目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì) 人機(jī)界面（human-computerinterface），又稱用戶界面、人機(jī)交互、人機(jī)接口等，是人與機(jī)器之間傳遞、交換信息的媒介是用戶使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合操作環(huán)境。在商品競(jìng)爭(zhēng)中，一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的勝利與否在某種程度上也取決于用戶使用界面的感受好壞，因此，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有著重要的作用。嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)人機(jī)界面操作的實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)潔化，強(qiáng)調(diào)在特定平臺(tái)上特定應(yīng)用的時(shí)間空間效率。在傳統(tǒng)的小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。程序設(shè)計(jì)一般采納前后臺(tái)工作方式。應(yīng)用程序是一個(gè)無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作（crltica

2、loperation）是靠中斷服務(wù)來保證的。由于中斷服務(wù)供應(yīng)的信息始終要等到后臺(tái)程序走到該處理此信息這一步時(shí)才能得處處理這種系統(tǒng)在處理信息的準(zhǔn)時(shí)性上，比實(shí)際可以做到的要差。最壞狀況下的任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間取決于整個(gè)循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間。由于循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間不是常數(shù)，程序經(jīng)過某一特定部分的精確時(shí)間也是不能確定的。假如程序修改了，循環(huán)的時(shí)序也會(huì)受到影響 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將應(yīng)用分解成多任務(wù)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。良好的多任務(wù)設(shè)計(jì)，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和牢靠性，并使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到保證。許多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)供應(yīng)了專用函數(shù)，簡(jiǎn)化了程序的測(cè)試。 1、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 如圖l所示，人機(jī)界面系統(tǒng)采納小鍵盤操作的文本菜單方式，使用在嵌

3、入式數(shù)字視頻錄像DVR（DigitalVideoRecord）系統(tǒng)中。在MSP430F149上移植C/OS來獨(dú)立實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的功能，用戶通過鍵盤輸入指令，經(jīng)過單片機(jī)處理后發(fā)往主系統(tǒng)，同時(shí)把相應(yīng)信息通過專用芯片的OSD（0nScreenDisplay）功能顯示在監(jiān)視器上；用戶依據(jù)監(jiān)視器上的信息進(jìn)行菜單操作，形成人與機(jī)器的交互。 把人機(jī)界面部分從主系統(tǒng)中獨(dú)立出來，用戶全部輸入的指令由單片機(jī)來處理，削減了主系統(tǒng)的工作量，使整個(gè)系統(tǒng)模塊化，便于開發(fā)和調(diào)試，提高了牢靠性和穩(wěn)定性另外，這種人機(jī)界面設(shè)計(jì)具有通用性，便于移植到各種嵌入式系統(tǒng)中。本系統(tǒng)選用MSP430nF149單片機(jī)，是基于以下三個(gè)方面的緣由：

4、 OSD功能需要常常刷新，并且要處理與主機(jī)部分的數(shù)據(jù)交換，要求單片機(jī)的計(jì)算速度足夠高，并且要求嵌入式系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且芯片功耗低。 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)本身要耗費(fèi)一部分內(nèi)存，同時(shí)0SD功能要求建立字庫，要求內(nèi)存空間足夠大，否則要外接閃存，增加設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單度及成本。要連接鍵盤電路，需較多IO口。MSP430系列單片機(jī)是由TI公司開發(fā)的16位單片機(jī)。其突出特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)超低功耗，適合于各種功率要求低的應(yīng)用；有較高的處理速度，在8MHz晶振的驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125ns;MSP430F149具有60KB的FlashROM和2KBRAM，可滿意系統(tǒng)程序量和數(shù)據(jù)量大的要求，可以解決由于加載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)而增加的

