基于事件一目標驅動的人機界面設計

1 系統(tǒng)設計
如圖l所示，人機界面系統(tǒng)采用小鍵盤操作的文本菜單方式，使用在嵌入式數(shù)字視頻錄像DVR(Digital Video Record)系統(tǒng)中。在MSP430F149上移植μC/OS―Ⅱ來獨立實現(xiàn)人機界面的功能，用戶通過鍵盤輸入指令，經過單片機處理后發(fā)往主系統(tǒng)，同時把相應信息通過專用芯片的OSD(0n Screen Display)功能顯示在監(jiān)視器上；用戶根據(jù)監(jiān)視器上的信息進行菜單操作，形成人與機器的交互。

把人機界面部分從主系統(tǒng)中獨立出來，用戶所有輸入的指令由單片機來處理，減少了主系統(tǒng)的工作量，使整個系統(tǒng)模塊化，便于開發(fā)和調試，提高了可靠性和穩(wěn)定性．另外，這種人機界面設計具有通用性，便于移植到各種嵌入式系統(tǒng)中。本系統(tǒng)選用MSP430nF149單片機，是基于以下三個方面的原因：
①OSD功能需要經常刷新，并且要處理與主機部分的數(shù)據(jù)交換，要求單片機的計算速度足夠高，并且要求嵌入式系統(tǒng)能夠長時間正常運轉，且芯片功耗低。
②實時操作系統(tǒng)本身要耗費一部分內存，同時0SD功能要求建立字庫，要求內存空間足夠大，否則要外接閃存，增加設計的復雜度及成本。
③要連接鍵盤電路，需較多I／O口。
MSP430系列單片機是由TI公司開發(fā)的16位單片機。其突出特點是強調超低功耗，適合于各種功率要求低的應用；有較高的處理速度，在8 MHz晶振的驅動下，指令周期為125ns;MSP430F149具有60 KB的Flash ROM和2 KB RAM，可滿足系統(tǒng)程序量和數(shù)據(jù)量大的要求，可以解決因為加載實時操作系統(tǒng)而增加的內存需求，具有2個串行通信接口，其中一個串口用于跟主系統(tǒng)通信，另一
個可用于控制其他外圍模塊；具有48個可獨立編程的I／O口，其中有2個具有中斷功能的8位并行端口，在設計按鍵電路時，可方便地采用中斷方式識別鍵值。

