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淺析新型人機交互接口電路的設計及應用
摘要 主要介紹了TI公司的新型的16位超低功耗Flash型h6N30F44X系列單片機的結(jié)構(gòu)、特性和功能及液晶顯示器LCD的發(fā)光原理和類型，討論了該系列單片機與ILD及鍵盤的人機接口電路的設計方案和相應的軟件的實現(xiàn)方法，最后給出它在體內(nèi)電刺激器的應用實例。
關鍵詞 單片機；MSP430；LCD；人機交互接口
1 引言
在當今的各種實時自動控制和智能化儀器儀表中，人機交互是不可缺少的一部分。一般而言，人機交互是由系統(tǒng)配置的外部設備來完成，但其實現(xiàn)方式有兩種：一種是由MCU力口驅(qū)動芯片實現(xiàn)，如鍵盤顯示控制芯片SK5279A，串行數(shù)據(jù)傳輸數(shù)碼顯示驅(qū)動芯片MAX7219等等，這時顯然MCU沒有LCD的驅(qū)動功能。另一種就是MCU本身具有驅(qū)動功能，它通過數(shù)據(jù)總線與控制信號直接采用存儲器訪問形式或I／O設備訪問形式控制鍵盤和LCD實現(xiàn)人機對話。這里的MCU主要有世界各大單片機生產(chǎn)廠商開發(fā)的各種單片機，其中TI公司的MSP430系列因其許多獨特的特性引起許多研究人員的特別關注，在國內(nèi)外的發(fā)展應用正逐步走向成熟。
2 LCD簡介
LCD(Liquid Crystal Display)，即液晶顯示器。液晶顯示是通過環(huán)境光來顯示信息的，它本身并不發(fā)光，因而功耗很低，只要求液晶周圍有足夠的光強。LCD是人與機器溝通的重要界面，早期以顯像管(CRT／Cathode Ray Tube)顯示器為主，但隨著科技不斷進步，各種顯示技術如雨后春筍般誕生。LCD由于具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險、平面直角顯示以
及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，逐漸占據(jù)顯示的主流地位。
LCD的類型，根據(jù)其分類方式的不同而不同。如根據(jù)LCD顯示內(nèi)容的不同可以分為段式LCD和點陣LCD。根據(jù)LCD驅(qū)動方式的不同可以分為靜態(tài)驅(qū)動和多路驅(qū)動。
3 MSP430F44X簡介
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[2]。該系列單片機性價比相當高，在系統(tǒng)設計、開發(fā)調(diào)試及實際應用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)勢。它主要應用在各種要求極低功率消耗的場合，特別適合用于智能測量儀器、各種醫(yī)療器械、智能化家用電器和電池供電便攜設備產(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、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、FLL+時鐘系統(tǒng)(片內(nèi)DCO+晶體振蕩器)、看門狗定時器／通用目的定時器(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)、復位電壓控制／電源電壓管理、基本定時器(Basic Timerl)、定時器(Timer-a和Timer-B)、LCD控制器/比較器(多達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稍有差別。在本次設計中，具體選擇MSP430F449作為人機接口電路的設計具有許多獨到的優(yōu)勢。這一點，讀者可以根據(jù)TI公司相關的數(shù)據(jù)手冊進行比較。
3.2 片內(nèi)外模塊特性
