电子医疗仪器人机接口课件

1、第五章数字化医疗仪器人机接口第五章数字化医疗仪器人机接口 数字化医疗仪器要有人机对话功能，即人与机器交换信息的功能。它有两方面的含义： 一是人对数字化医疗仪器进行状态干预和数据输入； 二是数字化医疗仪器向人报告运行状态与处理结果。 实现人机对话的部件有键盘、显示器和打印机等，这些部件同医疗仪器主体电路的连接是由人机接口电路来完成的。 人机接口技术是数字化医疗仪器设计的关键技术之一。 数字化医疗仪器要有人机对话功能，即人与机器交 数字化医疗仪器主要人机接口 键盘接口 LED显示及接口 CRT显示及接口 LCD数码显示技术 打印机接口 数字化医疗仪器主要人机接口 第一节 键盘接口 键盘与微机的接口

2、包括硬件和软件二部分。硬件：是指键盘的组织，即键盘结构及与主机的连接方式。软件：软件是指对按键操作的识别与分析，称为键盘管理程序。 虽然对不同的键盘组织其键盘管理程序存在很大的差异，但任务大体可分为下列几项： (1)识键：判断是否有键按下。若有，则进行译码；若无，则等待或转做别的工作。 (2)译键：识别出哪一个键被按下并求出被按下键的键值。 (3)键值分析：根据键值，找出对应处理程序的入口并执行之。 第一节 键盘接口一、键盘输入基础知识（一） 键盘的组织1. 编码式键盘 键和专用键盘编码器构成. 有键按下,自动生成键值。例如: MM5740AA芯片; INTEL 8279等。2. 非编码式键盘

3、 不含编码器,键盘只送出一个简单的闭合信号,对应的键值需有软件来译出。显然，非编码键盘的软件是比较复杂的，并且要占用较多的CPU时间，这是非编码键盘的不足之处。但非编码键盘可以任意组合、成本低、使用灵活，因而数字化医疗仪器大多采用非编码式键盘。 非编码键盘按照与主机连接方式的不同：有独立式键盘和矩阵式键盘之分。 一、键盘输入基础知识（一） 键盘的组织1)独立式键盘 如图 1(a)特点: 一键一线. 优点: 结构简单,键容易识别。缺点: 占用较多检测线， 不便组成大型键盘。S0S1S2S3RRRR+5VR=5KD0D1D2D3图1（a）1)独立式键盘 如图 1(a)特点: 一键一线. 2)矩阵式

4、键盘 如图1(b)特点: 把检测线分成二组，一组为行线，另一组为列线，按键放在行线和列线的交叉点上。优点: 键盘规模可扩大。缺点: 键盘分析程序较复杂。RRRR+5VX0X1X2X3Y0Y1Y2Y3R=5K图1（b）2)矩阵式键盘RRRR+5VX0X1X2X3Y0Y1Y2Y3（二）键盘的工作方式数字化医疗仪器中CPU对键盘进行扫描时，要兼顾两方面的问题：一是要及时，以保证对用户的每一次按键都能作出响应；二是扫描不能占用过多的时间，CPU还有大量的其他任务要去处理，因此，要根据智能仪器中的CPU忙、闲情况，选择适当的键盘工作方式。 a) 编程扫描方式(查询方式)； b) 中断工作方式； c) 定

5、时扫描方式。（三）键抖动及消除键盘按键一般都采用触点式按键开关。当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生一种抖动现象。 （二）键盘的工作方式 键抖动可能导致计算机将按键操作识别为多次操作.可采取以下措施:(010) ms(50200) ms(010) ms键抖动现象图2 键抖动可能导致计算机将按键操作识别为多次操作(2) 软件延时法当判定按键按下时,用软件延时10ms20ms,等待键稳定后重新再判一次,以躲过触点抖动期。(1) 硬件电路消除法 RRR=5KS输出&5V图3(1) 硬件电路消除法 RRR=5KS输出&5V图（四） 键连击的处理 图 4 当我们按下某键时，对应的功能便会通过键盘分