5、內(nèi)存需求，具有2個(gè)串行通信接口，其中一個(gè)串口用于跟主系統(tǒng)通信，另一個(gè)可用于掌握其他外圍模塊；具有48個(gè)可獨(dú)立編程的IO口，其中有2個(gè)具有中斷功能的8位并行端口，在設(shè)計(jì)按鍵電路時(shí)，可便利地采納中斷方式識(shí)別鍵值。 2、軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2.1實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) COSII是一個(gè)源碼開放，擁有搶占式內(nèi)核，支持多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；任務(wù)被分為休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、掛起態(tài)和被中斷態(tài)五種狀態(tài)，內(nèi)核依據(jù)任務(wù)所處的狀態(tài)對(duì)任務(wù)作相應(yīng)的處理，已經(jīng)預(yù)備就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)對(duì)CPU的使用權(quán)。系統(tǒng)大部分代碼采納C語言編寫，與硬件相關(guān)的部分很集中，并給出了規(guī)范的接口說明，移植相當(dāng)便利，可應(yīng)用于目前大

6、多數(shù)型號(hào)的8位、16位、32位CPU。COSII供應(yīng)的僅僅是一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，對(duì)硬件系統(tǒng)要求很低，很適合在低端CPU上開發(fā)小系統(tǒng)。 將COSII移植在MSP430F149單片機(jī)上，對(duì)其進(jìn)行裁減，只保留消息隊(duì)列一種任務(wù)間通信方式，利用它的任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占機(jī)制，使人機(jī)界面很好地滿意嵌入式系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和牢靠性的要求。下面具體介紹基于C0SII操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。 2.2軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)基于E-O模型的思想，劃分大事和目標(biāo)。以有限狀態(tài)機(jī)的方式，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)COS一中，用狀態(tài)機(jī)把目標(biāo)和大事聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)OA（Object-Action）行為模式完成人機(jī)交互的過程，使以小鍵盤操作的文本菜單方

7、式設(shè)計(jì)更清楚。2.2.1大事-目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的用戶界面模型大事-目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的用戶界面模型，即E-O模型（E-vent-ObjectDriveUserInterfaceModel），將人機(jī)交互活動(dòng)歸結(jié)為大事與目標(biāo)的相互作用大事是人機(jī)交互活動(dòng)中傳遞的信息，目標(biāo)是交互活動(dòng)的對(duì)象；大事引發(fā)交互活動(dòng)，目標(biāo)是交互活動(dòng)的承受者。E-O模型基于的基本行為模式是“目標(biāo)-動(dòng)作”（OA），以目標(biāo)為核心，具有面對(duì)對(duì)象風(fēng)格。E-O模型由四個(gè)規(guī)律部件組成：設(shè)備管理模塊（devicemanagementmodule），供應(yīng)與各種交互設(shè)備的接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備無關(guān)特性；大事管理子系統(tǒng)（eventMan-agementsubsystem），

8、它讀取輸入設(shè)備的輸入信息形成大事并進(jìn)行統(tǒng)一管理，將反饋信息的大事解釋為適當(dāng)?shù)妮敵鲋噶畈魉徒o輸出設(shè)備；目標(biāo)管理子系統(tǒng)（objectMan-agementsubsystem），創(chuàng)建、裝載、保存用戶界面中各類目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行管理，大事-目標(biāo)管理子系統(tǒng)（event-objectmanagementsubsystem），主要職責(zé)是實(shí)現(xiàn)大事與目標(biāo)的整合，按適當(dāng)策略掌握大事在各目標(biāo)結(jié)點(diǎn)之間流淌，以形成和維持交互的過程，是整個(gè)用戶界面系統(tǒng)的核心。 2.2.2有限狀態(tài)機(jī)的形式化描述 有限狀態(tài)機(jī)FSM（FiniteStateMachine）由狀態(tài)、大事、轉(zhuǎn)換和活動(dòng)組成。每個(gè)狀態(tài)有1個(gè)狀態(tài)進(jìn)入動(dòng)作（entrya

