基于ARM2210的智能移动机器人人机界面设计

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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。

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; i2) 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。
    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。