基于MC9S12X微處理器的人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原云峰

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046011）

1 人機(jī)界面概述

人機(jī)界面（The Human－Machine Interface，HMI）即用戶界面（User Interface，簡稱 UI），是設(shè)備與人之間通信交流的窗口［1］。通過該界面操作人員可實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的交互作用。

一般人機(jī)界面系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要包括微處理器單元、顯示單元、輸入單元、通信單元以及存貯單元等。其中微處理器是人機(jī)界面中最重要的元件，它的性能直接決定用戶界面產(chǎn)品的性能。

根據(jù)人機(jī)界面產(chǎn)品等級的不同，一般微處理器可選用8位、16位、32位的處理器。而軟件通常有兩種，一種為使用成熟組態(tài)軟件二次開發(fā)的用戶界面，該類型人機(jī)界面產(chǎn)品功能強(qiáng)大，界面美觀，但對微處理器的要求較高，且成本較高；另外一種為普通界面，可完成基本的操作、數(shù)據(jù)顯示以及存儲(chǔ)功能，該軟件成本較低，對微處理器的要求也不高［2］。

2 微處理器MC9S12X

微處理器（MCU）廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中，將它與液晶屏組合，可設(shè)計(jì)出功能較強(qiáng)的人機(jī)界面。MC9S12X是一款以16位HCS12X為內(nèi)核的微控制器（MCU）。它包括256kbyte的Flash，4 kbyte的 E2PROM，4個(gè)異步串行通訊接口（AsynchronousSerial Communications Interface，SCI），8通道增強(qiáng)型捕獲定時(shí)器（ECT），3個(gè)串行外圍接口（Serial Peripheral Interface，SPI），具體有 8 通道的 10位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），3個(gè) CAN 2.0A／B協(xié)議的MSCAN通訊口，如果需要外擴(kuò)總線，它還具有獨(dú)立的23位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線。其內(nèi)置的鎖相環(huán)電路可實(shí)現(xiàn)低功耗晶振，可根據(jù)系統(tǒng)的具體要求做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整［3］。

3 液晶模塊介紹

液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）［4］，具有體積小、功耗小、清晰度高、無閃爍、重量輕、受外界磁場干擾小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已在許多領(lǐng)域得以廣泛使用；雖然發(fā)光二級管（LED）具有亮度高、字體醒目、電壓低的特點(diǎn)，但其顯示的信息量少，一般只用于顯示數(shù)據(jù)量不大的場合。目前，在一些專業(yè)領(lǐng)域上，LCD已逐漸取代LED［5］。

在用戶界面系統(tǒng)中，應(yīng)該具有友好的界面菜單，也就是用戶操作將更加簡單明了；既能顯示漢字，還能顯示圖形，并具有英文或數(shù)字的輸入功能。本文采用LM1095R，它為192×128點(diǎn)陣中文／圖形液晶顯示模塊，內(nèi)置RA8803控制器。該液晶屏不僅可以顯示單一的文本、圖形，而且可以實(shí)現(xiàn)雙圖層的合成顯示，此外還能產(chǎn)生四階灰度的效果，并且在文本模式下能夠?qū)崿F(xiàn)大小字體的混編（最大字體為64×64）；在連續(xù)輸入資料時(shí)，可自動(dòng)設(shè)定行距；畫面美觀，節(jié)省了用戶的開發(fā)時(shí)間［5］。該液晶屏的特點(diǎn)為：①采用單電源供電，內(nèi)置升壓電路；②具有高對比度，F(xiàn)STN型LCD屏；③白色LED背光；④內(nèi)嵌簡體中文字庫（7602個(gè)漢字）；⑤雙圖層內(nèi)存（2×9.6K顯示存儲(chǔ)器）。

4 LM1095R與MC9S12X的硬件連接

如圖1所示為微處理器MC9S12X與液晶模塊LM1095R的接口電路圖。

圖1 液晶接口電路

圖1中，DB0－DB7為數(shù)據(jù)總線，用來傳輸數(shù)據(jù)或指令。／CS為片選端口，／RD為讀控制端口，／WR為寫控制端口。該系統(tǒng)的具體工作流程為：當(dāng)／RD為高電平且／WR與／CS同時(shí)為低電平時(shí)，表示微處理器正向液晶模塊寫數(shù)據(jù)；當(dāng)／WR為高電平且／RD＝0與／CS同時(shí)為低電平時(shí)，表示微處理器正從液晶模塊讀數(shù)據(jù)。RS是傳輸數(shù)據(jù)或者傳輸指令的控制端口，當(dāng)RS為高電平時(shí)，表示微處理器通過DB0－DB7傳輸數(shù)據(jù)；當(dāng)RS為低電平時(shí)，表示微處理器通過DB0－DB7發(fā)出指令。Vout是液晶模塊調(diào)壓器的輸出電壓，V0是液晶模塊的對比度參數(shù)輸入，通過設(shè)置Vout和V0來控制液晶的對比度；BLA引腳為液晶模塊的背光引腳。