9、ction）和1個(gè)狀態(tài)退出動(dòng)作（exitaction），每個(gè)轉(zhuǎn)換有1個(gè)源狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)并且與1個(gè)大事相關(guān)聯(lián)。當(dāng)在源狀態(tài)時(shí)，該大事發(fā)生且觸發(fā)轉(zhuǎn)換的監(jiān)護(hù)條件為真，則挨次執(zhí)行下列一些動(dòng)作：源狀態(tài)的退出動(dòng)作；轉(zhuǎn)換動(dòng)作；目標(biāo)狀態(tài)的進(jìn)入動(dòng)作。FSM可以形式化表示為1個(gè)五元組：M=（0，I，S，S0）。其中，S為有限狀態(tài)集；I為有窮的大事輸入集；0為有窮的輸出集，S0為初始狀態(tài)集；：S×IS，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)的過程；：S×IO，產(chǎn)生輸出的過程。T=U。T中的每個(gè)元素又可以表示為1個(gè)五元組，T=（Soure-State，Target-State，Input-Event，Con-straint

10、，Action）。其中“Source-State”和“Target-State”分別表示T的初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，“Input-Event”表示來自于I的輸入大事或?yàn)榭?，“Constramt”表示監(jiān)護(hù)條件及輸入大事參數(shù)等約束，Action表示轉(zhuǎn)換執(zhí)行的動(dòng)作。 用軟件實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)有兩種方法：表格法和過程驅(qū)動(dòng)法。表格驅(qū)動(dòng)法利用一個(gè)二維數(shù)組。該數(shù)組中的短一行與一個(gè)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，每一列與一個(gè)輸入大事相對(duì)應(yīng)，每一項(xiàng)則與某一狀態(tài)下對(duì)大事的處理相對(duì)應(yīng)。表格驅(qū)動(dòng)法適用于具有結(jié)構(gòu)規(guī)章、操作簡(jiǎn)潔的有限狀態(tài)機(jī)。 過程驅(qū)動(dòng)法為每一個(gè)狀態(tài)都定義一個(gè)處理過程，處理過程實(shí)現(xiàn)在此狀態(tài)時(shí)對(duì)大事的響應(yīng)，包括輸出處理及對(duì)當(dāng)前狀態(tài)值的

11、轉(zhuǎn)換。這個(gè)過程可以用case語句區(qū)分大事，并采納相應(yīng)的處理。無論采納何種方法實(shí)現(xiàn)FSM，當(dāng)FSM收到一條消息時(shí)必需知道當(dāng)前的狀態(tài)。為此，對(duì)應(yīng)每一個(gè)狀態(tài)機(jī)必需能夠保存當(dāng)前所處的狀態(tài)。過程法適用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有幾種轉(zhuǎn)換和簡(jiǎn)單操作的有限狀態(tài)機(jī)。 2.3程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 基于消息驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)思想，為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在中斷中只負(fù)責(zé)發(fā)送消息到相應(yīng)的任務(wù)的消息隊(duì)列，由應(yīng)用級(jí)的任務(wù)來處理，保證各個(gè)處理的時(shí)間是可確定的主程序在消息循環(huán)中不斷地推斷各個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，執(zhí)行進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)。這就允許采納異步方式處理各種中斷及任務(wù)。本系統(tǒng)程序中采納了兩組有限狀態(tài)機(jī)，運(yùn)用消息驅(qū)動(dòng)的方式來驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的變更。一組是通信任務(wù)中以

