基于ARM的智能仪器人机交互系统设计

1、基于 ARM 的智能仪器人机交互系统设计The Design of Man-Machine Conversation System based on ARM for Intelligent Instrument(武汉国测科技股份有限公司 赵小林,卜正良,刘江峰,吴蕾 Zhao Xiao-lin, Pu Zheng-liang, Liu Jiang-feng, Wu Lei 摘 要:针对电力行业智能仪器设计了一种通用的人机交互系统,基于 ARM 平台对系统硬件进行了模块 化设计,详细阐述了系统软件设计程序流程和显示结构,实际使用证明在该 ARM 硬件平台和软件结构基 础上,仅对显示和通信子程序做

2、适当修改,便能运用到各种智能仪器上,节省开发周期,降低开发成本, 性能稳定,对智能仪器仪表产品开发具有重要借鉴意义。关键字:ARM ;智能仪器;人机交互系统;中图分类号:TP316 文献标识符:AAbstract: An universal Man-Machine-Conversation system for Intelligent Instrument in electrical industry is designed, system hardware base on ARM are designed in module, system software design program f

3、low and display structure are introduced in detail, base on this ARM hardware platform and software structure are testified in practical use that it can apply to diversiform intelligent instrument just by making some modification to display and communication subprogram, and it can save development p

4、eriod and reduce development cost ,its performance is stable ,which has important reference signification to the development of Intelligent Instrument. Keyword: ARM; Intelligent Instrument; Man-Machine-Conversation System1. 引言随着电力行业快速发展,相应各种智能仪器层出不穷,如电压互感器校验仪,电流互感 器校验仪,智能变比测量仪等等。这些仪器大多都具有多功能按键输入,大液晶

5、显示输出, 并且可以与上位机数据管理系统通信等功能, 但都没有一个通用的人机交互系统, 这尤其对 于一个企业而言,会延长开发周期,增加研发成本,浪费人力物力 1。为此,本文设计了一 种基于 ARM 的通用智能仪器人机交互系统,各种智能仪器均可采用该系统,并且仅需更改 系统中显示子程序和通信子程序便可实现各种仪器人机交互功能。2. 人机交互系统结构框图用户通过按键进入相应界面设置参数或发送命令,此时输入的参数和命令通过 RS422串口通信发送给下位机智能仪器系统, 仪器接收到参数和命令后进行相关操作, 返回结果数 据再通过 RS422发送给人机交互系统,人机交互系统扫描串口是否接收到数据,如果接

6、收 到则通过液晶显示返回结果。用户此时可以浏览并存储这些结果数据,再通过 RS232接口 将这些结果数据发送到上位机数据管理系统。图 1为通用智能仪器人机交互系统结构框图。 图 1 人机交互系统系统结构框图赵小林:硕士 电子工程师3. 系统硬件设计为满足不同智能仪器功能需求, 组建一个通用硬件平台, 系统硬件采用模块化设计, 其 中 CPU 采用 ARM 芯片 AT91R40008,它具有 256K 片内 32位宽 SRAM , 8个片选线,软 件可编程的 8位或 16位外部数据总线, 8优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器, 32个可 编程 I/O口线, 3通道 16位定时器 /计数器,两个

7、USART 等特点,并且功耗低,价格适中, 充分满足系统设计需求 2。系统其他硬件则主要由输入、存储、显示和通信等模块组成。 输入模块主要包括复位电路和按键。复位电路采用 IMP706T 芯片,其 WDI 引脚连接 ARM 一个 IO 口,通过编程对该 IO 口置位或清零来开关看门狗实现软件复位;其 MR 引脚 连接按键复位和仪器复位信号实现整个仪器硬件复位。 按键电路为 4*4矩阵电路, 占用 ARM 8个 IO 口,实现 0-9数字,确认,取消,上翻,下翻,退格、复位以及小数点等 16个功能 键。存储模块均采用 FLASH 芯片 SST39VF040,其具有 4M 存储空间,单个扇区 40