6、析程序得以执行。如果在操作者释放键之前，对应的功能得以多次执行，如同操作者在连续不断操作该键一样，这种现象就称为连击。 （四） 键连击的处理 图 4 当我们读 键延时去抖执行等键释放读 键延时去抖执行延时（a）（b）键连击现象的克服及合理运用图4读 键延时去抖执行等键释放读 键延时去抖执行延时二、独立式键盘接口方法1.查询方式 图5 硬件接口; 图6 软件流程图+5V 8031S0S1S2RRRR=10kP1.0P1.1P1.2图5二、独立式键盘接口方法1.查询方式 图5 硬件接口; 图图6图6中断方式 用中断方式处理8只按键电路图7中断方式 图7ORG 0000H AJMP MAIN ；上电

7、后转主程序 ORG 0003H ；外部中断0入口 AJMP KEYJMP ；指向中断服务程序ORG 0100H MAIN： SETB IT0 ；选择边沿触发方式 SETB EX0 ；允许外部中断0 SETB EA ；允许CPU中断MOV DPTR，#0EF00H ；送8155命令口地址 MOV A，#02H ；置A口为输入口 MOVX DPTR，A ；控制字写入 HERE： AJMP HERE ；模拟主程序 ORG 0000HORG 0120H ；中断服务程序 KEYJMP：MOV R3，#08H ；设循环次数 MOV DPTR，#0EF01H ；送A口地址 MOV R4，#00H ；计数器清

8、零 MOVX A，DPTR ；读入按键状态 KEYADl：RRC A ；状态字右移一位JNC KEYAD2 ；C=0，转KEYAD2 INC R4 ；计数器加1 DJNZ R3，KEYADlKEYRET：RETIORG 0120H ；中断服务程序KEYAD2：MOV DPTR，#JMPTBL MOV A，R4 RL A JMP A+DPTR ；转相应功能处理JMPTBL：AJMP SB0 AJMP SBl AJMP SB2 AJMP SB3 AJMP SB4 AJMP SB5 AJMP SB6 AJMP SB7 KEYAD2：MOV DPTR，#JMPTBL三、矩阵式键盘接口方法 当采用矩阵式

9、键盘时，为了编程方便，应将矩阵键盘中的每一个键按一定的顺序编号，这种按顺序排列的编号叫顺序码，也称键值。为了求得矩阵式键盘中被按下键的键值，常用的方法有行扫描法和线路反转法。 本节介绍两种键盘接口电路及控制软件。一种是采用编程扫描工作方式的行扫描法来识别键值，另一种是采用中断工作方式的线路反转法来识别键值。 三、矩阵式键盘接口方法 当采（一）行扫描法步骤:1.判是否有键按下(没有键按下，读入值为FFH )。2.若有键按下,消除键抖动(延时10ms ),再判是否有键按下。3.若确定有键按下,则求出按下键的键值。 键值= 行值+ 列值4. 为保证按键每闭合一次,CPU只作一次处理,程序需等闭合 的

10、键释放后再对其处理。RAM/IO 扩展器 8155结构:1. 256BITS的静态RAM; 2. 二个可编程的8位并行I/O 口PA,PB;3.一个可编程的6位并行I/O口 PC ;4.一个可编程的14位减法计数器TC.（一）行扫描法图8图83210765489ABCDEF 8031P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7（二）线路反转法原理图93210765489ABCDEFP1.0（二）线路反转法原理线路反转法的原理 （1）先从P1的高四位输出“0”电平，从P1的低四位读键盘状态，设图中E键被按下，从P1的低四位输入为1101， “0”对应按键代表的列。（2）线路反

11、转，P1的低四位输出“0”电平，从P1高四位读键盘状态，从P1高四位输入0111， “0”对应按键代表的行位置。（3）数据合成特征码0111、1101，完全确定按键位置。（4）通过查键码转换表找到对应的键值(顺序码)。 线路反转法的原理 表1表1第二节 键盘分析程序单义键: 一键一义多义键: 一键多义 键盘分析程序的任务是对键盘的操作做出识别并调用相应的功能模块完成预定的任务。一、直接分析法(单义键构成的键盘)根据当前按键的键值, 把控制直接分支到相应处理程序的入口, 而无须知道在此之前的按键情况。 图10 、 11优点: 简明直观。缺点: 命令的识别和处理程序的执行交错在一起,层次不清楚。简

