基于arm2210开发板的移动机器人人机界面设计

引言

     嵌入式系统以其高性能、低功耗、低成本的优点，已经在很大程度上改变了人们的生活。如，mp3播放器、智能手机、数码相机产品等已经渗入人们生活的各个方面。随着液晶显示技术的不断进步，以及图形用户界面gui (graphical user interface)技术的广泛应用，人机界面也越来越友好。它能为移动机器人的运动控制提供直观的路径图形、数据参数等。本文介绍了一种以嵌入式微处理器lpc2210为基础，应用zlg/gui软件包设计移动机器人人机界面的方法。

    我们设计开发的智能移动机器人是一个以pc104嵌入式微机为中心处理器，tms320f2812为运动控制器，超声波传感器作为避障的集合环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，主要包括运动系统、电子信息系统和传感系统。它通过ccd摄像机和图像采集卡获得视频信息，并通过超声波传感器组测得前方障碍物距离实现避障。移动机器人的人机界面主要向用户展示移动机器人的运动信息，如当前的运动速度、与前方障碍物的距离以及行驶的轨迹。

图1 arm2210的系统框图

arm221o的基本组成

     arm221o以philips公司arm7tdmi-s微控制器lpc2210为核心，以支持实时仿真和嵌入式跟踪的嵌入式系统。lpc2210的cpu频率最大为60mhz，并且扩展了丰富的外围设备接口，使系统稳定性大大提高，开发也更简单。图1是arm2210的系统框图。

     由于该系统包含了rs232转换电路，可通过uart0与上位机pc104进行数据传输，同时还包括东芝公司的点阵式液晶控制器t6963c，扩展了液晶接口，同时提供了led数码管显示和16个按键输入，因此开发人机界面非常方便。
 
人机界面的硬件设计

数据传输
      pc104的串行口可以作为标准pc的coml通信口或扩展为控制台串行口，用于键盘输入和显示终端输出或计算机之间的串行输入/输出口。

     arm2210的uart0具有16字节接收和发送fifo；寄存器位置符合550工业标准；接收器fifo触发点可为1, 4, 8和14字节 ；内置波特率发生器 。

    移动机器人的运动信息通过ti公司dsp控制器tms320f2812以及超声波传感器等传送至嵌入式微机pc104，再经过pc104作信息融合后，通过串口传给arm2210并由液晶屏显示。

液晶显示及菜单选择
     东芝公司的液晶控制器t6963c具有独特的硬件初始化设置功能，最大驱动点阵液晶为单色640*128(单屏)，支持图形和文本单独显示和混合显示，并具有字符发生器，能满足对移动机器人人机界面的显示要求。图2为内置t6963c的240*128点阵图形液晶模块原理图。

     另外， arm2210系统中配备了i2c器件zlg7290以及16个按键。zlg7290提供了i2c串行接口和按键中断信号，方便与处理器连接；并且能驱动8位共阴数码管或64只独立的led和64个按键，8个功能键可检测任一键的连击次数。

     本系统选用点像素为240*128点、黄绿显示的stn液晶屏yl240128a作为人机界面显示屏；用arm2210系统16个按键中的s11、s12、s13作为输入部分，实现对人机界面的选择操作。[page]
 
人机界面的软件设计

     移动机器人人机界面的关键是菜单操作，以及图形和数据的实时显示。gui是用于提高人机交互友好性、易操作性的计算机程序，它是建立在计算机图形学基础上的产物。人们不再需要死记硬背大量的命令，而是通过窗口、菜单方便地进行操作。由于嵌入式系统的资源有限，所以对gui 的要求是可裁剪的，高速度的。zlg/gui 是由周立功公司开发的，占用资源小、使用方便的嵌入式系统简易的图形用户界面软件。zlg/gui 提供了最基本的画点、线、圆形、圆弧、椭圆形、矩形、正方形、填充等功能，较高级的接口功能有ascii 显示、汉字显示、图标显示、窗口、菜单等，支持单色、灰度、伪彩、真彩等图形显示设备。因此，利用zlg/gui软件包能够满足对移动机器人人机界面的设计要求。

图2 内置t6963c的240*128点阵液晶模块原理图

数据传输
     接收上位机pc104发送的数据时，使能uart0的fifo进行数据发送/接收，接收采用中断处理方式。其中，uart0的串口模式和数据结构设置为：通信波特率9600，8位数据位，1位停止位,无奇偶校验。其主要程序如下：
/*定义串口模式及数据结构*/
typedef  struct  uart0mode
{  uint8 datb;         // 字长度
uint8 stpb;         // 停止位
 uint8 parity;     // 奇偶校验位
}  uart0mode;
/*初始化串口*/
uart0_set.datb= 8;                 // 8位数据位
uart0_set.stpb = 1;                 // 1位停止位
uart0_set.parity = 0;               // 无奇偶校验uart0_ini(9600, uart0_set);  // 初始化串口模式
/*串口uart0接收中断*/
void   __irq irq_uart0(void)
{  uint8  i;
  if( 0x04==(u0iir&0x0f) ) rcv_new = 1; // 置新数据标志
   for(i=0; i<8; i++)
   { rcv_buf[i] = u0rbr; // 读fifo数据，清除中断标志}
   vicvectaddr = 0x00;            // 中断处理结束
}       