8、96个字 节,可反复擦写十万次以上等特点,充分满足设计要求。程序 FLASH 存储启动代码和应用 程序,其数据、地址、读写和片选信号分别连接 ARM 的数据、地址、读写、和 NCS0信号, 系统上电时从 NCS0的存储器开始引导,此时执行程序 FLASH 中启动代码,然后将应用程 序搬运到 ARM 片内 SRAM 执行。数据 FLASH 存储设置参数以及结果数据等,其片选引脚 连接 NCS1,其余接法和程序 FLASH 接法一致。显示模块采用 320*240白底黑字字符图形液晶显示模块,由于 ARM 为 +3.3V供电,而 液晶 +5V供电,所以液晶读写,片选等控制信号和数据线等引脚通过 74

9、HCT244、 LVC4245等驱动芯片与 ARM 对应引脚相连,其中液晶片选信号为 NCS4。液晶背光则通过电位器进 行调节。通信模块包括 RS422和 RS232通信模块。下位机与人机交互系统之间为 RS422串口通 信,其信号稳定性、抗噪声能力和通信速度都优于 RS232,并采用专门信号屏蔽线,使能在 恶劣的工业环境下通信准确稳定运行。采用 MAX488芯片, RXD0, TXD0为 ARM 串口 0收发信号; R422A , R422B , T422B , T422A 为 RS422收发信号,与 DSP 串口相连。人机 交互系统和上位机之间为 RS232串口通信,采用 MAX232芯片

10、, TXD1, RXD1为 ARM 串 口 1收发信号; RXD , TXD 为 RS232收发信号,与 PC 机接口相连。两路信号均使用芯片 6N137进行驱动并隔离。时钟模块采用芯片 X1226, SCL 和 SDA 引脚分别连接 ARM 的两个 IO 口实现时钟和数 据信号输入输出, VBACK 引脚连接电池提供备用电源电压, X1, X2连接晶振提供时钟基 准时间。时钟模块用于显示测量时间,并方便用户查询。电源模块采用 TPS767D318芯片, +5V输入, OUT1和 OUT2引脚分别输出 +1.8V和 +3.3V给系统供电, 其中 +1.8V给 ARM 的 VDDCORE 引脚供

11、电, +3.3V给其他芯片供电。4. 系统软件设计系统主程序主要流程如下:(1初始化系统设备和变量,如初始化 IO 口、串口、变量 等; (2进入系统主界面; (3系统中断程序中 UpdataKey(函数不断扫描是否有按键按下, 如果有则响应中断, 执行 Show_Process(函数进入相应菜单界面执行所按下按键的功能; (4 Com_run(函数扫描串口接收,判断串口是否返回数据,如果返回,则执行 Comm_Process(函数进入相应通信子函数接收数据至缓冲数组, 再执行 Show_Process(函数进入相应菜单界 面显示缓冲数组数据或在屏幕上显示提示语言; (5显示相应子菜单界面,程

12、序返回第(3 步。图 2为系统主程序流程图。 图 2系统主程序流程图图 3 系统界面显示结构4.2 界面显示程序设计界面显示程序是人机交互系统设计重要组成部分,而良好的显示结构是设计关键。这里 以该通用人机交互系统在一种电压互感器校验仪上的应用为例, 其主要界面显示结构如图 3所示, 系统主界面下面有 4个二级子菜单选项, 通过上翻或下翻键控制光标选中其中一个二 级子菜单, 按确认键进入相应三级子菜单界面, 然后再通过上翻或下翻键控制光标选择其中 一个四级子菜单, 按确认键进入相应四级子菜单界面, 依次类推。 按取消键返回上一级菜单 界面。限于篇幅,图 3仅给出三级菜单结构。界面显示程序中给每

