基于事件一目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如圖l所示，人機(jī)界面系統(tǒng)采用小鍵盤(pán)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(lái)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的功能，用戶通過(guò)鍵盤(pán)輸入指令，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后發(fā)往主系統(tǒng)，同時(shí)把相應(yīng)信息通過(guò)專(zhuān)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(jìn)行菜單操作，形成人與機(jī)器的交互。

把人機(jī)界面部分從主系統(tǒng)中獨(dú)立出來(lái)，用戶所有輸入的指令由單片機(jī)來(lái)處理，減少了主系統(tǒng)的工作量，使整個(gè)系統(tǒng)模塊化，便于開(kāi)發(fā)和調(diào)試，提高了可靠性和穩(wěn)定性．另外，這種人機(jī)界面設(shè)計(jì)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(jī)，是基于以下三個(gè)方面的原因：
①OSD功能需要經(jīng)常刷新，并且要處理與主機(jī)部分的數(shù)據(jù)交換，要求單片機(jī)的計(jì)算速度足夠高，并且要求嵌入式系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)轉(zhuǎn)，且芯片功耗低。
②實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)本身要耗費(fèi)一部分內(nèi)存，同時(shí)0SD功能要求建立字庫(kù)，要求內(nèi)存空間足夠大，否則要外接閃存，增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度及成本。
③要連接鍵盤(pán)電路，需較多I／O口。
MSP430系列單片機(jī)是由TI公司開(kāi)發(fā)的16位單片機(jī)。其突出特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)超低功耗，適合于各種功率要求低的應(yīng)用；有較高的處理速度，在8 MHz晶振的驅(qū)動(dòng)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?yàn)榧虞d實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)而增加的內(nèi)存需求，具有2個(gè)串行通信接口，其中一個(gè)串口用于跟主系統(tǒng)通信，另一
個(gè)可用于控制其他外圍模塊；具有48個(gè)可獨(dú)立編程的I／O口，其中有2個(gè)具有中斷功能的8位并行端口，在設(shè)計(jì)按鍵電路時(shí)，可方便地采用中斷方式識(shí)別鍵值。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
μC／OS―II是一個(gè)源碼開(kāi)放，擁有搶占式內(nèi)核，支持多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；任務(wù)被分為休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、掛起態(tài)和被中斷態(tài)五種狀態(tài)，內(nèi)核根據(jù)任務(wù)所處的狀態(tài)對(duì)任務(wù)作相應(yīng)的處理，已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)對(duì)CPU的使用權(quán)。系統(tǒng)大部分代碼采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，與硬件相關(guān)的部分很集中，并給出了規(guī)范的接口說(shuō)明，移植相當(dāng)方便，可應(yīng)用于目前大多數(shù)型號(hào)的8位、16位、32位CPU。μC／OS―II提供的僅僅是一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，對(duì)硬件系統(tǒng)要求很低，很適合在低端CPU上開(kāi)發(fā)小系統(tǒng)。
將μC／OS―II移植在MSP430F149單片機(jī)上，對(duì)其進(jìn)行裁減，只保留消息隊(duì)列一種任務(wù)間通信方式，利用它的任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占機(jī)制，使人機(jī)界面很好地滿足嵌入式系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。下面詳細(xì)介紹基于μC／0S―II操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)基于E-O模型的思想，劃分事件和目標(biāo)。以有限狀態(tài)機(jī)的方式，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS一Ⅱ中，用狀態(tài)機(jī)把目標(biāo)和事件聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)OA (Object-Action)行為模式完成人機(jī)交互的過(guò)程，使以小鍵盤(pán)操作的文本菜單方式設(shè)計(jì)更清晰。
2.2.1 事件-目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的用戶界面模型
事件-目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的用戶界面模型，即E-O模型(E-vent-Object Drive User Interface Model)，將人機(jī)交互活動(dòng)歸結(jié)為事件與目標(biāo)的相互作用．事件是人機(jī)交互活動(dòng)中傳遞的信息，目標(biāo)是交互活動(dòng)的對(duì)象；事件引發(fā)交互活動(dòng)，目標(biāo)是交互活動(dòng)的承受者。E-O模型基于的基本行為模式是“目標(biāo)-動(dòng)作”（OA），以目標(biāo)為核心，具有面向?qū)ο箫L(fēng)格。