2 軟件設計與實現(xiàn)
2.1 實時操作系統(tǒng)
μC／OS―II是一個源碼開放，擁有搶占式內核，支持多任務的實時操作系統(tǒng)；任務被分為休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)和被中斷態(tài)五種狀態(tài)，內核根據(jù)任務所處的狀態(tài)對任務作相應的處理，已經準備就緒的高優(yōu)先級任務可以剝奪正在運行的低優(yōu)先級任務對CPU的使用權。系統(tǒng)大部分代碼采用C語言編寫，與硬件相關的部分很集中，并給出了規(guī)范的接口說明，移植相當方便，可應用于目前大多數(shù)型號的8位、16位、32位CPU。μC／OS―II提供的僅僅是一個操作系統(tǒng)內核，對硬件系統(tǒng)要求很低，很適合在低端CPU上開發(fā)小系統(tǒng)。
將μC／OS―II移植在MSP430F149單片機上，對其進行裁減，只保留消息隊列一種任務間通信方式，利用它的任務優(yōu)先級搶占機制，使人機界面很好地滿足嵌入式系統(tǒng)對實時性和可靠性的要求。下面詳細介紹基于μC／0S―II操作系統(tǒng)的程序設計。
2.2 軟件設計
本系統(tǒng)的軟件部分設計基于E-O模型的思想，劃分事件和目標。以有限狀態(tài)機的方式，在實時操作系統(tǒng)μC／OS一Ⅱ中，用狀態(tài)機把目標和事件聯(lián)系起來，實現(xiàn)OA (Object-Action)行為模式完成人機交互的過程，使以小鍵盤操作的文本菜單方式設計更清晰。
2.2.1 事件-目標驅動的用戶界面模型
事件-目標驅動的用戶界面模型，即E-O模型(E-vent-Object Drive User Interface Model)，將人機交互活動歸結為事件與目標的相互作用．事件是人機交互活動中傳遞的信息，目標是交互活動的對象；事件引發(fā)交互活動，目標是交互活動的承受者。E-O模型基于的基本行為模式是“目標-動作”（OA），以目標為核心，具有面向對象風格。
E-O模型由四個邏輯部件組成：①設備管理模塊(device management module)，提供與各種交互設備的接口，實現(xiàn)設備無關特性；②事件管理子系統(tǒng)(event Man-agement subsystem)，它讀取輸入設備的輸入信息形成事件并進行統(tǒng)一管理，將反饋信息的事件解釋為適當?shù)妮敵鲋噶畈魉徒o輸出設備；③目標管理子系統(tǒng)(object Man-agement subsystem)，創(chuàng)建、裝載、保存用戶界面中各類目標，并對目標進行管理，④事件-目標管理子系統(tǒng)(event-object management subsystem)，主要職責是實現(xiàn)事件與目標的整合，按適當策略控制事件在各目標結點之間流動，以形成和維持交互的過程，是整個用戶界面系統(tǒng)的核心。
2.2.2 有限狀態(tài)機的形式化描述
有限狀態(tài)機FSM(Finite State Machine)由狀態(tài)、事件、轉換和活動組成。每個狀態(tài)有1個狀態(tài)進入動作(entryaction)和1個狀態(tài)退出動作(exit action)，每個轉換有1個源狀態(tài)和目標狀態(tài)并且與1個事件相關聯(lián)。當在源狀態(tài)時，該事件發(fā)生且觸發(fā)轉換的監(jiān)護條件為真，則順序執(zhí)行下列一些動作：①源狀態(tài)的退出動作；②轉換動作；③目標狀態(tài)的進入動作。
FSM可以形式化表示為1個五元組：M=(0，I，λ，S，δ，S0)。
其中，S為有限狀態(tài)集；
I為有窮的事件輸入集；
0為有窮的輸出集，
S0為初始狀態(tài)集；
δ：SI→S，進入下一個狀態(tài)的過程；
λ：SI→O，產生輸出的過程。
T=δUλ。T中的每個元素又可以表示為1個五元組，T=(Soure-State，Target-State，Input-Event，Con-straint，Action)。其中“Source-State”和“Target-State”分別表示T的初始狀態(tài)和目標狀態(tài)，“Input-Event”表示來自于I的輸入事件或為空，“Constramt”表示監(jiān)護條件及輸入事件參數(shù)等約束，Action表示轉換執(zhí)行的動作。
用軟件實現(xiàn)有限狀態(tài)機有兩種方法：表格法和過程驅動法。表格驅動法利用一個二維數(shù)組。該數(shù)組中的短一行與一個狀態(tài)相對應，每一列與一個輸入事件相對應，每一項則與某一狀態(tài)下對事件的處理相對應。表格驅動法適用于具有結構規(guī)則、操作簡單的有限狀態(tài)機。
過程驅動法為每一個狀態(tài)都定義一個處理過程，處理過程實現(xiàn)在此狀態(tài)時對事件的響應，包括輸出處理及對當前狀態(tài)值的轉換。這個過程可以用case語句區(qū)分事件，并采用相應的處理。無論采用何種方法實現(xiàn)FSM，當FSM收到一條消息時必須知道當前的狀態(tài)。為此，對應每一個狀態(tài)機必須能夠保存當前所處的狀態(tài)。過程法適用于實現(xiàn)一個具有幾種轉換和復雜操作的有限狀態(tài)機。
2.3 程序設計與實現(xiàn)
基于消息驅動的程序設計思想，為了保證系統(tǒng)的實時性，在中斷中只負責發(fā)送消息到相應的任務的消息隊列，由應用級的任務來處理，保證各個處理的時間是可確定的．主程序在消息循環(huán)中不斷地判斷各個任務的狀態(tài)，執(zhí)行進入就緒態(tài)的任務。這就允許采用異步方式處理各種中斷及任務。
本系統(tǒng)程序中采用了兩組有限狀態(tài)機，運用消息驅動的方式來驅動狀態(tài)的變更。一組是通信任務中以串口接收數(shù)據(jù)驅動為事件對象的有限狀態(tài)機，另一組是以用戶按鍵和命令碼驅動為事件對象的有限狀態(tài)機．在實時操作系統(tǒng)μC／OS一Ⅱ下，整個人機界面分為三個模塊，即三個任務來實現(xiàn)，分別是鍵值處理模塊、與主機通信模塊和時鐘模塊。
（1）鍵值處理模塊
OSTaskCreate(KEYTaskStart，(void*)O，TaskKey-Stk[]，7)；
先初始化所有的模塊，然后在循環(huán)中接收并處理鍵盤的輸入，Key-Process(char KeyValue)根據(jù)相應的輸入鍵值和系統(tǒng)所處的狀態(tài)，對菜單進行相應的操作。
State_Trans(char RxData)根據(jù)鍵值輸入事件負責調度系統(tǒng)的狀態(tài)，并在相應的狀態(tài)下，根據(jù)從主系統(tǒng)收到的信息顯示菜單。
（2）主機通信模塊
OSTaskCreate(UARTTaskskStart，(void *)O， TaskU-artStk[]，6)；
通過消息隊列OSQPend(OS_EVENT*pevent，INTl6U timeout，INT8U*err)，接受串口中斷發(fā)來的消息隊列，對其中的數(shù)據(jù)進行處理。在人機交互的過程中，需要大量的與主系統(tǒng)的交互，單獨用一個任務負責與主系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)串口接收數(shù)據(jù)驅動的有限狀態(tài)機。
(3)時鐘模塊
OSTaskCreate(TimcTCk，(void*)O，TimeTickStk[]，5)；
時鐘任務，使用單片機的時鐘中斷，可以設置各個任務需要的定時器，通過消息隊列發(fā)給需要定時的任務。
2.3.1 串口接收數(shù)據(jù)驅動的有限狀態(tài)機
為了保證通信的可靠，系統(tǒng)中采用停止等待協(xié)議。在發(fā)送數(shù)據(jù)前要對數(shù)據(jù)打包，接收到數(shù)據(jù)要先解包，單片機在接收主系統(tǒng)發(fā)過來數(shù)據(jù)包的后需要去掉通信協(xié)議字段，然后對有效數(shù)據(jù)進行正確的處理。為此，定義了一個Frame-FSM類型的數(shù)據(jù)結構，用來對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。
typedefstruct{
byte State； ／／當前所處的狀態(tài)
byte SYM_Plas；／／轉義字符標志，若為1，表示需對當前
／／數(shù)據(jù)轉義
bytc DatoLenoth；／／數(shù)據(jù)長度
byte CheekSum；／／校驗和
byte Offset； ／／偏移地址，對應當前接收到的數(shù)據(jù)在
／／該幀中的位置
byteFrame_Data；／／幀內的有效數(shù)據(jù)
}Frame_FSM；
利用主機發(fā)送過來的消息驅動有限狀態(tài)機，串口接收數(shù)據(jù)驅動的有限狀態(tài)機包括以下幾種狀態(tài)；
①任意狀態(tài)。無論單片機原來處于何種狀態(tài)，收到字符0xaa，都表明1幀新的數(shù)據(jù)即將開始發(fā)送。此時，如果單片機處于1幀正在接收的狀態(tài)。就會丟棄原數(shù)據(jù)重新進入收到同步字符狀態(tài)。
②任意狀態(tài)(除了INIT_STATE之外)。無論單片機原來處于何種狀態(tài)．收到字符0xfc，都表明系統(tǒng)中出現(xiàn)了轉義字符。此時，將轉義字符標志置1，丟棄當前接收的數(shù)據(jù)后返回；每一次進入重建幀處理函數(shù)后，系統(tǒng)會首先判斷轉義字符標志是否為l。若為l，則根據(jù)當前字符進行轉義(當前字符為0x00，則轉義為Oxaa；當前字符為0x01，則轉義為Oxfc；如果為其他字符則丟棄)，然后將轉義字符標志重新清O。
③INIT_STATE，初始狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，將重建幀的偏移地址和校驗和清0，然后等待接收數(shù)據(jù)。收到起始宇符Oxaa后，將狀態(tài)轉入AA_SYN_STATE；收到其他字符都丟棄不理。
④AA_SYN_STATE，收到同步字符狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，MCU將重建幀的偏移地址和校驗和清0，然后將狀態(tài)置為接收源地址狀態(tài)。
⑤SRC_ADDR_STATE，收到源地址狀態(tài)。此時比較源地址是否是主機地址。若是，則轉接收目的地址狀態(tài)；否則，轉初始狀態(tài)。
⑥DEST_ADDR_STATE，收到目的地址狀態(tài)。此時比較目的地址是否是MCU地址。若是，則轉接收數(shù)據(jù)長度狀態(tài)；否則，轉初始狀態(tài)；
⑦DATA_LEN_STATE，接收數(shù)據(jù)長度狀態(tài)。將數(shù)據(jù)長度備份，轉入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。
⑧DATA_STATE，接收正常數(shù)據(jù)狀態(tài)。將接收的數(shù)據(jù)存入接收數(shù)組REBUF中，每接收到一個數(shù)據(jù)就將對應的偏移地址加l，接收數(shù)據(jù)長度減1，并且計算此時的校驗和。當數(shù)據(jù)長度減為0時，表明l幀數(shù)據(jù)已經全部接收完畢，轉入檢驗校驗和狀態(tài)。
⑨CHECKSUM_STATE，接收校驗和狀態(tài)。將接收的校驗和與本地計算的校驗和進行比較。如果兩者相等，將狀態(tài)轉為INIT_STATE，然后對正確的數(shù)據(jù)幀進行處理，并給主系統(tǒng)發(fā)送一個確認幀；如果兩者不等，丟棄該幀，狀態(tài)轉入INIT_STATE，等待接收新的數(shù)據(jù)幀。
對應的狀態(tài)轉換圖(state transition diagram)如圖2所示。

