N 并将键码也按顺序进行编码 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 8 4 2系统状态分析 接下来的四小节将以一台简易 辐射仪为例 来说明状态分析法的设计过程和基于顺序编码 特征编码和菜单操作的监控程序设计过程 射线在本质上与紫外线 红外线 无线电波 可见光等性质相同 都有是电磁波 只不过 射线波长更短 通常又称之为微波 在某些放射性工作场合 射线如果强度大 数量多 则会对人体带来伤害 对环境造成污染 辐射仪就是用来检测空气中 射线强度或者防护设备防 射线穿透能力的仪器 FD 3013H智能化 辐射仪适合于地质 矿山 辐射环境 放射卫生 商检 建筑材料 核电 探伤 辐照及科研院所辐射场所的 或 放射性检测工作 北京安诺科技 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 r辐射仪的硬件结构如图8 10所示 探头部分用来检测Y射线 探测信号经过放大 幅度甄别和脉冲整形后 输出一系列符合TTL电平要求的脉冲 单片机用计数器T1 P3 5 来接收这些脉冲 用4位串行显示来输出Y射线的强度 每秒脉冲个数 用发光二极管来指示显示内容的性质 用4个按键来控制系统的运行 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 系统设计要求 1 测量模式 要求具有定时测量和定数测量两种模式 操作者可以通过修改测量条件来设定测量模式 当测量条件设置成4 8 16 32 64时 系统工作于定时模式 每次测量时间固定为设定置 当测量条件不是以上数目时 工作于定数模式 每次测量时间不定 以脉冲总数达到设定数目为止 但最少测量4s 最多测量64s 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 2 工作方式要求具有点测和连测两种工作方式 在点测方式下 按一次键只进行一次测量 在连测方式下 按 次键后即开始测量 测量结束后间隔4s便自动下一次测量 连测方式可以被任何键终止 3 其他要求要求系统具有对测点的自动编号功能 为了便于整理测量数据 每测一个数据编号自动加1 操作者能自动设置当前编号 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 系统运行过程实质上就是状态不断变化的过程 因此必须仔细分析系统所有可能的状态 即进行状态分析 然后根据状态变化过程进行监控程序设计 系统激励 系统激励的作用是使系统状态发生变化 主要有外部激励和内部激励 即外因和内因 外因主要是指键盘操作命令 包括遥控命令 和外部触发信号 内因主要是指定时信号和信息条件信号 例如各种数据处理结果满足某一条件时产生的判断信号 r辐射仪有三种基本状态 每种基本状态又可以进行细分 最后可得14种基本状态 如下图 r辐射仪的系统状态分析 只有4个按键 数据修改只能用两键方式 定位 增减1 共需要7个按键 点测 连测 修改测量条件 修改测点序号 修改完毕 测量状态和修改状态排斥 故点测 定位合为一键 连测 加1合为一键 修改条件和修改序号设计为乒乓方式 7键功能可用4键完成 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 设计一键多义键盘 7键合为4键 每个键的功能发生变化 工作方式也发生变化 设计的键盘编码和功能如下 K1键 连测 加1 键 键码 01H 在 测量休止期间 用来下达连续测量命令 在 修改状态 下用来使某一位数加1 K2键 点测 定位 键 键码 02H 在 测量休止期间 用来下达单次测量命令 在 修改状态 下用来更换修改位置 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 K3键 修改测量条件 键 键码 03H 在 测量休止期间 用来下达修改测量条件的调令 在 修改状态 下用来结束修改工作 返回测量休止状态 K4键 修改测点序号 键 键码 04H 在 测量休止期间 用来下达修改测点序号的循令 在 修改状态 下用来结束修改工作 返回测量休止状态 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 系统状态简化与编码 14状态 4状态 状态简化方法 将相似的状态合并为一个状态 差异部分用软件标志来区分 r辐射仪设计中 在增加两个软件标志 CONT 连测 点测 SETING修改 查询 和一个指针 POINT 千 百 十 个 后 可以把14种状态化简为以下4种状态 1 休止期 状态编码00H 仪器停止工作 等待操作命令 数码管显示测量结果CPS LED熄灭 需要配合的软件标志为CONT 0表示点测休止期 1表示连测休止期 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 2 测量进行中 状态编码01H 仪器正在进行测量 数码管显示当前测点序号 LED亮 需配合软件标志为CONT 0表示点测进行中 1表示连测进行中 3 测量条件处理 状态编码02H 查阅或修改测量条件 数码管显示测量条件 LED慢闪 需配合软件标志为SETING 0表示查阅 静态显示 1表示修改 对应位闪烁 定位指针为POINT 0表示千位 1表示百位 2表示十位 3表示个位 4 测点序号处理 状态编码03H 查阅或修改测点序号 数码管显示测点序号 LED快闪 需配合软件标志SETING和定位指针POINT的定义同测量条件处理状态 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 系统各状态之间的关系常采用状态转移表和状态转移图两种方法来表示 状态转移表包括状态名称 编码 状态特征 转移条件 执行模块 模块编号 和后续状态 次态 各项 列表时将每个状态下已经规定的操作都列出来 其它未规定操作合并成一项 均作无效处理 误操作提示告警或者不予理睬 现在来分析r辐射仪的状态转移表8 5 r辐射仪的状态转移表 各执行模块功能 状态转移表的明显弱点 各状态间的关系并不直观 状态转移图中 每个状态画成一个框 有因果关系的状态之间用带箭头的线段连接起来 箭头由起始状态指向后续状态 箭头旁边注明引起状态转移的条件 如有可能 应在状态框内注明各状态的特征 为了对转移条件加以明显区别 可用实线表示键盘操作 用虚线表示定时条件或其它非人工操作的条件 图8 12就是r辐射仪的状态转移图 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 8 4 3基于顺序编码的监控程序设计 首先 对系统状态和按键进行编码 将N种系统状态按顺序进行编码 分别编为0 1 N 1 上电后进入的稳定状态编码一般定义为0态 按键也按顺序进行响应的编码 没有进行按键时读得的键盘信息编码为0FFH或00H 其次 监控程序先读取当前键码 再结合当前系统状态 确定系统的唯一反应 即执行什么模块 进入什么后续状态 最后 完成系统循环执行监控任务的程序设计 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 元素与矩阵每一个反应都是一个因果关系 称之为一个元素 包括起始状态 现态 键码 执行模块和后续状态 次态 全部反应元素构成一个集合 起始状态相同的元素安排在一起则构成一个子集 将现态和键码作为元素的行和列 元素内容为执行模快和后续状态就构成一个矩阵 系统进行键盘分析时 监控程序将状态码和键码作为元素的双下标 检测到对应元素 然后分析元素内容 得到执行模块的编号或地址及后续状态编码 执行所需操作 进入指定次态 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 当监控程序安排在主程序的无限循环中时 各模块执行完毕再返回监控程序的起始端 即每个模块的最后一条指令不是 RET 而是 LJMPMON 等待下次键盘操作 采用状态顺序编码的监控程序 未考虑键盘的去抖动和防连击问题 主要包括 读键盘模块KEYIN键盘分析程序MON元素矩阵表格LIS执行模块LWORK WORK1 WORK11显示模块DISP 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 编程注意 监控程序的实体若安排在主程序中 就是监控循环 监控程序的实体若安排在中断子程序中 就是监控模块 每次中断只能执行一次 不能循环执行 智能仪器原理与设计 第8章人机接口 8 4 3基于特征编码的监控程序设计 把系统的各种特征作为逻辑变量 则系统的任何一个状态均可以看成这些逻辑变量组成的一个逻辑项 以此逻辑项的编码作为该状态的编码时