E-O模型由四個(gè)邏輯部件組成：①設(shè)備管理模塊(device management module)，提供與各種交互設(shè)備的接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)特性；②事件管理子系統(tǒng)(event Man-agement subsystem)，它讀取輸入設(shè)備的輸入信息形成事件并進(jìn)行統(tǒng)一管理，將反饋信息的事件解釋為適當(dāng)?shù)妮敵鲋噶畈魉徒o輸出設(shè)備；③目標(biāo)管理子系統(tǒng)(object Man-agement subsystem)，創(chuàng)建、裝載、保存用戶界面中各類(lèi)目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行管理，④事件-目標(biāo)管理子系統(tǒng)(event-object management subsystem)，主要職責(zé)是實(shí)現(xiàn)事件與目標(biāo)的整合，按適當(dāng)策略控制事件在各目標(biāo)結(jié)點(diǎn)之間流動(dòng)，以形成和維持交互的過(guò)程，是整個(gè)用戶界面系統(tǒng)的核心。
2.2.2 有限狀態(tài)機(jī)的形式化描述
有限狀態(tài)機(jī)FSM(Finite State Machine)由狀態(tài)、事件、轉(zhuǎn)換和活動(dòng)組成。每個(gè)狀態(tài)有1個(gè)狀態(tài)進(jìn)入動(dòng)作(entryaction)和1個(gè)狀態(tài)退出動(dòng)作(exit action)，每個(gè)轉(zhuǎn)換有1個(gè)源狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)并且與1個(gè)事件相關(guān)聯(lián)。當(dāng)在源狀態(tài)時(shí)，該事件發(fā)生且觸發(fā)轉(zhuǎn)換的監(jiān)護(hù)條件為真，則順序執(zhí)行下列一些動(dòng)作：①源狀態(tài)的退出動(dòng)作；②轉(zhuǎn)換動(dòng)作；③目標(biāo)狀態(tài)的進(jìn)入動(dòng)作。
FSM可以形式化表示為1個(gè)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(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)的過(guò)程；
λ：SI→O，產(chǎn)生輸出的過(guò)程。
T=δUλ。T中的每個(gè)元素又可以表示為1個(gè)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(biāo)狀態(tài)，“Input-Event”表示來(lái)自于I的輸入事件或?yàn)榭眨癈onstramt”表示監(jiān)護(hù)條件及輸入事件參數(shù)等約束，Action表示轉(zhuǎn)換執(zhí)行的動(dòng)作。
用軟件實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)有兩種方法：表格法和過(guò)程驅(qū)動(dòng)法。表格驅(qū)動(dòng)法利用一個(gè)二維數(shù)組。該數(shù)組中的短一行與一個(gè)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，每一列與一個(gè)輸入事件相對(duì)應(yīng)，每一項(xiàng)則與某一狀態(tài)下對(duì)事件的處理相對(duì)應(yīng)。表格驅(qū)動(dòng)法適用于具有結(jié)構(gòu)規(guī)則、操作簡(jiǎn)單的有限狀態(tài)機(jī)。
過(guò)程驅(qū)動(dòng)法為每一個(gè)狀態(tài)都定義一個(gè)處理過(guò)程，處理過(guò)程實(shí)現(xiàn)在此狀態(tài)時(shí)對(duì)事件的響應(yīng)，包括輸出處理及對(duì)當(dāng)前狀態(tài)值的轉(zhuǎn)換。這個(gè)過(guò)程可以用case語(yǔ)句區(qū)分事件，并采用相應(yīng)的處理。無(wú)論采用何種方法實(shí)現(xiàn)FSM，當(dāng)FSM收到一條消息時(shí)必須知道當(dāng)前的狀態(tài)。為此，對(duì)應(yīng)每一個(gè)狀態(tài)機(jī)必須能夠保存當(dāng)前所處的狀態(tài)。過(guò)程法適用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有幾種轉(zhuǎn)換和復(fù)雜操作的有限狀態(tài)機(jī)。
2.3 程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
基于消息驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)思想，為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在中斷中只負(fù)責(zé)發(fā)送消息到相應(yīng)的任務(wù)的消息隊(duì)列，由應(yīng)用級(jí)的任務(wù)來(lái)處理，保證各個(gè)處理的時(shí)間是可確定的．主程序在消息循環(huán)中不斷地判斷各個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，執(zhí)行進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)。這就允許采用異步方式處理各種中斷及任務(wù)。
