基于嵌入式系統(tǒng)arm2210開發(fā)板的移動機(jī)器人人機(jī)界面設(shè)計(jì)

　　摘要： 移動機(jī)器人人機(jī)界面為移動機(jī)器人的運(yùn)動控制提供直觀的路徑圖形、運(yùn)動速度和角度、障礙物信息等。通過arm2210的串口uart0接收中心處理器pc104的運(yùn)動信息，利用東芝公司的液晶控制器t6963c驅(qū)動stn液晶屏yl240128a，以及zlg/gui軟件包提供的基本繪圖和菜單操作函數(shù)設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)arm2210開發(fā)板的移動機(jī)器人人機(jī)界面，并利用arm2210的i2c器件zlg7290提供的i2c接口功能和鍵盤中斷信號實(shí)現(xiàn)菜單選擇，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

　　引言

　　嵌入式系統(tǒng)以其高性能、低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)、數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品等已經(jīng)滲入人們生活的各個(gè)方面。隨著液晶顯示技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及圖形用戶界面gui (graphical user interface)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人機(jī)界面也越來越友好。它能為移動機(jī)器人的運(yùn)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(jì)移動機(jī)器人人機(jī)界面的方法。

　　我們設(shè)計(jì)開發(fā)的智能移動機(jī)器人是一個(gè)以pc104嵌入式微機(jī)為中心處理器，tms320f2812為運(yùn)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(yùn)動系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。它通過ccd攝像機(jī)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(shí)現(xiàn)避障。移動機(jī)器人的人機(jī)界面主要向用戶展示移動機(jī)器人的運(yùn)動信息，如當(dāng)前的運(yùn)動速度、與前方障礙物的距離以及行駛的軌跡。

　　圖1 arm2210的系統(tǒng)框圖

　　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(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的嵌入式系統(tǒng)。lpc2210的cpu頻率最大為60mhz，并且擴(kuò)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(jī)pc104進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還包括東芝公司的點(diǎn)陣式液晶控制器t6963c，擴(kuò)展了液晶接口，同時(shí)提供了led數(shù)碼管顯示和16個(gè)按鍵輸入，因此開發(fā)人機(jī)界面非常方便。

　　人機(jī)界面的硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)傳輸

　　pc104的串行口可以作為標(biāo)準(zhǔn)pc的coml通信口或擴(kuò)展為控制臺串行口，用于鍵盤輸入和顯示終端輸出或計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)；接收器fifo觸發(fā)點(diǎn)可為1, 4, 8和14字節(jié) ；內(nèi)置波特率發(fā)生器 。

　　移動機(jī)器人的運(yùn)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(jī)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具有獨(dú)特的硬件初始化設(shè)置功能，最大驅(qū)動點(diǎn)陣液晶為單色640*128(單屏)，支持圖形和文本單獨(dú)顯示和混合顯示，并具有字符發(fā)生器，能滿足對移動機(jī)器人人機(jī)界面的顯示要求。圖2為內(nèi)置t6963c的240*128點(diǎn)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(gè)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(dú)立的led和64個(gè)按鍵，8個(gè)功能鍵可檢測任一鍵的連擊次數(shù)。

　　本系統(tǒng)選用點(diǎn)像素為240*128點(diǎn)、黃綠顯示的stn液晶屏yl240128a作為人機(jī)界面顯示屏；用arm2210系統(tǒng)16個(gè)按鍵中的s11、s12、s13作為輸入部分，實(shí)現(xiàn)對人機(jī)界面的選擇操作。

　　人機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)

　　移動機(jī)器人人機(jī)界面的關(guān)鍵是菜單操作，以及圖形和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。gui是用于提高人機(jī)交互友好性、易操作性的計(jì)算機(jī)程序，它是建立在計(jì)算機(jī)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(jìn)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 提供了最基本的畫點(diǎn)、線、圓形、圓弧、橢圓形、矩形、正方形、填充等功能，較高級的接口功能有ascii 顯示、漢字顯示、圖標(biāo)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(jī)器人人機(jī)界面的設(shè)計(jì)要求。

　　圖2 內(nèi)置t6963c的240*128點(diǎn)陣液晶模塊原理圖

　　數(shù)據(jù)傳輸

　　接收上位機(jī)pc104發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，使能uart0的fifo進(jìn)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(yàn)。其主要程序如下：

　　/*定義串口模式及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/

　　typedef struct uart0mode

　　{ uint8 datb; // 字長度

　　uint8 stpb; // 停止位

　　uint8 parity; // 奇偶校驗(yàn)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(yàn)uart0_ini(9600, uart0_set); // 初始化串口模式

　　/*串口uart0接收中斷*/

　　void __irq irq_uart0(void)

　　{ uint8 i;

　　if( 0x04==(u0iir0x0f) ) rcv_new = 1; // 置新數(shù)據(jù)標(biāo)志

　　for(i=0; i8; i++)

　　{ rcv_buf[i] = u0rbr; // 讀fifo數(shù)據(jù)，清除中斷標(biāo)志}

　　vicvectaddr = 0x00; // 中斷處理結(jié)束

　　}

　　窗口顯示

　　人機(jī)界面主要是通過圖標(biāo)菜單實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人運(yùn)動參數(shù)的顯示，以及運(yùn)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(gè)窗口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并設(shè)置窗口的起始坐標(biāo)、大小、標(biāo)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 *) "mobile robot interface";

　　mainwindows.state = null;

　　gui_windowsdraw(mainwindows); // 繪制主窗口

　　圖標(biāo)菜單也需要定義相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中圖標(biāo)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(biāo)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)：

　　uint8 const menuico1[]={

　　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(biāo)"打開"；寬高(像素) : 1616*/

　　然后，將每一個(gè)圖標(biāo)菜單項(xiàng)的顯示坐標(biāo)地址、圖標(biāo)的數(shù)據(jù)指針、對應(yīng)的服務(wù)函數(shù)等進(jìn)行設(shè)置后，即可調(diào)用gui_menuicodraw()實(shí)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(diǎn)顯示，0表示點(diǎn)滅。

　　圖標(biāo)菜單選擇

　　界面中還需實(shí)現(xiàn)對圖標(biāo)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(shí)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(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。i2c總線采用了器件地址的硬件設(shè)置方法，通過軟件尋址完全避免了器件的片選線尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)具有最簡單而靈活的擴(kuò)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(jī)和從機(jī)。

　　本文采用主模式i2c發(fā)送接收數(shù)據(jù)，從而控制三個(gè)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(rèn)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(gè)圖標(biāo)菜單；若s12被按下，表示選