2.3.2 鍵值和命令碼驅動的有限狀態(tài)機
這組有限狀態(tài)機主要依靠用戶對菜單的操作進行狀態(tài)轉換，即把鍵值和命令碼作為FSM的激勵源，其中鍵盤消息是最主要的激勵源。應用層的FSM具有多種主狀態(tài)，用戶未按鍵或者是沒有接收到新的數(shù)據(jù)幀時，狀態(tài)處于IDLE_STATE；接收到消息后，轉入對應的主狀態(tài)。然后，根據(jù)按鍵的不同或者是接收命令碼的不同，轉入對應的子狀態(tài)進行處理。任務處理完畢，再將狀態(tài)置為IDLE_STATE，按取消鍵，可回到上一級狀態(tài)。
以用戶控制云臺上下左右轉動為例，系統(tǒng)開始處于IDLE_STATE。若用戶按云臺鏡頭控制鍵，則進入云臺鏡頭選擇狀態(tài)，并顯示云臺鏡頭控制菜單．選擇云臺控制選項后，進入云臺方向設置狀態(tài)；選擇向上鍵，轉入向上狀態(tài)。在該狀態(tài)執(zhí)行向上命令操作后，狀態(tài)重新轉入IDLE_STATE，并伴隨著輸出菜單的相應變化，按取消鍵可回到上一級云境選擇狀態(tài)。對于其他按鍵，系統(tǒng)全部過濾掉不作響應，狀態(tài)也不進行轉換。云臺控制的狀態(tài)轉換圖如圖3所示。