本系統(tǒng)程序中采用了兩組有限狀態(tài)機(jī)，運(yùn)用消息驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的變更。一組是通信任務(wù)中以串口接收數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為事件對(duì)象的有限狀態(tài)機(jī)，另一組是以用戶按鍵和命令碼驅(qū)動(dòng)為事件對(duì)象的有限狀態(tài)機(jī)．在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS一Ⅱ下，整個(gè)人機(jī)界面分為三個(gè)模塊，即三個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別是鍵值處理模塊、與主機(jī)通信模塊和時(shí)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(pán)的輸入，Key-Process(char KeyValue)根據(jù)相應(yīng)的輸入鍵值和系統(tǒng)所處的狀態(tài)，對(duì)菜單進(jìn)行相應(yīng)的操作。
State_Trans(char RxData)根據(jù)鍵值輸入事件負(fù)責(zé)調(diào)度系統(tǒng)的狀態(tài)，并在相應(yīng)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(jī)通信模塊
OSTaskCreate(UARTTaskskStart，(void *)O， TaskU-artStk[]，6)；
通過(guò)消息隊(duì)列OSQPend(OS_EVENT*pevent，INTl6U timeout，INT8U*err)，接受串口中斷發(fā)來(lái)的消息隊(duì)列，對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在人機(jī)交互的過(guò)程中，需要大量的與主系統(tǒng)的交互，單獨(dú)用一個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)與主系統(tǒng)的通信，實(shí)現(xiàn)串口接收數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的有限狀態(tài)機(jī)。
(3)時(shí)鐘模塊
OSTaskCreate(TimcTCk，(void*)O，TimeTickStk[]，5)；
時(shí)鐘任務(wù)，使用單片機(jī)的時(shí)鐘中斷，可以設(shè)置各個(gè)任務(wù)需要的定時(shí)器，通過(guò)消息隊(duì)列發(fā)給需要定時(shí)的任務(wù)。
2.3.1 串口接收數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的有限狀態(tài)機(jī)
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(duì)數(shù)據(jù)打包，接收到數(shù)據(jù)要先解包，單片機(jī)在接收主系統(tǒng)發(fā)過(guò)來(lái)數(shù)據(jù)包的后需要去掉通信協(xié)議字段，然后對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的處理。為此，定義了一個(gè)Frame-FSM類(lèi)型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
typedefstruct{
byte State； ／／當(dāng)前所處的狀態(tài)
byte SYM_Plas；／／轉(zhuǎn)義字符標(biāo)志，若為1，表示需對(duì)當(dāng)前
／／數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)義
bytc DatoLenoth；／／數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
byte CheekSum；／／校驗(yàn)和
byte Offset； ／／偏移地址，對(duì)應(yīng)當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)在
／／該幀中的位置
byteFrame_Data；／／幀內(nèi)的有效數(shù)據(jù)
}Frame_FSM；
利用主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的消息驅(qū)動(dòng)有限狀態(tài)機(jī)，串口接收數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的有限狀態(tài)機(jī)包括以下幾種狀態(tài)；
①任意狀態(tài)。無(wú)論單片機(jī)原來(lái)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(kāi)始發(fā)送。此時(shí)，如果單片機(jī)處于1幀正在接收的狀態(tài)。就會(huì)丟棄原數(shù)據(jù)重新進(jìn)入收到同步字符狀態(tài)。
②任意狀態(tài)(除了INIT_STATE之外)。無(wú)論單片機(jī)原來(lái)處于何種狀態(tài)．收到字符0xfc，都表明系統(tǒng)中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)義字符。此時(shí)，將轉(zhuǎn)義字符標(biāo)志置1，丟棄當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)后返回；每一次進(jìn)入重建幀處理函數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)首先判斷轉(zhuǎn)義字符標(biāo)志是否為l。若為l，則根據(jù)當(dāng)前字符進(jìn)行轉(zhuǎn)義(當(dāng)前字符為0x00，則轉(zhuǎn)義為Oxaa；當(dāng)前字符為0x01，則轉(zhuǎn)義為Oxfc；如果為其他字符則丟棄)，然后將轉(zhuǎn)義字符標(biāo)志重新清O。
③INIT_STATE，初始狀態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)下，將重建幀的偏移地址和校驗(yàn)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(zhuǎn)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(gè)狀態(tài)下，MCU將重建幀的偏移地址和校驗(yàn)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(shí)比較源地址是否是主機(jī)地址。若是，則轉(zhuǎn)接收目的地址狀態(tài)；否則，轉(zhuǎn)初始狀態(tài)。
