基于事件一目标驱动的人机界面设计

1 系统设计
如图l所示，人机界面系统采用小键盘操作的文本菜单方式，使用在嵌入式数字视频录像DVR(Digital Video Record)系统中。在MSP430F149上移植μC/OS―Ⅱ来独立实现人机界面的功能，用户通过键盘输入指令，经过单片机处理后发往主系统，同时把相应信息通过专用芯片的OSD(0n Screen Display)功能显示在监视器上；用户根据监视器上的信息进行菜单操作，形成人与机器的交互。

把人机界面部分从主系统中独立出来，用户所有输入的指令由单片机来处理，减少了主系统的工作量，使整个系统模块化，便于开发和调试，提高了可靠性和稳定性．另外，这种人机界面设计具有通用性，便于移植到各种嵌入式系统中。本系统选用MSP430nF149单片机，是基于以下三个方面的原因：
①OSD功能需要经常刷新，并且要处理与主机部分的数据交换，要求单片机的计算速度足够高，并且要求嵌入式系统能够长时间正常运转，且芯片功耗低。
②实时操作系统本身要耗费一部分内存，同时0SD功能要求建立字库，要求内存空间足够大，否则要外接闪存，增加设计的复杂度及成本。
③要连接键盘电路，需较多I／O口。
MSP430系列单片机是由TI公司开发的16位单片机。其突出特点是强调超低功耗，适合于各种功率要求低的应用；有较高的处理速度，在8 MHz晶振的驱动下，指令周期为125ns;MSP430F149具有60 KB的Flash ROM和2 KB RAM，可满足系统程序量和数据量大的要求，可以解决因为加载实时操作系统而增加的内存需求，具有2个串行通信接口，其中一个串口用于跟主系统通信，另一
个可用于控制其他外围模块；具有48个可独立编程的I／O口，其中有2个具有中断功能的8位并行端口，在设计按键电路时，可方便地采用中断方式识别键值。

