基于嵌入式的GUI設(shè)計與實現(xiàn)

電子技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)的出現(xiàn)，使得醫(yī)療設(shè)備的功能越來越多，人機(jī)之間的信息傳輸量也加大，因此需要以屏幕來作為顯示信息的物理載體。特別是一些大型醫(yī)療設(shè)備工作站的控制部分和工作部分逐漸變得相對獨立。醫(yī)療設(shè)備的屏幕是圖形界面的主要物質(zhì)載體空間。除了少量的圖形在醫(yī)療設(shè)備的實體界面上有所分布外，幾乎絕大部分的圖形界面視覺信息都分布于屏幕上顯示，因此需要色彩絢麗、交互體驗良好的人機(jī)界面的場景越來越多。利用嵌入式技術(shù)開發(fā)的人機(jī)界面因其成本低廉、性能穩(wěn)定、功能多樣等諸多優(yōu)勢，正越來越多的應(yīng)用于醫(yī)療器械行業(yè)領(lǐng)域。

本文基于GUI Designer 圖形庫和C 語言程序?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/人機(jī)界面">人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)了人機(jī)交互、參數(shù)設(shè)置與顯示以及數(shù)據(jù)存儲等功能，具有較強的適配性，可以應(yīng)用于各種醫(yī)療器械以及各種場景。本文以超聲刀項目為依托，進(jìn)行了適配和調(diào)試，取得了良好的使用效果。

1   硬件電路設(shè)計

該人機(jī)界面硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)采用市面上的一種嵌入式芯片作為中央處理單元，其基于ARM DDR2 的內(nèi)核架構(gòu)，處理器自帶64 M 的ram 以及128 M 的flash，能夠保證流暢運行GUI Designer 圖形庫以及其他任務(wù)。

另外，根據(jù)實際的顯示需求，硬件電路還設(shè)計了多個功能模塊，共同完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換和顯示，主要包括了音頻IC、SD 卡、UART 等，方便功能應(yīng)用擴(kuò)展。

各硬件模塊情況如下：

（1）LCD 顯示屏

LCD 顯示屏采用7 寸大屏幕彩色觸摸顯示屏，顯示分辨率位1 024×600，支持1 600 W 真彩顯示、色彩逼真、效果細(xì)膩。工作溫度范圍為-20-70 ℃，為GUIDesigner 人機(jī)界面顯示提供了良好的硬件基礎(chǔ)。

（2）供電電源

系統(tǒng)供電電源采用的兩種IC 芯片，對系統(tǒng)輸入的12 V 進(jìn)行降壓處理，得到5 V 和3.3 V 用于單片機(jī)及其他IC 的供電電源。

（3）音頻模塊

系統(tǒng)音頻模塊采用專用音頻解碼器以及功放IC 組合。采用的專用音頻解碼器是一款功能強大的高品質(zhì)語音芯片，采用了高性能32 位處理器、最高頻率可達(dá)120 MHz?？刂品绞届`活：支持標(biāo)準(zhǔn)的異步串口通訊(UART)、支持SPI-Flash、U 盤做為存儲器。32 級音量可調(diào)、最大可以支持外掛128 Mbit 的Flash 和32G 的U盤。結(jié)合功放芯片，可以實現(xiàn)清晰的提示音效果。

（4）其他器件選擇

開發(fā)板提供了SD 卡、USART 接口等模塊。SD 卡模塊采用4 位SDIO 方式驅(qū)動，理論上最大速度可以達(dá)到24 MB/S，適用于大容量存儲。UART 模塊采用TTL電平進(jìn)行輸出，用于開發(fā)板之間的通訊。

2   軟件部分設(shè)計

GUI Designer 是由聯(lián)陽公司研發(fā)的基于嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計工具，開發(fā)穩(wěn)定高效的圖形軟件庫. 具有豐富的人機(jī)界面設(shè)計控件，用于任何使用圖形顯示進(jìn)行操作的應(yīng)用。GUI 人機(jī)界面設(shè)計，與VS 結(jié)合，聯(lián)合開發(fā)底層設(shè)計，滿足用戶需求。開發(fā)過程無需等待硬件開發(fā)，直接通過VS軟件仿真，最后與硬件進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，節(jié)約時間成本。

2.1 程序整體設(shè)計

本文采用Freetros 操作系統(tǒng)，采用多任務(wù)、模塊化的思想，將整個系統(tǒng)任務(wù)分為人機(jī)界面顯示任務(wù)，觸摸屏相應(yīng)任務(wù)，音頻播放任務(wù)以及串口通訊任務(wù)。軟件采用任務(wù)優(yōu)先級和時間片輪訓(xùn)算法實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，任務(wù)之間通過消息隊列進(jìn)行通訊。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.2 人機(jī)界面交互任務(wù)

人機(jī)界面交互任務(wù)主要完成與醫(yī)療設(shè)備的人機(jī)交互功能。本文以超聲刀項目為例進(jìn)行介紹，該系統(tǒng)主要包括主界面、功能選擇、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)信息顯示、調(diào)試模式顯示、系統(tǒng)日志等界面。

2.3 觸摸屏任務(wù)

觸摸屏任務(wù)主要完成人機(jī)界面的操作任務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)界面切換、參數(shù)設(shè)置，日志瀏覽等功能。系統(tǒng)采用查詢方式，每5 ms 查詢一次。

2.4 音頻播放任務(wù)

音頻播放任務(wù)采用UART 方式進(jìn)行， 當(dāng)接收到UART 消息播放命令時就會執(zhí)行該命令，并根據(jù)接收消息的內(nèi)容選擇播放內(nèi)容。系統(tǒng)提供單次播放和循環(huán)播放兩種方式。

2.5 串口通訊任務(wù)

串口通訊任務(wù)用于實現(xiàn)與主機(jī)之間的通訊功能。人機(jī)界面系統(tǒng)通過觸摸屏進(jìn)行信息輸入，打包后將信息發(fā)送給主機(jī)，從而實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置等功能。而當(dāng)人機(jī)界面收到主機(jī)發(fā)來的信息后，在該串口通訊任務(wù)中對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，從而完成相應(yīng)指令操作，實現(xiàn)界面切換、參數(shù)設(shè)置、信息和日志更新等功能。

3 界面顯示

本文以超聲刀項目為依托，結(jié)合產(chǎn)品需求對超聲刀主機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計。產(chǎn)品具有開機(jī)自檢界面、主界面、配置界面、設(shè)置界面、系統(tǒng)日志界面等。在實際使用過程中可以設(shè)計多套不同界面供用戶選擇，也可以更換不同語言和字體顯示。在測試過程中，能夠通過串口與主機(jī)進(jìn)行實時通訊，數(shù)據(jù)顯示正常。

圖3 系統(tǒng)主界面

圖4 系統(tǒng)設(shè)置界面

圖5 系統(tǒng)日志界面

4   結(jié)束語

該系統(tǒng)采用嵌入式芯片和GUI Designer 圖形庫進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計，能夠提供友好的界面及交互體驗，并通過此界面完成查看和管理任務(wù)。設(shè)計成果證明，開發(fā)設(shè)計過程簡單高效，界面美觀，工作穩(wěn)定可靠，適配性及可移植性強，能夠應(yīng)用于醫(yī)療器械行業(yè)的各種場景，大大縮短開發(fā)周期，具有較強的實用性。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）