新型人機(jī)交互接口電路的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1 引言

在當(dāng)今的各種實(shí)時(shí)自動(dòng)控制和智能化儀器儀表中，人機(jī)交互是不可缺少的一部分。一般而言，人機(jī)交互是由系統(tǒng)配置的外部設(shè)備來(lái)完成，但其實(shí)現(xiàn)方式有兩種：一種是由MCU力口驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)，如鍵盤(pán)顯示控制芯片SK5279A，串行數(shù)據(jù)傳輸數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219等等，這時(shí)顯然MCU沒(méi)有LCD的驅(qū)動(dòng)功能。另一種就是MCU本身具有驅(qū)動(dòng)功能，它通過(guò)數(shù)據(jù)總線與控制信號(hào)直接采用存儲(chǔ)器訪問(wèn)形式或I／O設(shè)備訪問(wèn)形式控制鍵盤(pán)和LCD實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。這里的MCU主要有世界各大單片機(jī)生產(chǎn)廠商開(kāi)發(fā)的各種單片機(jī)，其中TI公司的MSP430系列因其許多獨(dú)特的特性引起許多研究人員的特別關(guān)注，在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展應(yīng)用正逐步走向成熟。

2 LCD簡(jiǎn)介

LCD(Liquid Crystal Display)，即液晶顯示器。液晶顯示是通過(guò)環(huán)境光來(lái)顯示信息的，它本身并不發(fā)光，因而功耗很低，只要求液晶周?chē)凶銐虻墓鈴?qiáng)。LCD是人與機(jī)器溝通的重要界面，早期以顯像管(CRT／Cathode Ray Tube)顯示器為主，但隨著科技不斷進(jìn)步，各種顯示技術(shù)如雨后春筍般誕生。LCD由于具有輕薄短小、低耗電量、無(wú)輻射危險(xiǎn)、平面直角顯示以

及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，逐漸占據(jù)顯示的主流地位。

LCD的類(lèi)型，根據(jù)其分類(lèi)方式的不同而不同。如根據(jù)LCD顯示內(nèi)容的不同可以分為段式LCD和點(diǎn)陣LCD。根據(jù)LCD驅(qū)動(dòng)方式的不同可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和多路驅(qū)動(dòng)。

3 MSP430F44X簡(jiǎn)介

MSP430F44X系列是TI公司最新推出的具有超低功耗特性的Flash型16位RISC指令集單片機(jī)[2]。該系列單片機(jī)性?xún)r(jià)比相當(dāng)高，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)勢(shì)。它主要應(yīng)用在各種要求極低功率消耗的場(chǎng)合，特別適合用于智能測(cè)量?jī)x器、各種醫(yī)療器械、智能化家用電器和電池供電便攜設(shè)備產(chǎn)品之中。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MSP430F44X的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要包括：CPU、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、FLL+時(shí)鐘系統(tǒng)(片內(nèi)DCO+晶體振蕩器)、看門(mén)狗定時(shí)器／通用目的定時(shí)器(WatchDog)、ADCl2(12位A／D)、比較器A(精確的模擬比較器，常用于斜邊(Slope)A／D轉(zhuǎn)換)、復(fù)位電壓控制／電源電壓管理、基本定時(shí)器(Basic Timerl)、定時(shí)器(Timer-a和Timer-B)、LCD控制器/比較器(多達(dá)160段)、硬件乘法器、I/O口和串行口[4]。系列中各種具體的型號(hào)稍有差別。在本次設(shè)計(jì)中，具體選擇MSP430F449作為人機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)具有許多獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。這一點(diǎn)，讀者可以根據(jù)TI公司相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行比較。

3.2 片內(nèi)外模塊特性

MSP430F44X具有豐富的片內(nèi)外圍模塊，其明顯的特點(diǎn)是：具有48條I／0口線的6個(gè)并行口P1-P6，其中P1、p2具有中斷能力，同時(shí)具有2個(gè)可用于UART/SPI模式選擇的串 行口 (USART0和USARTl)； 內(nèi)含12位的A／D轉(zhuǎn)換器ADCl2，快速執(zhí)行8×8、8×16、16×16乘法操作并立即得到結(jié)果的硬件乘法器；多達(dá)160段的LCD控制器／比較器，可以實(shí)現(xiàn)多種方式的驅(qū)動(dòng)顯示；可以實(shí)現(xiàn)UART、PWM、斜坡ADC的16位Timer-A和16位Timer-B；非常靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)，既可用32768Hz的鐘表晶振產(chǎn)生低頻時(shí)鐘，也可以用450kHz-8MHz的晶體產(chǎn)生高頻時(shí)鐘，同時(shí)還可以使用外部時(shí)鐘源或者用不同控制頻率的DCO；多達(dá)幾十kB的Flash空間，這樣數(shù)據(jù)既可以保存在片內(nèi)的Flash信息存儲(chǔ)器，也可保存在程序的Hash中的剩余空間。

4 接口電路設(shè)計(jì)