12、单多义键的分析程序仍可用直接分析法来进行设计,不过要用多张转换表。图 12第二节 键盘分析程序单义键: 一键一义图10图11图10图11图12图12二、状态分析法 将键盘分析程序作为时序系统，当条件改变后，它的状态可以发生变迁。 当一个按键按下时，分析程序将根据它的现行状态和输入条件，决定产生何种相应动作以及变迁到哪一个新状态。 在不同的状态下，同一按键会具有不同的含义。引入状态概念后，只需在存储器内开辟存储单元“记忆”当前状态，就能对当前按键的含义作出正确的解释，简化程序设计。 二、状态分析法三、触摸屏（一）概述 一些医疗场所不便安装键盘、鼠标等输入设备，同时也要让任何人都能操作，触摸屏就是

13、一种理想的输入设备。 （二）分类及原理 触摸屏需收集以下信息：触摸物进入触摸屏的坐标、触摸物在触摸屏上移动的新坐标、触摸物离开触摸屏的坐标、是否有东西触摸等 三、触摸屏 1.红外线触摸屏（以红外线检测技术为基础）原理：物体进入检测区，遮挡住若干条红外光栅，红外接收管输出的信号就会发生变化，从而检测出触摸点的坐标和触摸屏的状态。优点：对触摸的物体没有太严格的要求；触摸物只要进入红外检测区域即可；触摸屏不易损坏，寿命较长，成本也较低。缺点：外界光线变化会影响其准确度； 不防水，不防污秽，易导致误差。 1.红外线触摸屏（以红外线检测技术为基础）2电阻式触摸屏（压力感应式 ）原理：外层OTI（氧化铟

14、）作导电体，第二层OTI附上电压场，层间以细小的透明隔离点隔开。平时这些隔离点的电阻近似相同，当手指接触屏幕，两层导电层出现一个接触点，该点电阻发生变化，便可以计算出触摸的位置。 优点：不受尘埃、水、污秽影响 缺点：触摸屏的寿命不长久2电阻式触摸屏（压力感应式 ）3电容式触摸屏 电容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。当手指触摸在金属层上时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。优点：电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准

15、确算出触摸位置。 缺点：由于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，故其稳定性较差，往往会产生漂移现象。 电容屏反光严重，而且，电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还造成图像字符的模糊。 3电容式触摸屏4声表面波式触摸屏由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接收器组成。声波发生器发出声波在触摸屏表面传递，经反射器传递给声波接收器，声波转换成电信号送给主机。声表面波式触摸屏效果比较好，应用比较广泛。在屏幕大小相同的情况下,红外线触摸屏价格最低且安装最方便;电阻和电容式触摸屏性能相差不大,同属中档,价格也差不多,电容式触摸屏总体效果要好些;声表

16、面波触摸屏的价格最贵，当然性能也最好。 4声表面波式触摸屏第三节 LED显示及接口一、LED显示原理LED-发光二极管. LED的正向压降: 1.2V 2.6V。 工作电流: 5mA 20mA。适合于脉冲工作状态, 电路须串联适当的限流电阻.LED显示器的类型: 单个、七段和点阵式。（一）单个LED显示器常用于仪器的状态显示之用. 图13第三节 LED显示及接口一、LED显示原理CS IOWD0774LS374CLKD0D7Q0.Q7+5VLED单个LED显示器的接口电路图13CS IOWD0774LS374CLKD0D7+5 将数个LED组成一个阵列，并封装于一个标准的外壳中。七段LED显示

17、器有共阳极和共阴极两种结构，如下图。可用于显示09数字和多种字母。 （二）七段LED显示器 10 9 8 7 6g f k a b e d k c dpK+5VabfecgdabcdefgdpKabcdefgdp图14图15图16 将数个LED组成一个阵列，并封装于一个标准为了显示某个数或字母，须点亮对应的段，则需要译码。1、硬件译码( 由七段译码/驱动器完成) 图 17计算机时间的开销较小,但硬件开支大.图17为了显示某个数或字母，须点亮对应的段，则需要译码。1、硬件译2、软件译码 图 18、表 2 省略了硬件,其BCD码转换为对应的段码由软件来完成.图182、软件译码 图 18、表 2 省

