基于μCOS的预定义UI交互设计

摘要：本设计用于电能计量终端的人机交互，对直流电和单相、三相交流电的电参数进行实时显示。基于μCOS的预定义UI交互设计的特点是预定义一个菜单数组，由程序解析菜单定义。菜单项为菜单数组中的一个结构体，通过设置菜单数组就能改变菜单组合形式。菜单项的可响应按键集也以结构体的形式定义，结构体的每一元素对应一个可以响应的按键，通过按键响应动作来实现菜单切换。该设计易于实现多层次菜单，而且具备很好的可移植性，适用于大量中等规模的嵌入式系统应用。运用该设计很好地完成了电能计量终端电参数的实时显示。
关键词：UI设计；菜单设计；人机交互；μCOS；嵌入式系统

0 引言
    嵌入式设备的飞速发展大大丰富了人们的生活，无论在工业控制、仪器仪表、通信设备或是娱乐工具等各个方面都有嵌入式微处理器在工作，然而，人们要想实现对这些设备的控制就必须通过用户界面(User Interface，UI)，所以人们越来越关注UI界面的可用性和用户使用效率的提高。目前，嵌入式设备开发中的UI设计多数采用按键控制简单的上下翻页或滚屏操作，缺少层次性，本设计将在S3C44BOX微控制器上植入μCOS系统，采用预定义的方式，实现一种多层次、可移植性强的预定义UI交互。

1 电能计量终端系统简介
    为实现配电自动化，需要使用电能计量终端来对多种电源的接入进行监控，包括直流电和单相、三相交流电。图1为电能计量终端的硬件系统结构框图。它以S3C44BOX微控制器为核心，配有通信电路、LCD显示电路、按键、RS 232和RS 485通信接口以及直流电和单相、三相交流电测量电路。

    电能计量终端除了具有普通智能仪表所具有的测量功能、数据处理功能和通信功能外，还为用户提供了友好的UI。通过UI交互，用户可灵活地切换和查看以下信息：供电电流、供电电压、累计供电量、有功功率、停电时间／来电时间、交流负载的总功率因数、缺相告警及
电压值超标告警等。另外，还设有掉电保护和防雷功能。

2 UI交互电路
    图2为电能计量终端的UI交互电路框图，电路中有1个128×64点阵的LCD显示器(QC12864B)和6个按键。LCD显示器每行能显示16个英文或8个中文符号，共4行。微控制器通过IO来控制LCD的显示。因为LCD外部接口信号需要5 V的驱动电平，而微控制器的IO管脚输出只有3．3 V，不能直接控制，在此使用74LVx245电平转换芯片来驱动LCD。6个按键分别为上(up)、下(down)、左(left)、右(right)、确定(enter)和取消(esc)键，微控制器通过扫描按键IO，可得到各个键值。为节省中断开销，6个按键通过与门连接到微控制器的同一个外部中断上。利用这6个按键，用户可以在菜单窗口和监控界面之间随意切换。

3 预定义UI交互设计
    UI的设计目标是实现中文窗口界面，用户可以在菜单方式下进行交互。窗口分为2类：对话框和菜单，也包括两者的混合。对话框用于参数的输入输出显示；菜单用于响应用户的选择，根据用户的选择运行程序。预定义的UI。简单的说，就是预定义一个菜单数组，由程序解析菜单定义形式。改变菜单数组中对应项的内容，就能设定菜单显示的坐标、尺寸和内容等等性能参数，而无需修改解析函数，因此具有很高的可移植性。[!--empirenews.page--]
3．1 操作界面
    根据电能计量终端的监控内容，设计菜单窗口和各菜单项对应的监控界面。设备上电后，将显示版本号，接着进入菜单窗口。菜单窗口有4行，其中前2行显示菜单项，后2行显示实时时间。菜单项共有4个，分别为交流电(包括市电和油电)、风电和光电参数。通过上下按键在主窗口的前两行进行菜单项切换。菜单窗口设计如图3所示。

    在选择的菜单项上点击enter键进入该菜单项对应的监控界面，监控内容分屏显示。交流电子菜单分7屏来显示交流电接入类型(市电／油电)、交流电压、交流电量、有功功率、市电／油电停电时间、市电／油电来电时间、功率因数等，图4(a)为其中一屏；光电／风电子菜单分2屏来显示光电／风电电压、光电／风电电流、光电／风电电量、光电／风电功率等，图4(b)为其中一屏。用户可通过up，down键和esc键来切屏和返回至菜单窗口。