MSP430F44X具有豐富的片內(nèi)外圍模塊，其明顯的特點是：具有48條I／0口線的6個并行口P1-P6，其中P1、p2具有中斷能力，同時具有2個可用于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160段的LCD控制器／比較器，可以實現(xiàn)多種方式的驅(qū)動顯示；可以實現(xiàn)UART、PWM、斜坡ADC的16位Timer-A和16位Timer-B；非常靈活的時鐘系統(tǒng)，既可用32768Hz的鐘表晶振產(chǎn)生低頻時鐘，也可以用450kHz-8MHz的晶體產(chǎn)生高頻時鐘，同時還可以使用外部時鐘源或者用不同控制頻率的DCO；多達幾十kB的Flash空間，這樣數(shù)據(jù)既可以保存在片內(nèi)的Flash信息存儲器，也可保存在程序的Hash中的剩余空間。
4 接口電路設計
4.1 接口電路簡圖及說明
典型應用電路示意圖。在該圖中，LCD類型和鍵盤種類及數(shù)目的選擇、下拉電阻的數(shù)值大小都必須認真考慮，硬件設計要滿足一定的工作時序關系，復位時預留緩沖時間和懸空部分引腳，晶振的選擇要在適當?shù)臄?shù)值，必須保證交流驅(qū)動的頻率在30Hz-1000Hz范圍內(nèi)，其具體的情況請詳細參考TI公司的相關資料[3]。
4.2 段型液晶顯示屏EDS820A簡介
一般而言，LCD分為筆段型和點陣字符型及點陣圖形型。筆段型主要是顯示數(shù)字，常用于計數(shù)、計量和計時；點陣字符型用于顯示數(shù)字和西文字符；點陣圖形型用于顯示圖形及字符。本設計中用到的EDS820A就是由西安新敏電子科技有限公司生產(chǎn)的筆段型LCD。是該顯示屏的各個引腳的邏輯功能表。
顯而易見，該產(chǎn)品EDS820A是5位的液晶顯示屏，它只有4個DP，用于顯示小數(shù)點；COM端也只有一個，所以該LCD與MSP430F449的管腳連接應該引起足夠重視.
5 軟件設計
硬件連接電路圖為例，編寫了鍵盤控制及顯示程序，程序在IAR Embedded Workbench編譯通過。全部主程序包括詳細的發(fā)射和接收子程序，及初始化和等待鍵盤輸入轉(zhuǎn)換、顯示等等，值得注意的是發(fā)射與接收的控制要適當。
該程序是用匯編編寫的。程序?qū)崿F(xiàn)的是等待按鍵輸入，讀取鍵值，最后進行鍵值處理和顯示的功能。
檢測是否有鍵按下是通過KEY是否有高電平信號。平時，KEY為低電平，當有鍵按下時為高電平，它發(fā)送一個脈沖給單片機MSP430F449，當單片機檢測到該信號時，判斷按鍵的功能，從而進行相應的處理。
6 人機接口電路在體內(nèi)電刺激器中的應用
醫(yī)學上，在進行疾病控制時，通�？梢酝ㄟ^電極以一定波形(如方波、正弦波等)、頻率、幅度、占空比等電信號對神經(jīng)或肌肉進行刺激，以使其支配相應的功能或肌肉產(chǎn)生收縮／舒張動作，從而有利于癥狀的減輕。由于不同部位的神經(jīng)或肌肉對電刺激發(fā)生的敏感水平不同，不同強弱和不同性質(zhì)的電信號所產(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)生手術時所需要的具有不同的頻率、幅度、占空比的不同波形信號。該儀器幅度、占空比準確，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，它與單片機的連接簡單。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，其人機界面相當友好。但人機接口電路設計的優(yōu)劣直接影響到整臺儀器的使用效果。
根據(jù)需要，我們設計了5個鍵。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54，S5可以調(diào)節(jié)波形的各個參數(shù)值。其中，振幅可以是在一個參考值的基礎上的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
用MSP430F449實現(xiàn)的人機接口電路，僅僅使用了一片MCU就實現(xiàn)了數(shù)字顯示和鍵盤控制功能。在本電路中，由MCU直接驅(qū)動LCD，無須外加驅(qū)動芯片，電路結(jié)構(gòu)簡單，功能完備，結(jié)果一目了然。應用該電路很好的實現(xiàn)了電刺激器的人機對話，實際證明，這種鍵盤顯示電路經(jīng)濟實惠，穩(wěn)定性強，因而具有較高的實用價值。
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