窗口显示
      人机界面主要是通过图标菜单实现移动机器人运动参数的显示，以及运动轨迹的相关操作，如"打开"、"暂停"、"关闭"等。因此，首先定义一个窗口的数据结构,并设置窗口的起始坐标、大小、标题等相关参数；然后调用gui_windowsdraw()输出显示窗口
/* 设置主窗口并显示输出 */
mainwindows.x = 0;
mainwindows.y = 0;
mainwindows.with = 240;
mainwindows.hight = 128;
mainwindows.title = (uint8 *) "mobile robot interface";
mainwindows.state = null;
gui_windowsdraw(&mainwindows); // 绘制主窗口
图标菜单也需要定义相关的数据结构，其中图标数据和文字显示可以通过字模软件转化为数据。如对应"打开"图标转化为数据：
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,
};   /*；图标"打开"；宽×高(像素) : 16×16*/
然后，将每一个图标菜单项的显示坐标地址、图标的数据指针、对应的服务函数等进行设置后，即可调用gui_menuicodraw()实现显示输出。
mainmenu[0].icodat = (uint8 *) menuico1;
mainmenu[0].title = (uint8 *) "open";
mainmenu[0].function = (void(*)())runopen;
另外，主程序需要先调用gui_setcolor(1，0)函数来设置前景色及背景色。1表示点显示，0表示点灭。[page]

图标菜单选择
     界面中还需实现对图标菜单的选择操作。i2c器件zlg7290提供了i2c接口功能和键盘中断信号。i2c总线是philips推出的芯片间串行传输总线，它以2根连线实现了完善的全双工同步数据传送，可以方便的构成多机系统和外围器件扩展系统。i2c总线采用了器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法，从而使硬件系统具有最简单而灵活的扩展方法。i2c操作模式分为主模式i2c和从模式i2c，分别对应lpc2210作为主机和从机。
本文采用主模式i2c发送接收数据，从而控制三个按键s11、s12、s13的扫描并检测其连击次数。程序中先设置好默认菜单，再调用函数zlg7290_getkey()读取被按下的键值。zlg7290_getkey()函数通过调用ircvstr (zlg7290,1,&rece,1)，直接读取器件zlg7290上的按键值。若s11被按下，表示指向上一个图标菜单；若s12被按下，表示选择当前的图标功能；若s13被按下，表示指向下一个图标菜单。
key = zlg7290_getkey();
if(key==key_ok) break; // 点击ok 键选择
if(key==key_next)
{ mainmenu[select].state = 0; // 取消上一选择
gui_menuicodraw(&mainmenu [select]);
select++; // 指向下一菜单
if(select>2) select=0;
mainmenu[select].state = 1;
gui_menuicodraw(&mainmenu [select]);
}
if(key==key_back)
{ mainmenu[select].state = 0; // 取消上一选择
gui_menuicodraw(&mainmenu [select]);
if(select==0) select=2;
else select--; // 指向下一菜单
mainmenu[select].state = 1;
gui_menuicodraw(&mainmenu [select]);

移动机器人行使轨迹及相关参数显示
     为了能实时更新显示数据及行使轨迹，pc104将移动机器人的速度，行驶方向，转角等信息转化为液晶屏上的坐标信息，并调用基本绘图函数gui_line(uint32 x0, uint32 y0, uint32 x1, uint32 y1, tcolor color)，画出当前行驶轨迹；同时，将新的速度值及与前方障碍物的距离值更新到相应位置。
人机界面显示效果
     图3为人机界面实现效果图，整个显示窗口大小为240*128；图标菜单大小为16*16，共有六个图标；用户可以根据自己需要添加图标及对应功能。移动机器人行驶轨迹显示窗口大小为160*100；其他运动参数显示窗口大小为80*100，可以显示当前的速度、障碍物的距离和机器人旋转角度。图中小车位置表示轨迹的起点，左下角有坐标显示和比例尺1:500。

图3 人机界面实现效果图

结语

    随着嵌入式系统应用的飞速发展，人机交互系统的开发将更加广泛。本文阐述的基于arm2210嵌入式系统的移动机器人人机界面的设计方法，这种方法设计简单，成本低，使操作者与机器人的交互更加友好。

参考文献:

[1]. t6963c datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/t6963c_635050.html.
[2]. zlg7290 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/zlg7290_734333.html.
[3]. lpc2210 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/lpc2210_454566.html.
[4]. tms320f2812 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/tms320f2812_1116432.html.
[5]. arm7tdmi-s datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/arm7tdmi-s_1231795.html.
[6]. rs232 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/rs232_585128.html.
[7]. s11 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/s11_1617658.html.
[8]. s12 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/s12_1619040.html.