13、个菜单界面一个编号 screen_state, 不同级别菜单可以通过编号来体 现,如这里设置主界面 screen_state为 1,则二级子菜单电压互感器测试为 11,三级子菜单 PT 参数设置为 111, PT 接线示意为 112, PT 参数设置下一级第一个子菜单为 1111,依次类 推。在主程序循环中显示函数 Show_Process(判断 screen_state值,从而进入相应菜单显示 子程序,再通过键盘扫描检测是否有按键按下,执行按下按键的功能,实现人机交互。以主 界面显示子程序为例,部分代码及注释如下:void Screen_MainMenu(void/*主界面显示子程序 */i

14、f(L_screen_state!=1 /*判断上次如果显示其他菜单则调用主界面显示函数 */Cls(; /*清屏 */Screen_MainMenu_Show(SubMenuPosition; /*调用主界面显示函数在屏幕上输出 */ ./*按确认键则赋 screen_state新值,其他界面可实现测量命令发送等功能 */ if(Key_OK=0 &&(L_Key_OK=1/*显示结构算法给出各二级菜单 screen_state值, 此函数结束后在 Show_Process(中判断 screen_state值进入其他相应显示子程序。 */screen_state =11+Su

15、bMenuPosition*10; if(Key_CANCEL=0 &&(L_Key_CANCEL=1 /*按取消键返回上一级菜单 */screen_state =1; /*赋上一级菜单 screen_state值 , 主界面无上级菜单,故仍为 1*/SubMenuPosition=0; /*光标显示第一个子菜单选项 */ 由上可知,每个菜单界面通过显示子程序来实现,因此,无论在何种仪器上使用,只需 按照上述显示结构和显示程序更改对应按键功能和 screen_state值,再通过 Show_Process(函数进入相应更改后的显示子程序进行显示,程序修改十分方便。 4.3 通信

16、程序设计Comm_Process(通信程序有三个子函数,串口发送函数 Comm_Send(, 串口数据接收处 理函数 Comm_RecvProcess(和串口接收函数 Comm_Recv(。其通信流程如下:(1首先执 行 Comm_Send(函数,判断通信是否超时,如果没超时则判断按键发送何种通信命令码, 进入相应通信子程序发送命令, 否则在屏幕显示通信超时提示语言, 提示用户检查机器故障; (2接着执行 Comm_RecvProcess(函数,判断从串口接收的数据是否符合约定数据规范, 即是否同步,如果同步,再判断校验和是否正确,如果正确将收到完整数据帧标志位 FrameRecv 置 1;

17、(3最后执行 Comm_Recv(函数,判断 FrameRecv 是否置 1,如果是再次 判断按键发送何种通信命令码,进入相应通信子程序接收数据至缓冲数组。图 4为 Comm_Process(通信程序流程图。 图 4Comm_Process(通信程序流程图由上可知,无论是在何种仪器上使用,通信流程不变,程序结构也不变,仅需根据情况 更改通信命令码和编写通信子程序,即可实现各种智能仪器的通信功能。系统程序还包括中断,驱动,按键和时钟等其他程序,限于篇幅,不再赘述。5 结束语该人机交互系统目前已经成功运用到一种电压互感器现场校验仪和电流互感器校验仪 产品上,项目经济效益为 500万元。经实践证明,

18、该系统运行稳定,开发周期短暂,节约大量研发成本, 并都满足仪器功能需求, 应用前景十分广阔, 对其他智能仪器人机交互系统开 发具有重要的参考价值。本文作者创新点:设计了一种通用的智能仪器人机交互系统,在基于 ARM 硬件平台和 软件结构基础上, 仅需更改显示子程序和通信子程序, 并可实现不同智能仪器的人机交互功 能。参考文献:1 任斌,余成等。基于 ARM9的多功能测量仪的人机界面设计 J,微计算机信息, 2007, 6-2:145-147。2 马忠梅,等。 AT91系列 ARM 核微控制器结构与开发 M。北京:北京航天航空大学出 版社, 2003。作者简介:赵小林(1981- ,男(汉族 ,湖北武汉人,武汉国测科技股份有限公