3 測 試
μC／OS―IIV2.52較以前的版本，增加了兩個系統(tǒng)任務一一CPU負荷監(jiān)測任務與堆棧容量檢查任務。這兩個任務給程序的調試帶來很大的方便。
將系統(tǒng)配置常數(shù)OS_TASK_STAT_EN設為l，統(tǒng)計任務OSTaskStat()就會建立。它每秒鐘運行1次，計算出當前CPU的利用率，放在一個有符號的8位整數(shù)0SCPUUsage中，精確度是l％。
μC／OS-Ⅱ內存是固定分配的，通過0STaskStkChk()可確定每個任務實際需要的最大堆?？臻g，根據(jù)測得結果合理地分配內存空間。表l是用以上函數(shù)測出的系統(tǒng)參數(shù)。

與MSP430單片機系統(tǒng)相應的調試工具Embedded Workbench，可跟蹤程序的運行。通過運行在PC機上Embedded Workberlch能夠追蹤程序中各種參數(shù)的變化，查看單片機內存的使用情況。

結 語
本系統(tǒng)使用μC／OS―II后，系統(tǒng)的總體性能有了很大提高。使用實時操作系統(tǒng)前。運用前后臺的程序設計方式。在需要顯示較多數(shù)據(jù)在屏幕上，同時又需要接收數(shù)據(jù)時，單片機處理不及時，可以通過調試工具WorkbenCh看到接收緩存接收的數(shù)據(jù)幀不完整，而不能正確地在屏幕上顯示數(shù)據(jù)。移植操作系統(tǒng)之后，工作可靠，同時系統(tǒng)的反應速度，即實時性有了很大提高。文中介紹的人機界面與嵌入式主系統(tǒng)是獨立的模塊，可以靈活地在單片機上加載控制模塊，適合應用于各種嵌入式系統(tǒng)中。