4.1 接口電路簡(jiǎn)圖及說(shuō)明

典型應(yīng)用電路示意圖。在該圖中，LCD類(lèi)型和鍵盤(pán)種類(lèi)及數(shù)目的選擇、下拉電阻的數(shù)值大小都必須認(rèn)真考慮，硬件設(shè)計(jì)要滿足一定的工作時(shí)序關(guān)系，復(fù)位時(shí)預(yù)留緩沖時(shí)間和懸空部分引腳，晶振的選擇要在適當(dāng)?shù)臄?shù)值，必須保證交流驅(qū)動(dòng)的頻率在30Hz-1000Hz范圍內(nèi)，其具體的情況請(qǐng)?jiān)敿?xì)參考TI公司的相關(guān)資料[3]。

4.2 段型液晶顯示屏EDS820A簡(jiǎn)介

一般而言，LCD分為筆段型和點(diǎn)陣字符型及點(diǎn)陣圖形型。筆段型主要是顯示數(shù)字，常用于計(jì)數(shù)、計(jì)量和計(jì)時(shí)；點(diǎn)陣字符型用于顯示數(shù)字和西文字符；點(diǎn)陣圖形型用于顯示圖形及字符。本設(shè)計(jì)中用到的EDS820A就是由西安新敏電子科技有限公司生產(chǎn)的筆段型LCD。是該顯示屏的各個(gè)引腳的邏輯功能表。

顯而易見(jiàn)，該產(chǎn)品EDS820A是5位的液晶顯示屏，它只有4個(gè)DP，用于顯示小數(shù)點(diǎn)；COM端也只有一個(gè)，所以該LCD與MSP430F449的管腳連接應(yīng)該引起足夠重視.

5 軟件設(shè)計(jì)

硬件連接電路圖為例，編寫(xiě)了鍵盤(pán)控制及顯示程序，程序在IAR Embedded Workbench編譯通過(guò)。全部主程序包括詳細(xì)的發(fā)射和接收子程序，及初始化和等待鍵盤(pán)輸入轉(zhuǎn)換、顯示等等，值得注意的是發(fā)射與接收的控制要適當(dāng)。

該程序是用匯編編寫(xiě)的。程序?qū)崿F(xiàn)的是等待按鍵輸入，讀取鍵值，最后進(jìn)行鍵值處理和顯示的功能。

檢測(cè)是否有鍵按下是通過(guò)KEY是否有高電平信號(hào)。平時(shí)，KEY為低電平，當(dāng)有鍵按下時(shí)為高電平，它發(fā)送一個(gè)脈沖給單片機(jī)MSP430F449，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)時(shí)，判斷按鍵的功能，從而進(jìn)行相應(yīng)的處理。

6 人機(jī)接口電路在體內(nèi)電刺激器中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)上，在進(jìn)行疾病控制時(shí)，通?？梢酝ㄟ^(guò)電極以一定波形(如方波、正弦波等)、頻率、幅度、占空比等電信號(hào)對(duì)神經(jīng)或肌肉進(jìn)行刺激，以使其支配相應(yīng)的功能或肌肉產(chǎn)生收縮／舒張動(dòng)作，從而有利于癥狀的減輕。由于不同部位的神經(jīng)或肌肉對(duì)電刺激發(fā)生的敏感水平不同，不同強(qiáng)弱和不同性質(zhì)的電信號(hào)所產(chǎn)生的刺激效果是不一樣的。我們研制的體內(nèi)電刺激器，可以產(chǎn)生手術(shù)時(shí)所需要的具有不同的頻率、幅度、占空比的不同波形信號(hào)。該儀器幅度、占空比準(zhǔn)確，頻率穩(wěn)定，各參數(shù)均可以精確的調(diào)節(jié)。而且，由于使用了LCD顯示，它與單片機(jī)的連接簡(jiǎn)單。LCD具有質(zhì)量輕、體積小、電壓低、功耗小、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)，其人機(jī)界面相當(dāng)友好。但人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到整臺(tái)儀器的使用效果。

根據(jù)需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了5個(gè)鍵。這里，S1表示波形的振幅，S2表示波形的頻率，S3表示波形的占空比，S4為+1鍵，S5為-1鍵。通過(guò)54，S5可以調(diào)節(jié)波形的各個(gè)參數(shù)值。其中，振幅可以是在一個(gè)參考值的基礎(chǔ)上的0-99.9％；頻率可以是1Hz-999Hz；占空比調(diào)節(jié)范圍可以為1.0％-99.9％[1]。

7 結(jié)束語(yǔ)

用MSP430F449實(shí)現(xiàn)的人機(jī)接口電路，僅僅使用了一片MCU就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字顯示和鍵盤(pán)控制功能。在本電路中，由MCU直接驅(qū)動(dòng)LCD，無(wú)須外加驅(qū)動(dòng)芯片，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完備，結(jié)果一目了然。應(yīng)用該電路很好的實(shí)現(xiàn)了電刺激器的人機(jī)對(duì)話，實(shí)際證明，這種鍵盤(pán)顯示電路經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，穩(wěn)定性強(qiáng)，因而具有較高的實(shí)用價(jià)值。