觸摸屏虛擬按鍵的嵌套式控制設計與開發*

魏海波，梅建偉，黃斌偉

（湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北十堰 442002）

0 引言

觸摸屏作為科技發展下人機交互的重要組成單元，能夠控制設備運行，監測設備運行數據，直觀地呈現設備運行狀態，因此在工業生產領域中有著廣泛應用[1-3]。通過配套上位機軟件設計，能夠進行有針對性地開發，通過串口、網口等接口形式實現數據傳輸，配合其他控制器構建完善的自動化控制系統，為工業生產帶來實時性高的友好人機交互界面[4-6]。

在觸摸屏的開發過程中，一般涵蓋了控制和監測兩大基本功能單元。其中控制又包括基本的按鍵控制與參數設定功能。涉及到按鍵控制，一般情況下都要考慮到使用過程中存在的誤操作等因素，需要添加自鎖、互鎖等措施來降低誤操作帶來的生產風險[7-8]。對于虛擬按鍵而言，相較之實體按鍵，具有更加明顯的優勢：實體按鍵可以在任意時刻被操作，如果沒有限制性措施，極易引發不可預料的事故；虛擬按鍵作為觸摸屏上配套的一種功能組件，能夠利用其他的措施對按鍵的操作是否生效進行預評估，使其在不能操作時被鎖死，進而降低生產風險。這對于工業生產中的一般性生產操作人員而言，具有十分重要的意義。

1 按鍵設計

臺達DOP-105CQ觸摸屏是臺達DOP100系列產品中的一款，該系列產品是在早期觸摸屏產品的基礎上通過不斷升級、改進并融入了許多新功能，使得觸摸屏的功能（功能部件、接口形式）更加豐富。其配套開發軟件DOPSoft版本目前已經迭代升級至DOPSoft4.00.11。軟件繼承了早期軟件的離線仿真功能，通過對離線仿真運行結果分析，就能驗證所設計的功能是否達到預期[9]。

按鍵作為觸摸屏上重要的控制模塊，能夠對設備的運行起到控制作用。觸摸屏按鍵組件中常用的有設ON、設OFF、保持型、交替型4種按鍵。其基本情況如表1所示。

表1 四種常見功能按鍵說明一覽表

客戶對按鍵部分有明確要求：能夠對按鍵狀態進行識別。按照客戶的要求，開發過程中對按鍵的類型進行設計，具體信息如表2所示。

表2 按鍵功能要求及設計類型一覽表

在分析的基礎上開展了按鍵控制頁面的設計，整體效果如圖1所示。由圖可知，通過對按鍵內文的設置，能夠從按鍵中的文字直接獲取當前每個按鍵的實時狀態，以便于掌握系統的運行狀況。相較之傳統的采用按鍵配合指示燈來實現的方案，不僅具有更加直觀的顯示效果，而且節省了按鍵及指示燈的硬件開支，產生直接的經濟效益。

圖1 按鍵界面設置整體效果

2 程序設計

2.1 觸摸屏按鍵互鎖分析

若自動/手動模式、手動窗開窗/關窗動作無相互約束條件，在生產過程的任意時間均能對所有按鍵進行操作，極易發生生產事故（可能是工藝事故，也可能是產品事故）[10]。必須設定約束條件對前述按鍵進行互鎖限制。通過分析，進入自動模式的必要條件：所有手動設備全部處于停止狀態；進入手動模式的必要條件：自動模式下手動/自動按鍵就緒，按鍵操作后能夠使系統切入手動模式。同樣的，手動模式下的開窗/關窗按鍵不能同時操作，即在執行開窗操作時關窗按鍵被禁止，在執行關窗操作時開窗按鍵被禁止。因此必須通過一定的手段對這些虛擬按鍵進行激活與禁止，從而避免實體按鍵無法避免的同時操作的問題。

2.2 觸摸屏寄存器設置

臺達觸摸屏內部配置了豐富的寄存器，技術研發人員可以靈活使用這些寄存器，配合組件共同開發功能。在進行按鍵設置時，需要對使用到的寄存器進行預分配。按鍵使用寄存器中的1位來實現，對于預先設計的10個按鍵，僅1個寄存器（寄存器是以字為基本單位，1個字包含16個位）即可完成分配。但是考慮到需要對按鍵進行互鎖控制，而且宏程序對于位的支持有限，使得如果采用單個寄存器進行不同位設置再去處理互鎖信息的話，會導致程序量大且復雜。因此，僅利用不同寄存器的最低位作為任意按鍵的設置地址，這樣對于寄存器就只有‘0’和‘1’兩個值，通過對寄存器的簡單處理，完美地替代了只使用一個寄存器的多個位產生的邏輯處理復雜的問題。臺達觸摸屏對于按鍵配置有“生效位”：當配置的該位處于無效狀態時，按鍵操作無效；當處于有效狀態時，按鍵操作生效。圖2和表3所示即為按鍵內部寄存器以及生效位地址配置。

表3 按鍵及控制地址設置一覽表

圖2 按鍵組件生效位

通過對$39寄存器位地址的置位、復位邏輯判斷控制，即可完成手動/自動模式以及手動窗開窗/關窗的嵌套式兩級互鎖控制。具體程序見后續的宏程序[11-12]小節之畫面Cycle宏程序內容。