12、串口接收數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為大事對(duì)象的有限狀態(tài)機(jī)，另一組是以用戶按鍵和命令碼驅(qū)動(dòng)為大事對(duì)象的有限狀態(tài)機(jī)在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)COS一下，整個(gè)人機(jī)界面分為三個(gè)模塊，即三個(gè)任務(wù)來實(shí)現(xiàn)，分別是鍵值處理模塊、與主機(jī)通信模塊和時(shí)鐘模塊。 （1）鍵值處理模塊 OSTaskCreate（KEYTaskStart，（void）O，TaskKey-Stk，7）；先初始化全部的模塊，然后在循環(huán)中接收并處理鍵盤的輸入，Key-Process（charKeyValue）依據(jù)相應(yīng)的輸入鍵值和系統(tǒng)所處的狀態(tài)，對(duì)菜單進(jìn)行相應(yīng)的操作。State_Trans（charRxData）依據(jù)鍵值輸入大事負(fù)責(zé)調(diào)度系統(tǒng)的狀態(tài)，并在相應(yīng)的狀態(tài)下，依據(jù)從主系

13、統(tǒng)收到的信息顯示菜單。（2）主機(jī)通信模塊OSTaskCreate（UARTTaskskStart，（void）O，TaskU-artStk，6）；通過消息隊(duì)列OSQPend（OS_EVENTpevent，INTl6Utimeout，INT8Uerr），接受串口中斷發(fā)來的消息隊(duì)列，對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在人機(jī)交互的過程中，需要大量的與主系統(tǒng)的交互，單獨(dú)用一個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)與主系統(tǒng)的通信，實(shí)現(xiàn)串口接收數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的有限狀態(tài)機(jī)。（3）時(shí)鐘模塊OSTaskCreate（TimcTCk，（void）O，TimeTickStk，5）；時(shí)鐘任務(wù)，使用單片機(jī)的時(shí)鐘中斷，可以設(shè)置各個(gè)任務(wù)需要的定時(shí)器，通過消息隊(duì)列發(fā)給需要

14、定時(shí)的任務(wù)。 2.3.1串口接收數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的有限狀態(tài)機(jī) 為了保證通信的牢靠，系統(tǒng)中采納停止等待協(xié)議。在發(fā)送數(shù)據(jù)前要對(duì)數(shù)據(jù)打包，接收到數(shù)據(jù)要先解包，單片機(jī)在接收主系統(tǒng)發(fā)過來數(shù)據(jù)包的后需要去掉通信協(xié)議字段，然后對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的處理。為此，定義了一個(gè)Frame-FSM類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。typedefstructbyteState；當(dāng)前所處的狀態(tài)byteSYM_Plas；轉(zhuǎn)義字符標(biāo)志，若為1，表示需對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)義bytcDatoLenoth；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度byteCheekSum；校驗(yàn)和byteOffset；偏移地址，對(duì)應(yīng)當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)在該幀中的位置byteFrame_Data

15、；幀內(nèi)的有效數(shù)據(jù)Frame_FSM；利用主機(jī)發(fā)送過來的消息驅(qū)動(dòng)有限狀態(tài)機(jī)，串口接收數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的有限狀態(tài)機(jī)包括以下幾種狀態(tài)； 任意狀態(tài)。無論單片機(jī)原來處于何種狀態(tài)，收到字符0xaa，都表明1幀新的數(shù)據(jù)即將開頭發(fā)送。此時(shí)，假如單片機(jī)處于1幀正在接收的狀態(tài)。就會(huì)丟棄原數(shù)據(jù)重新進(jìn)入收到同步字符狀態(tài)。 任意狀態(tài)（除了INIT_STATE之外）。無論單片機(jī)原來處于何種狀態(tài)收到字符0xfc，都表明系統(tǒng)中消失了轉(zhuǎn)義字符。此時(shí)，將轉(zhuǎn)義字符標(biāo)志置1，丟棄當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)后返回；每一次進(jìn)入重建幀處理函數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)首先推斷轉(zhuǎn)義字符標(biāo)志是否為l。若為l，則依據(jù)當(dāng)前字符進(jìn)行轉(zhuǎn)義（當(dāng)前字符為0x00，則轉(zhuǎn)義為Oxaa；當(dāng)前字符

