智能移動機器人的人機界面設(shè)計

　　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(qū)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(shù)設(shè)計了基于嵌入式系統(tǒng)ARM2210開發(fā)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(xiàn)菜單選擇，具有很強的實用性。

引 言

　　嵌入式系統(tǒng)以其高性能、低功耗、低成本的優(yōu)點，已經(jīng)在很大程度上改變了人們的生活。如，MP3播放器、智能手機、數(shù)碼相機產(chǎn)品等已經(jīng)滲入人們生活的各個方面。隨著液晶顯示技術(shù)的不斷進步，以及圖形用戶界面GUI （Graphical User Interface）技術(shù)的廣泛應(yīng)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(shù)據(jù)參數(shù)等。本文介紹了一種以嵌入式微處理器LPC2210為基礎(chǔ)，應(yīng)用ZLG/GUI軟件包設(shè)計移動機器人人機界面的方法。

　　我們設(shè)計開發(fā)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(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，主要包括運動系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。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(xiàn)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(tǒng)。LPC2210的CPU頻率最大為60MHz，并且擴展了豐富的外圍設(shè)備接口，使系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高，開發(fā)也更簡單。圖1是ARM2210的系統(tǒng)框圖。

圖1 ARM2210的系統(tǒng)框圖

　　由于該系統(tǒng)包含了RS232轉(zhuǎn)換電路，可通過UART0與上位機PC104進行數(shù)據(jù)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(shù)碼管顯示和16個按鍵輸入，因此開發(fā)人機界面非常方便。

人機界面的硬件設(shè)計

1 數(shù)據(jù)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(jié)接收和發(fā)送FIFO；寄存器位置符合‘‘550工業(yè)標準；接收器FIFO觸發(fā)點可為1, 4, 8和14字節(jié) ；內(nèi)置波特率發(fā)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(jīng)過PC104作信息融合后，通過串口傳給ARM2210并由液晶屏顯示。

2 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(shè)置功能，最大驅(qū)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(fā)生器，能滿足對移動機器人人機界面的顯示要求。圖2為內(nèi)置T6963C的240×128點陣圖形液晶模塊原理圖。

　　另外， ARM2210系統(tǒng)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(qū)動8位共陰數(shù)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(shù)。

　　本系統(tǒng)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(tǒng)16個按鍵中的S11、S12、S13作為輸入部分，實現(xiàn)對人機界面的選擇操作。

人機界面的軟件設(shè)計

　　移動機器人人機界面的關(guān)鍵是菜單操作，以及圖形和數(shù)據(jù)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(xué)基礎(chǔ)上的產(chǎn)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(tǒng)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(fā)的，占用資源小、使用方便的嵌入式系統(tǒng)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(shè)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(shè)計要求。 
 
圖2 內(nèi)置T6963C的240×128點陣液晶模塊原理圖

1 數(shù)據(jù)傳輸

　　接收上位機PC104發(fā)送的數(shù)據(jù)時，使能UART0的FIFO進行數(shù)據(jù)發(fā)送/接收，接收采用中斷處理方式。其中，UART0的串口模式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為：通信波特率9600，8位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)＊/

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(shù)據(jù)位

uart0_set.stpb = 1; // 1位停止位

uart0_set.parity = 0; // 無奇偶校驗UART0_Ini（9600, uart0_set）; // 初始化串口模式

/＊串口UART0接收中斷＊/

void __irq IRQ_UART0（void）

｛ uint8 i;

if（ 0x04==（U0IIR&0x0F） ） rcv_new = 1; // 置新數(shù)據(jù)標志

for（i=0; i<8; i++）

｛ rcv_buf[i] = U0RBR; // 讀FIFO數(shù)據(jù)，清除中斷標志｝

VICVectAddr = 0x00; // 中斷處理結(jié)束

｝

2 窗口顯示

　　人機界面主要是通過圖標菜單實現(xiàn)移動機器人運動參數(shù)的顯示，以及運動軌跡的相關(guān)操作，如"打開"、"暫停"、"關(guān)閉"等。因此，首先定義一個窗口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并設(shè)置窗口的起始坐標、大小、標題等相關(guān)參數(shù)；然后調(diào)用GUI_WindowsDraw（）輸出顯示窗口

/＊ 設(shè)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(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中圖標數(shù)據(jù)和文字顯示可以通過字模軟件轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。如對應(yīng)"打開"圖標轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)：

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(shù)據(jù)指針、對應(yīng)的服務(wù)函數(shù)等進行設(shè)置后，即可調(diào)用GUI_MenuIcoDraw（）實現(xiàn)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(diào)用GUI_SetColor（1，0）函數(shù)來設(shè)置前景色及背景色。1表示點顯示，0表示點滅。

3 圖標菜單選擇

　　界面中還需實現(xiàn)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(xiàn)了完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，可以方便的構(gòu)成多機系統(tǒng)和外圍器件擴展系統(tǒng)。I2C總線采用了器件地址的硬件設(shè)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(tǒng)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(yīng)LPC2210作為主機和從機。

　　本文采用主模式I2C發(fā)送接收數(shù)據(jù)，從而控制三個按鍵S11、S12、S13的掃描并檢測其連擊次數(shù)。程序中先設(shè)置好默認菜單，再調(diào)用函數(shù)ZLG7290_GetKey（）讀取被按下的鍵值。ZLG7290_GetKey（）函數(shù)通過調(diào)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]）;

4 移動機器人行使軌跡及相關(guān)參數(shù)顯示

　　為了能實時更新顯示數(shù)據(jù)及行使軌跡，PC104將移動機器人的速度，行駛方向，轉(zhuǎn)角等信息轉(zhuǎn)化為液晶屏上的坐標信息，并調(diào)用基本繪圖函數(shù)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(yīng)位置。

5 人機界面顯示效果

　　圖3為人機界面實現(xiàn)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(jù)自己需要添加圖標及對應(yīng)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(shù)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(zhuǎn)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。
 
圖3 人機界面實現(xiàn)效果圖

結(jié) 語

　　隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的飛速發(fā)展，人機交互系統(tǒng)的開發(fā)將更加廣泛。本文闡述的基于ARM2210嵌入式系統(tǒng)的移動機器人人機界面的設(shè)計方法，這種方法設(shè)計簡單，成本低，使操作者與機器人的交互更加友好。