2.3 觸摸屏宏程序設計

2.3.1 Initial宏程序

系統上電后應該處于明確的初始狀態：系統處于手動模式，且所有手動設備處于停止狀態，這樣可以操作各手動設備工作；同時手動/自動按鍵應該具備從手動模式切換到自動模式的能力。根據以上分析，需要對設置的10個按鍵分別進行初始化處理。初始化內容如下：

$20=0 //手動模式

$21=0 //手動加濕停止

$22=0 //手動除濕停止

$23=0 //手動風扇停止

$24=0 //手動1窗開窗停止

$25=0 //手動1窗關窗停止

$26=0 //手動2窗開窗停止

$27=0 //手動2窗關窗停止

$28=0 //手動3窗開窗停止

$29=0 //手動3窗關窗停止

2.3.2 按鍵畫面Cycle宏

對于手動/自動模式的互鎖，涉及到所有手動按鍵的狀態。當所有手動設備處于停止狀態時才能切換到自動模式。亦即所有手動按鍵配置寄存器的值均為0時才能啟動手動/自動按鍵進入自動模式。只要不斷地檢測這些值的狀態，就能提供相應的生效依據。循環檢測宏程序內容如下：

$30=0 //配置$30寄存器并清零

$30=$30+$21 //累計手動加濕運行狀態

$30=$30+$22 //累計手動除濕運行狀態

$30=$30+$23 //累計手動風扇運行狀態

$30=$30+$24 //累計手動1窗開窗運行狀態

$30=$30+$25 //累計手動1窗關窗運行狀態

$30=$30+$26 //累計手動2窗開窗運行狀態

$30=$30+$27 //累計手動2窗關窗運行狀態

$30=$30+$28 //累計手動3窗開窗運行狀態

$30=$30+$29 //累計手動3窗關窗運行狀態

IF$30==0 //所有設備處于停止狀態

BITON$39.0 //手動/自動按鍵生效位激活

ELSE //有設備處于運行狀態

BITOFF$39.0//手動/自動按鍵生效位禁止

ENDIF

對于手動窗開窗/關窗的互鎖，涉及到手動/自動模式以及開窗或者關窗按鍵。只有處于手動模式下當開窗/關窗按鍵處于停止狀態時，才能驅動關窗/開窗按鍵進行操作。3個手動窗功能相同，只是在地址位設置上有所差異，這里僅給出手動1窗的循環宏程序內容：

$31=0 //配置$31寄存器并清零

$31=$31+$20//累計手動/自動運行狀態

$31=$31+$25//累計手動1窗關窗狀態

IF$31==0 //1窗關窗停止狀態

BITON$39.1//1窗開窗按鍵生效位激活

ELSE //不滿足狀態要求

BITOFF$39.1//1窗開窗按鍵生效位禁止

ENDIF

$32=0 //配置$32寄存器并清零

$32=$32+$20 //累計手動/自動運行狀態

$32=$32+$24 //累計手動1窗開窗狀態

IF$32==0 //1窗開窗停止狀態

BITON$39.2 //1窗關窗按鍵生效位激活

ELSE //不滿足狀態要求

BITOFF$39.2//1窗關窗按鍵生效位禁止

ENDIF

3 仿真測試

通過對按鍵設置以及宏程序設計，按鍵控制已經具備設定的互鎖功能。利用DOPSoft軟件自帶的脫機模擬測試功能模擬實物的功能測試。

首先對編寫的宏程序進行編譯，編譯有問題時會出現提醒，并定位至程序異常位置處。編譯通過后當前的設計內容就可以實現模擬離線測試以及通過USB將設計內容下載至觸摸屏等操作。打開離線測試功能，軟件運行完后跳轉至仿真畫面，通過鼠標對按鍵的操作可以模擬在觸摸屏上人手的按鍵操作。其功能測試結果如圖3所示。從圖中可以看出，進入仿真測試畫面后，系統處于手動就緒狀態，如圖3（a）所示，此時所有按鍵均處于激活有效狀態下。當按下手動/自動按鍵后，系統進行自動控制狀態，如圖3（b）所示，此時所有的手動按鍵均被封鎖，即使操作亦無反應。同樣的，當再次按下手動/自動按鍵后，系統返回到手動控制狀態，所有手動設備均能夠獨立運行，且任意窗的開窗與關窗不能同時處于運行狀態。在所有設備沒有處于停止狀態下，系統無法切換至自動狀態，如圖3（c）所示。測試結果與預期的指標相同，實現了預期的設計任務。

圖3 DOPSoft按鍵離線狀態功能測試

4 結束語

本文給出了臺達觸摸屏按鍵嵌套式互鎖的具體設計內容。通過按鍵組件的生效位應用，配合宏程序編程，完成了多按鍵下的手動/自動以及手動設備二級互鎖設計，從而有效地預防因操作人員操作失誤帶來的生產風險。文中給出的設計方案，可以通過適當的修改移植到類似觸摸屏按鍵設計過程中，具備較好的參考價值。