5 液晶顯示的軟件編寫

如圖2所示為液晶顯示屏的讀寫時(shí)序圖。

圖2 LCD的讀寫時(shí)序圖

按照時(shí)序圖編寫寫數(shù)據(jù)函數(shù)（總線頻率40MHz）：

void write＿data（unsigned char wrdata）

按照時(shí)序圖編寫寫寄存器函數(shù)（總線頻率40MHz）：

void write＿register（unsigned char address，unsigned char wrdata）

通過上面兩個(gè)函數(shù)就可以對液晶進(jìn)行進(jìn)一步的軟件編寫。液晶顯示的初始化程序如下：

該設(shè)計(jì)將使液晶模塊能實(shí)時(shí)顯示微處理器所接收到的數(shù)據(jù)，以及需要處理的數(shù)據(jù)值，并且具有翻行與翻頁功能，以方便用戶查看。該人機(jī)界面的另一功能為波形顯示，即可將存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示于液晶屏上，方便使用者直觀地觀察數(shù)據(jù)的變化趨勢。

6 輸入模塊設(shè)計(jì)

為了滿足人機(jī)界面的輸入要求，本文設(shè)計(jì)的人機(jī)界面還設(shè)計(jì)了輸入模塊，即通過8個(gè)按鍵來控制液晶屏的數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)的修改。在微處理器中采用具有中斷功能的H端口來響應(yīng)按鍵的輸入，即一旦有按鍵按下，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，微處理器在接收到這個(gè)下降沿后，就會(huì)觸發(fā)一次中斷，程序會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到鍵盤的中斷服務(wù)子程序，執(zhí)行中斷任務(wù)。如果沒有按鍵按下，微處理器的H端口將讀到高電平；即觸發(fā)任何按鍵都將使輸入變?yōu)榈碗娖剑瑥亩|發(fā)微處理器發(fā)生中斷。

輸入系統(tǒng)的部分程序?yàn)椋?/p>

函數(shù)initial＿button（）將H端口設(shè)置為輸入，下降沿觸發(fā)微處理器中斷。

在中斷函數(shù)中，首先需要進(jìn)行防抖動(dòng)處理，以提高系統(tǒng)的可靠性，之后再對按鍵進(jìn)行解釋，以確定是哪個(gè)按鍵閉合，最后將按鍵標(biāo)志key＿flag置“1”，退出中斷，回到主程序。

主程序中，循環(huán)讀取 key＿flag，當(dāng) key＿flag＝1 時(shí)進(jìn)入按鍵子程序。

設(shè)計(jì)按鍵模塊的難點(diǎn)在于如何區(qū)分同一個(gè)按鍵在不同的情況下具有的不同功能，即同一按鍵功能的復(fù)用。本系統(tǒng)通過設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，即modify＿flag，將按鍵的功能分為兩類，一類是普通模式，一類是修改模式，這樣只用7個(gè)按鍵就可以完成大部分系統(tǒng)的功能。

7 結(jié)束語

本文給出了以微處理器MC9S12X為控制器的人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，詳細(xì)介紹了MC9S12X與液晶顯示屏之間的硬件設(shè)計(jì)以及軟件程序，并給出了輸入模塊的設(shè)計(jì)思路和方法。本文中的程序均為函數(shù)形式，采用C語言編寫，具有通用性和可移植性。

［1］王建國.儀器產(chǎn)品的人機(jī)硬界面關(guān)系設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2004，（5）：60－63.

［2］韋永辦.圖形模塊的菜單方式人機(jī)交互界面［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002（11）：32－33.

［3］常 越.M68HC08單片機(jī)原理及C語言開發(fā)實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［4］錢玲莉，陳 爭，李業(yè)軍.液晶與液晶顯示器［J］.現(xiàn)代電視技術(shù)，2005，（9）：96－97.

［5］張文志.當(dāng)前世界液晶材料的進(jìn)展［J］.科技信息，2007，（19）：46－47.