基于LPC2210微控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人人機(jī)界面為移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提供直觀的路徑圖形、運(yùn)動(dòng)速度和角度、障礙物信息等。通過(guò)ARM2210的串口UART0接收中心處理器PC104的運(yùn)動(dòng)信息，利用東芝公司的液晶控制器T6963C驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)板的移動(dòng)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(pán)中斷信號(hào)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(lái)越友好。它能為移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)器人人機(jī)界面的方法。

我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能移動(dòng)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(dòng)控制器，超聲波傳感器作為避障的集合環(huán)境感知、動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。它通過(guò)CCD攝像機(jī)和圖像采集卡獲得視頻信息，并通過(guò)超聲波傳感器組測(cè)得前方障礙物距離實(shí)現(xiàn)避障。移動(dòng)機(jī)器人的人機(jī)界面主要向用戶展示移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息，如當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度、與前方障礙物的距離以及行駛的軌跡。

2 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(kāi)發(fā)也更簡(jiǎn)單。圖1是ARM2210的系統(tǒng)框圖。

圖1 ARM2210的系統(tǒng)框圖

由于系統(tǒng)包含了RS232轉(zhuǎn)換電路，可通過(guò)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(kāi)發(fā)人機(jī)界面非常方便。

3 人機(jī)界面的硬件設(shè)計(jì)

3.1 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(tái)串行口，用于鍵盤(pán)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(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息通過(guò)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(guò)PC104作信息融合后，通過(guò)串口傳給ARM2210并由液晶屏顯示。

3.2 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(dòng)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(duì)移動(dòng)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(hào)，方便與處理器連接;并且能驅(qū)動(dòng)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(cè)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(duì)人機(jī)界面的選擇操作。

4 人機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)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(guò)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(duì)GUI 的要求是可裁剪的，高速度的。ZLG/GUI 是由周立功公司開(kāi)發(fā)的，占用資源小、使用方便的嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)易的圖形用戶界面軟件。ZLG/GUI 提供了最基本的畫(huà)點(diǎn)、線、圓形、圓弧、橢圓形、矩形、正方形、填充等功能，較高級(jí)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(duì)移動(dòng)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

4.1 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(wú)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(zhǎng)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(wú)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==(U0IIR&0x0F) ) rcv_new = 1; // 置新數(shù)據(jù)標(biāo)志

for(i=0; i<8; i++)

{ rcv_buf = U0RBR; // 讀FIFO數(shù)據(jù)，清除中斷標(biāo)志}

VICVectAddr = 0x00; // 中斷處理結(jié)束

}

4.2 窗口顯示

人機(jī)界面主要是通過(guò)圖標(biāo)菜單實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)的顯示，以及運(yùn)動(dòng)軌跡的相關(guān)操作，如"打開(kāi)"、"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(guò)字模軟件轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。如對(duì)應(yīng)"打開(kāi)"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(kāi)";寬×高(像素) : 16×16*/

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(duì)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(lái)設(shè)置前景色及背景色。1表示點(diǎn)顯示，0表示點(diǎn)滅。

4.3 圖標(biāo)菜單選擇

界面中還需實(shí)現(xiàn)對(duì)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(pán)中斷信號(hào)。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(guò)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(jiǎn)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(duì)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(cè)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(guò)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，表示選擇當(dāng)前的圖標(biāo)功能;若S13被按下，表示指向下一個(gè)圖標(biāo)菜單。

key = ZLG7290_GetKey();

if(key==KEY_OK) break; // 點(diǎn)擊OK 鍵選擇

if(key==KEY_NEXT)

{ mainmenu[select].state = 0; // 取消上一選擇

GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);

select++; // 指向下一菜單

if(select>2) select=0;

mainmenu[select].state = 1;

GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);

}

if(key==KEY_BACK)

{ mainmenu[select].state = 0; // 取消上一選擇

GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);

if(select==0) select=2;

else select--; // 指向下一菜單

mainmenu[select].state = 1;

GUI_MenuIcoDraw(&mainmenu [select]);

4.4 移動(dòng)機(jī)器人行使軌跡及相關(guān)參數(shù)顯示

為了能實(shí)時(shí)更新顯示數(shù)據(jù)及行使軌跡，PC104將移動(dòng)機(jī)器人的速度，行駛方向，轉(zhuǎn)角等信息轉(zhuǎn)化為液晶屏上的坐標(biāo)信息，并調(diào)用基本繪圖函數(shù)GUI_Line(uint32 x0, uint32 y0, uint32 x1, uint32 y1, TCOLOR color)，畫(huà)出當(dāng)前行駛軌跡;同時(shí)，將新的速度值及與前方障礙物的距離值更新到相應(yīng)位置。

4.5 人機(jī)界面顯示效果

圖3為人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)效果圖，整個(gè)顯示窗口大小為240*128;圖標(biāo)菜單大小為16*16，共有六個(gè)圖標(biāo);用戶可以根據(jù)自己需要添加圖標(biāo)及對(duì)應(yīng)功能。移動(dòng)機(jī)器人行駛軌跡顯示窗口大小為160*100;其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)顯示窗口大小為80*100，可以顯示當(dāng)前的速度、障礙物的距離和機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度。圖中小車位置表示軌跡的起點(diǎn)，左下角有坐標(biāo)顯示和比例尺1:500。

圖3 人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)效果圖

結(jié)語(yǔ)

隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的飛速發(fā)展，人機(jī)交互系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)將更加廣泛。本文闡述的基于ARM2210嵌入式系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人人機(jī)界面的設(shè)計(jì)方法，這種方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，使操作者與機(jī)器人的交互更加友好。

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