16、為0x01，則轉(zhuǎn)義為Oxfc；假如為其他字符則丟棄），然后將轉(zhuǎn)義字符標(biāo)志重新清O。INIT_STATE，初始狀態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)下，將重建幀的偏移地址和校驗(yàn)和清0，然后等待接收數(shù)據(jù)。收到起始宇符Oxaa后，將狀態(tài)轉(zhuǎn)入AA_SYN_STATE；收到其他字符都丟棄不理。AA_SYN_STATE，收到同步字符狀態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)下，MCU將重建幀的偏移地址和校驗(yàn)和清0，然后將狀態(tài)置為接收源地址狀態(tài)。SRC_ADDR_STATE，收到源地址狀態(tài)。此時(shí)比較源地址是否是主機(jī)地址。若是，則轉(zhuǎn)接收目的地址狀態(tài)；否則，轉(zhuǎn)初始狀態(tài)。DEST_ADDR_STATE，收到目的地址狀態(tài)。此時(shí)比較目的地址是否是MCU地址。若是，

17、則轉(zhuǎn)接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度狀態(tài)；否則，轉(zhuǎn)初始狀態(tài)；DATA_LEN_STATE，接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度狀態(tài)。將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度備份，轉(zhuǎn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。DATA_STATE，接收正常數(shù)據(jù)狀態(tài)。將接收的數(shù)據(jù)存入接收數(shù)組REBUF中，每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)就將對(duì)應(yīng)的偏移地址加l，接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度減1，并且計(jì)算此時(shí)的校驗(yàn)和。當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度減為0時(shí)，表明l幀數(shù)據(jù)已經(jīng)全部接收完畢，轉(zhuǎn)入檢驗(yàn)校驗(yàn)和狀態(tài)。CHECKSUM_STATE，接收校驗(yàn)和狀態(tài)。將接收的校驗(yàn)和與本地計(jì)算的校驗(yàn)和進(jìn)行比較。假如兩者相等，將狀態(tài)轉(zhuǎn)為INIT_STATE，然后對(duì)正確的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，并給主系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀；假如兩者不等，丟棄該幀，狀態(tài)轉(zhuǎn)入INIT_STATE，等待接收

18、新的數(shù)據(jù)幀。對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（statetransitiondiagram）如圖2所示。 2.3.2鍵值和命令碼驅(qū)動(dòng)的有限狀態(tài)機(jī) 這組有限狀態(tài)機(jī)主要依靠用戶對(duì)菜單的操作進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即把鍵值和命令碼作為FSM的激勵(lì)源，其中鍵盤消息是最主要的激勵(lì)源。應(yīng)用層的FSM具有多種主狀態(tài)，用戶未按鍵或者是沒有接收到新的數(shù)據(jù)幀時(shí)，狀態(tài)處于IDLE_STATE；接收到消息后，轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的主狀態(tài)。然后，依據(jù)按鍵的不同或者是接收命令碼的不同，轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的子狀態(tài)進(jìn)行處理。任務(wù)處理完畢，再將狀態(tài)置為IDLE_STATE，按取消鍵，可回到上一級(jí)狀態(tài)。 以用戶掌握云臺(tái)上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)為例，系統(tǒng)開頭處于IDLE_STATE。若用戶按云臺(tái)鏡頭掌握鍵，則進(jìn)入云臺(tái)鏡頭選擇狀態(tài)，并顯示云臺(tái)鏡頭掌握菜單選擇云臺(tái)掌握選項(xiàng)后，進(jìn)入云臺(tái)方向設(shè)置狀態(tài)；選擇向上鍵，轉(zhuǎn)入向上狀態(tài)。在該狀態(tài)執(zhí)行向上命令操作后，狀態(tài)重新轉(zhuǎn)入IDLE_STATE，并伴隨著輸出菜單的相應(yīng)變化，按取消鍵可回到上一級(jí)云境選擇狀態(tài)。對(duì)于其他按鍵，系統(tǒng)全部過濾掉不作響應(yīng)，