⑥D(zhuǎn)EST_ADDR_STATE，收到目的地址狀態(tài)。此時(shí)比較目的地址是否是MCU地址。若是，則轉(zhuǎn)接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度狀態(tài)；否則，轉(zhuǎn)初始狀態(tài)；
⑦DATA_LEN_STATE，接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度狀態(tài)。將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度備份，轉(zhuǎn)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(gè)數(shù)據(jù)就將對(duì)應(yīng)的偏移地址加l，接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度減1，并且計(jì)算此時(shí)的校驗(yàn)和。當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度減為0時(shí)，表明l幀數(shù)據(jù)已經(jīng)全部接收完畢，轉(zhuǎn)入檢驗(yàn)校驗(yàn)和狀態(tài)。
⑨CHECKSUM_STATE，接收校驗(yàn)和狀態(tài)。將接收的校驗(yàn)和與本地計(jì)算的校驗(yàn)和進(jìn)行比較。如果兩者相等，將狀態(tài)轉(zhuǎn)為INIT_STATE，然后對(duì)正確的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，并給主系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀；如果兩者不等，丟棄該幀，狀態(tài)轉(zhuǎn)入INIT_STATE，等待接收新的數(shù)據(jù)幀。
對(duì)應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(state transition diagram)如圖2所示。

2.3.2 鍵值和命令碼驅(qū)動(dòng)的有限狀態(tài)機(jī)
這組有限狀態(tài)機(jī)主要依靠用戶對(duì)菜單的操作進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即把鍵值和命令碼作為FSM的激勵(lì)源，其中鍵盤(pán)消息是最主要的激勵(lì)源。應(yīng)用層的FSM具有多種主狀態(tài)，用戶未按鍵或者是沒(méi)有接收到新的數(shù)據(jù)幀時(shí)，狀態(tài)處于IDLE_STATE；接收到消息后，轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的子狀態(tài)進(jìn)行處理。任務(wù)處理完畢，再將狀態(tài)置為IDLE_STATE，按取消鍵，可回到上一級(jí)狀態(tài)。
以用戶控制云臺(tái)上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)為例，系統(tǒng)開(kāi)始處于IDLE_STATE。若用戶按云臺(tái)鏡頭控制鍵，則進(jìn)入云臺(tái)鏡頭選擇狀態(tài)，并顯示云臺(tái)鏡頭控制菜單．選擇云臺(tái)控制選項(xiàng)后，進(jìn)入云臺(tái)方向設(shè)置狀態(tài)；選擇向上鍵，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入IDLE_STATE，并伴隨著輸出菜單的相應(yīng)變化，按取消鍵可回到上一級(jí)云境選擇狀態(tài)。對(duì)于其他按鍵，系統(tǒng)全部過(guò)濾掉不作響應(yīng)，狀態(tài)也不進(jìn)行轉(zhuǎn)換。云臺(tái)控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

3 測(cè) 試
μC／OS―IIV2.52較以前的版本，增加了兩個(gè)系統(tǒng)任務(wù)一一CPU負(fù)荷監(jiān)測(cè)任務(wù)與堆棧容量檢查任務(wù)。這兩個(gè)任務(wù)給程序的調(diào)試帶來(lái)很大的方便。
將系統(tǒng)配置常數(shù)OS_TASK_STAT_EN設(shè)為l，統(tǒng)計(jì)任務(wù)OSTaskStat()就會(huì)建立。它每秒鐘運(yùn)行1次，計(jì)算出當(dāng)前CPU的利用率，放在一個(gè)有符號(hào)的8位整數(shù)0SCPUUsage中，精確度是l％。
μC／OS-Ⅱ內(nèi)存是固定分配的，通過(guò)0STaskStkChk()可確定每個(gè)任務(wù)實(shí)際需要的最大堆棧空間，根據(jù)測(cè)得結(jié)果合理地分配內(nèi)存空間。表l是用以上函數(shù)測(cè)出的系統(tǒng)參數(shù)。

與MSP430單片機(jī)系統(tǒng)相應(yīng)的調(diào)試工具Embedded Workbench，可跟蹤程序的運(yùn)行。通過(guò)運(yùn)行在PC機(jī)上Embedded Workberlch能夠追蹤程序中各種參數(shù)的變化，查看單片機(jī)內(nèi)存的使用情況。

結(jié) 語(yǔ)
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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)前。運(yùn)用前后臺(tái)的程序設(shè)計(jì)方式。在需要顯示較多數(shù)據(jù)在屏幕上，同時(shí)又需要接收數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)處理不及時(shí)，可以通過(guò)調(diào)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(shí)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，即實(shí)時(shí)性有了很大提高。文中介紹的人機(jī)界面與嵌入式主系統(tǒng)是獨(dú)立的模塊，可以靈活地在單片機(jī)上加載控制模塊，適合應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。