18、略了硬件,其BCD表2表2（三）点阵式LED显示器 以点阵格式进行显示,显示的字符较逼真,但接口电路和控制程序较复杂.常用57点阵。 图 19图19（三）点阵式LED显示器 以点阵格式进行显示 按显示方式分：静态显示和动态显示之分。（一）静态显示及其接口特点:每位显示器都有自己的锁存器, 译码器(若采用软件译码可省略)和驱动器。优点:在每一位显示输出后能够保持显示不变。缺点:当显示位数较多时,占用的I/O口较多图 20（二）动态扫描显示及其接口特点:微机应定时对各个显示器进行扫描, 显示器件分时轮流工作, 每次只使一个器件显示。优点:使用硬件少,占用I/O口少。缺点:占用机时长,只要不执行显示

19、程序,就立刻停止显示。图 21二、七段LED显示及接口 按显示方式分：静态显示和动态显示之分。二、七图20图20图21图21三、点阵LED显示器图22三、点阵LED显示器图22第四节CRT显示及接口主要用于显示图形和表格一、光栅扫描CRT字符显示系统（一）光栅扫描CRT字符显示原理系统组成:显示RAM, 字符发生器, 并/串移位器, 混合电路和逻辑定时电路等组成。 如图23第四节CRT显示及接口主要用于显示图形和表格图23图23图24图24显示器的扫描方式（a）（b）图24显示器的扫描方式（a）（b）图24图25图25显示RAM字符发生器串并移位器混合电路CRT定时控制逻辑光栅扫描CRT字符显

20、示系统框图ASCII码并行点阵码串行码视频字时钟点时钟.图26显示字符串并混合CRT定时控制逻辑光栅扫描CRT字符显示系23 1840 1841 1842 . 1981 191924 1920 1921 1922 . 1998 19991 80 81 82 158 1590 0 1 2 3 78 790 1 2 3 78 79行数列数图2723 1840 1841 1842 （二）双行缓冲器工作方式作用:为了保证系统能连续工作。图28图28（二）双行缓冲器工作方式作用:为了保证系统能连续工作。图28行缓冲器（行）字符计数器字符发生器点行计数器并入串出移位器字行计数器字时钟点时钟点时钟行同步帧同

21、步点行码串行点阵码ASCII码ASCII码（三）定时电路CRT中各个字符显示的位置应与显示RAM中字符ASCII码的地址严格一一对应,这需系统的定时电路给予保证。图29图29行缓冲器字符计数器字符点行计数器并入串出字行计数器字时钟点时（四）CRT显示电路的组成典型的CRT控制器有 Intel 8275CRTC, Motorola 6845 CRTC。8275组成的光栅扫描字符显示系统DACK显示DMADMA(8257)CRTC(8257)串并移位与定时逻辑字符发生器系统母线DRQCCLKCC06LC03视频信号水平同步垂直同步亮度控制视频控制图30（四）CRT显示电路的组成典型的CRT控制器有

22、 Intel 二、光栅扫描CRT图形显示系统显示RAM中存放的是由软件形成的图形点阵,显示RAM中的每个存储单元中的每个数位都与显示屏上的某一像素点一一对应. 图31图形光栅显示系统中不再需要字符发生器.原理框图图32CGA逻辑框图图33二、光栅扫描CRT图形显示系统显示RAM中存放的是由软件形成0100000101000010010000110100010011001010.00110101A B C D显示RAMCRT显示RAMCRT显示RAM的内容与显示器显示内容的关系（a） 字符显示系统（b） 图形显示系统25 80图3111001010A B C D显示RAMCRT显示RA数据缓冲器

23、OE地址缓冲器OEOE定时与控制D0D7A0A13WECER/W显示RAM并入串出 LD CLK图形点阵数据串行点阵码光栅扫描CRT图形显示系统原理图A05(字时钟计数码）A613(行计数码）D07D0A0A13D0D7111814图32数据缓冲器地址缓冲器OED0D7A0A13WECER/WKB显存彩色编码CRTC图形移位字符移位ROM寄存器总线字符发生器水平、垂直同步信号视频CGA的逻辑框图监视器图33KB彩色图字ROM寄存器总字符发生器水平、垂直同三、随机扫描CRT图形显示系统采用示波器的X-Y显示原理，即分别向CRT水平和垂直输入端加以连续变化的电压信号，通过控制电子束的偏转便可形成连