3．2 预定义菜单设计
    μCOS是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、抢占式、支持多任务的实时操作系统，运行于没有MMU的嵌入式微处理器上，采用可剥夺型内核进行任务调度，实时性好，小巧且移植方便，适合工业控制领域使用。在μCOS中，设置一个UI任务，完成响应用户的键盘输入、选择菜单和根据用户选择的菜单执行相应操作。菜单设计成多层次形式。菜单设计采用预定义的集中描述，由程序解析菜单定义形式。可响应的按键集也以数组的形式在菜单数组中定义。键盘服务设计成中断级任务，通过专用的消息队列发送键值到UI任务，实现实时信息显示。
    预定义的菜单由3部分控制：
    ①菜单显示区域坐标。用来定义菜单显示区域左上角字符坐标(符号常量MENU_AREA_LT_X，MENU_AREA_LT_Y，)和右下角字符坐标(符号常量MENU_AREA_RB_X，MENU_AREA_RB_Y)，显示的菜单要限制在这个区域中。
    ②菜单定义。设计一个结构体数组，数组中的每个结构体描述一个菜单项的各项设置，这个结构体数组称为“菜单定义结构体数组”(Menu Deftne Structure，MDS)，在C代码中命名为Menu_Define[]。
    ③当前有效菜单项指针。定义一个整型变量，称为“菜单指针”(Menu Pointer，MP)，MP的值与MDS的数组下标相对应，指明了当前有效的菜单项。菜单定义采用枚举类型标识，以提高代码的可读性。[!--empirenews.page--]
    一个预定义的菜单由若干个菜单项组成，每个菜单项可以显示主显示内容和副显示内容两部分。程序运行后，主显示内容一旦定义则不改变，副显示内容是可变的。如图4(b)中，风电电压、风电电流是主显示内容，而其对应的电压、电流值是副显示内容。MDS是一个结构体数组，数组中每个元素(即每个“菜单项”)的结构如表1所示。

    可响应按键集也是一个结构体数组，每个元素对应一个可以响应的按键，Key_Collection_Iterm定义如下：
   
    部分菜单定义结构体数组成员说明：
    i16uMenu_ID：菜单的标识符，如果在某菜单上发生了“RT_ACT”(执行)动作，则菜单任务根据菜单标识符执行相应的功能。
    I16uAccessory_Type：副显示值类型，指明副显示内容的来源类型，包括常见的变量类型(char，char*，INT16U，INT16，INT32U，INT32，float，double)。
    I16uResponse_Type：按键响应动作类型，指明对当前按键的响应动作，包括：当前有效菜单项改变为上临菜单项；当前有效菜单项改变为下临菜单项；当前有效菜单项改变为右临菜单项；当前有效菜单项改变为左临菜单项；当前有效菜单项改变为父菜单项；当前有效菜单项改变为子菜单项。依据当前有效菜单项ID执行相应操作，对应的枚举类型定义如下：
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3．3 预定义UI交互软件流程
    预定义的菜单设计针对的是多层次的菜单设计，可以轻松实现多层次菜单显示。根据操作界面设计各个菜单项，即：在预定义的菜单项结构体中定义菜单项的标识符、坐标、上下临菜单项标识符、父子菜单标识符和可响应按键集等等。用户在当前有效菜单项上点击按键，系统根据动作ID散转，在可响应按键集中找出相应的响应动作，图5为按键响应动作类型散转流程图。

    各按键通过相似的响应流程完成各自不同的响应动作，这里以单个按键为例，对按键动作响应流程进行介绍。图6是一个UI交互任务流程，完成对UP按键的响应动作，动作类型为RT_MOVE_UP。

    系统上电后，首先对系统硬件和各变量进行初始化，屏幕显示首屏菜单，由活动表示符指明当前活动菜单项。当UP按键按下，进入键盘中断，随即向μCOS中发送按键消息队列，执行UI任务，在UI任务中将中断挂起，而后运行键盘扫描代码，判断出键值UP。此时，UI任务将根据当前活动菜单标识符执行RT_MOVE_UP功能。首先判断菜单显示区域内的当前活动菜单项标识符(CAID)是否等于它的上临菜单(CAID．上临ID)，如果相等，不做任何操作；如果不等，再判断CAID是否为当前菜单显示区域内正在显示的最顶端的菜单项标识符(TMID)。如果CAID=TM ID，那么CAID=TMID=CAID．上临ID，调用显示菜单函数，显示此屏幕的上一屏菜单；如果CAID不是TMID，则CAID=CAID．上临ID，调用显示菜单函数，活动表示符指向CAID．上临ID。
3．4 UI交互设计实物图
    UI交互设计实物图如图7所示。

4 结语
    UI的广泛应用是当今计算机发展的重大成就之一，它强调的是计算机对于人的反馈交互作用。嵌入式UI具有下面几个方面的基本要求，轻型、占用资源少，高性能、高可靠性，便于移植、可配置。本项目设计的UI是基于预定义的文本菜单，具有菜单设计灵活、占用资源少的优点，同时支持多层次菜单，菜单功能丰富，适用于大量的中等规模的嵌入式系统应用。