基于arm2210開發(fā)板的移動機器人人機界面設(shè)計

　　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（graphicaluserinterface）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zui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。
　　
　　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
　　
　　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。
　　
　　液晶顯示及菜單選擇
　　
　　東芝公司的液晶控制器t6963c具有*的硬件初始化設(shè)置功能，zui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zui基本的畫點、線、圓形、圓弧、橢圓形、矩形、正方形、填充等功能，較的接口功能有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。　　　　
　　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)*/
　　
　　typedefstructuart0mode
　　
　　{uint8datb;//字長度
　　
　　uint8stpb;//停止位
　　
　　uint8parity;//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__irqirq_uart0（void）
　　
　　{uint8i;
　　
　　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
　　
　　}
　　
　　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*）"robotinterface";
　　
　　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)：
　　
　　uint8constmenuico1[]={
　　
　　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。
　　
　　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*避免了器件的片選線尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)具有zui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;
　　
　　elseselect--;//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(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（uint32x0,uint32y0,uint32x1,uint32y1,tcolorcolor），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。
　　
　　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。　　　　
　　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。
　　
　　參考文獻：
　　
　　1.周立功等，arm與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程，廣州周立功單片機發(fā)展有限公司，2004.11
　　
　　2.周立功，arm微控制器基礎(chǔ)與實戰(zhàn)，北京航天航空大學(xué)出版社，2003
　　
　　3.周立功等，arm嵌入式系統(tǒng)實驗教程，北京航天航空大學(xué)出版社，2004.11