24、续的各种形状的光迹。如果在栅极上加入适当的消隐脉冲，则可构成不连续线条，形成各种字符和图形。用于显示波形的，智能示波器采用的CRT显示系统。见下页图：三、随机扫描CRT图形显示系统采用示波器的X-Y显示原理，即数据缓冲器OE地址缓冲器OEOE定时与控制R/W显示RAMDAC A (Y)DAC A (X)D07A09WECEY(t)偏转信号X(t)偏转信号显示时钟记数码10波形数据D09D07D07A09单值函数信号波形的CRT显示系统图34数据缓冲器地址缓冲器OER/WDACD07A09WEC第五节 LCD数码显示技术LCD优点：耗电低，驱动电压低，结构空间小，有效显示面积大、体薄物轻。一、L

25、CD数码显示 采用交流驱动，直流分量在100mv以下，频率50100Hz，取方波效果最好。 第五节 LCD数码显示技术LCD优点：耗电低，驱动电压低，结图35 LCD交流驱动图35 LCD交流驱动LCD硬件译码驱动静态显示电路图36LCD硬件译码驱动静态显示电路图36 为了在4N07显示器上显示48.5数字，执行如下程序： MOV A，#85H MOV DPTR，#8000H MOVX DPTR，A MOV A，#0F4H INC DPTR MOVX DPTR，A MOV A，#20H MOV DPTR，#8007H MOVX DPTR，A 为了在4N07显示器上显示48.5数字自动消隐0前缀

26、子程序： OTF： MOV R0，#4DH MOV R1， #02H OTL：MOV A，R0 ANL A，#0F0H JNZ OT2 MOV A，R0 ORL A，#0F0H MOV R0，A ANL A，#0FH JNZ OT2 MOV R0，#0FFH DEC R0 DJNZ R1，OTL MOV 4CH，#0F0H OT2：RET自动消隐0前缀子程序：图37：三线LCD显示电路7231COM13 74LS 373LE27256 8031WRP0ALEP2PSENA70Au-8D70OEXTZ8XTZ1CS AN2 BD30 A20 AN1图37：三线LCD显示电路7231COM13 7

27、4LS图38 三线LCD显示电路结构原理abfecgdAN1AN2( a )( b )AN1AN2efabcdgXYZN1COM1COM2COM3图38 三线LCD显示电路结构原理abfecgdAN1AN2数据口显示存储空间I/O 接口行计数器LCD接口方式字组显示存贮区寄存组数据I/O缓冲器光标控制器显示方式寄存器组内部字存库控制器指令口标志LCD A0 CS RD WR D0D7 二、点阵式LCD显示 有专用指令集，受CPU控制，产生驱动LCD的时序脉冲，控制LCD工作状态，管理LCD显示存储区。原理示意图如下：图39数据口显示存储空间I/O 接口行（1）E-1330特点：可以管理64KR

28、AM；功能很强的IO缓冲器；指令丰富；发送的数据以4位并行方式传输。（2）E-1330引脚：与CPU接口部分；控制部分；显示驱动部分。 下表3为缓冲器地址表A0RDWR功能001读状态标志101读显示缓冲区和光标地址数据010写数据及参数110写指令代码（1）E-1330特点：可以管理64KRAM；功能很强的I（3）E-1330指令集表4（3）E-1330指令集表4(4)E-1330的应用(a)初始化设置：其一是控制器工作参数的设置；其二是显示窗口设置。(b)显示存储空间的分配：把显示RAM分成四个区域。第一、二显示存储区为主，三、四区域为一、二区之补充。第二区仅为图形显示方式。 (c)显示功

29、能设置：关显示、开显示无闪烁、开显示2Hz闪烁或开显示1Hz闪烁。(d)显示数据的输入步骤： 设置光标地址指针。 设置光标地址指针的移向。 数据写入。(4)E-1330的应用第六节打印机接口一、TPuP-40B/C 微型打印机及其接口由单片机控制的超小型智能点阵打印机，每行可打印40个57点阵字符，可打印240种代码字符，并有绘图功能。（一）TPuP-40B/C微型打印机接口信号 DB0DB7:单向数据传输线.STB:数据选通信号,上升沿将8位数据输入打印机并被保存.BUSY: “忙”信号.有效时,主机不得使用STB向打印机送数.ACK: “应答”信号.有效时,表示打印机已经取走数据.第六节打印机接口一、TPuP-40B/C 微型打印机及其接 8031 TPuP-4011STBBUSYDB7DB0P0.7P0.0RDP2.7WRTPuP-40B/C 与 MCS-51单片机接口电路（二）TPuP-40B/C与MCS-51单片机接口图40 11ST