2 软件设计与实现
2.1 实时操作系统
μC／OS―II是一个源码开放，拥有抢占式内核，支持多任务的实时操作系统；任务被分为休眠态、就绪态、运行态、挂起态和被中断态五种状态，内核根据任务所处的状态对任务作相应的处理，已经准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务对CPU的使用权。系统大部分代码采用C语言编写，与硬件相关的部分很集中，并给出了规范的接口说明，移植相当方便，可应用于目前大多数型号的8位、16位、32位CPU。μC／OS―II提供的仅仅是一个操作系统内核，对硬件系统要求很低，很适合在低端CPU上开发小系统。
将μC／OS―II移植在MSP430F149单片机上，对其进行裁减，只保留消息队列一种任务间通信方式，利用它的任务优先级抢占机制，使人机界面很好地满足嵌入式系统对实时性和可靠性的要求。下面详细介绍基于μC／0S―II操作系统的程序设计。
2.2 软件设计
本系统的软件部分设计基于E-O模型的思想，划分事件和目标。以有限状态机的方式，在实时操作系统μC／OS一Ⅱ中，用状态机把目标和事件联系起来，实现OA (Object-Action)行为模式完成人机交互的过程，使以小键盘操作的文本菜单方式设计更清晰。
2.2.1 事件-目标驱动的用户界面模型
事件-目标驱动的用户界面模型，即E-O模型(E-vent-Object Drive User Interface Model)，将人机交互活动归结为事件与目标的相互作用．事件是人机交互活动中传递的信息，目标是交互活动的对象；事件引发交互活动，目标是交互活动的承受者。E-O模型基于的基本行为模式是“目标-动作”（OA），以目标为核心，具有面向对象风格。
E-O模型由四个逻辑部件组成：①设备管理模块(device management module)，提供与各种交互设备的接口，实现设备无关特性；②事件管理子系统(event Man-agement subsystem)，它读取输入设备的输入信息形成事件并进行统一管理，将反馈信息的事件解释为适当的输出指令并传送给输出设备；③目标管理子系统(object Man-agement subsystem)，创建、装载、保存用户界面中各类目标，并对目标进行管理，④事件-目标管理子系统(event-object management subsystem)，主要职责是实现事件与目标的整合，按适当策略控制事件在各目标结点之间流动，以形成和维持交互的过程，是整个用户界面系统的核心。
2.2.2 有限状态机的形式化描述
有限状态机FSM(Finite State Machine)由状态、事件、转换和活动组成。每个状态有1个状态进入动作(entryaction)和1个状态退出动作(exit action)，每个转换有1个源状态和目标状态并且与1个事件相关联。当在源状态时，该事件发生且触发转换的监护条件为真，则顺序执行下列一些动作：①源状态的退出动作；②转换动作；③目标状态的进入动作。
FSM可以形式化表示为1个五元组：M=(0，I，λ，S，δ，S0)。
其中，S为有限状态集；
I为有穷的事件输入集；
0为有穷的输出集，
S0为初始状态集；
δ：SI→S，进入下一个状态的过程；
λ：SI→O，产生输出的过程。
T=δUλ。T中的每个元素又可以表示为1个五元组，T=(Soure-State，Target-State，Input-Event，Con-straint，Action)。其中“Source-State”和“Target-State”分别表示T的初始状态和目标状态，“Input-Event”表示来自于I的输入事件或为空，“Constramt”表示监护条件及输入事件参数等约束，Action表示转换执行的动作。
用软件实现有限状态机有两种方法：表格法和过程驱动法。表格驱动法利用一个二维数组。该数组中的短一行与一个状态相对应，每一列与一个输入事件相对应，每一项则与某一状态下对事件的处理相对应。表格驱动法适用于具有结构规则、操作简单的有限状态机。
过程驱动法为每一个状态都定义一个处理过程，处理过程实现在此状态时对事件的响应，包括输出处理及对当前状态值的转换。这个过程可以用case语句区分事件，并采用相应的处理。无论采用何种方法实现FSM，当FSM收到一条消息时必须知道当前的状态。为此，对应每一个状态机必须能够保存当前所处的状态。过程法适用于实现一个具有几种转换和复杂操作的有限状态机。
2.3 程序设计与实现
基于消息驱动的程序设计思想，为了保证系统的实时性，在中断中只负责发送消息到相应的任务的消息队列，由应用级的任务来处理，保证各个处理的时间是可确定的．主程序在消息循环中不断地判断各个任务的状态，执行进入就绪态的任务。这就允许采用异步方式处理各种中断及任务。
本系统程序中采用了两组有限状态机，运用消息驱动的方式来驱动状态的变更。一组是通信任务中以串口接收数据驱动为事件对象的有限状态机，另一组是以用户按键和命令码驱动为事件对象的有限状态机．在实时操作系统μC／OS一Ⅱ下，整个人机界面分为三个模块，即三个任务来实现，分别是键值处理模块、与主机通信模块和时钟模块。
（1）键值处理模块
OSTaskCreate(KEYTaskStart，(void*)O，TaskKey-Stk[]，7)；
先初始化所有的模块，然后在循环中接收并处理键盘的输入，Key-Process(char KeyValue)根据相应的输入键值和系统所处的状态，对菜单进行相应的操作。
State_Trans(char RxData)根据键值输入事件负责调度系统的状态，并在相应的状态下，根据从主系统收到的信息显示菜单。
（2）主机通信模块
OSTaskCreate(UARTTaskskStart，(void *)O， TaskU-artStk[]，6)；
通过消息队列OSQPend(OS_EVENT*pevent，INTl6U timeout，INT8U*err)，接受串口中断发来的消息队列，对其中的数据进行处理。在人机交互的过程中，需要大量的与主系统的交互，单独用一个任务负责与主系统的通信，实现串口接收数据驱动的有限状态机。
(3)时钟模块
OSTaskCreate(TimcTCk，(void*)O，TimeTickStk[]，5)；
时钟任务，使用单片机的时钟中断，可以设置各个任务需要的定时器，通过消息队列发给需要定时的任务。
2.3.1 串口接收数据驱动的有限状态机
为了保证通信的可靠，系统中采用停止等待协议。在发送数据前要对数据打包，接收到数据要先解包，单片机在接收主系统发过来数据包的后需要去掉通信协议字段，然后对有效数据进行正确的处理。为此，定义了一个Frame-FSM类型的数据结构，用来对接收到的数据进行处理。
typedefstruct{
byte State； ／／当前所处的状态
byte SYM_Plas；／／转义字符标志，若为1，表示需对当前
／／数据转义
bytc DatoLenoth；／／数据长度
byte CheekSum；／／校验和
byte Offset； ／／偏移地址，对应当前接收到的数据在
／／该帧中的位置
byteFrame_Data；／／帧内的有效数据
}Frame_FSM；
利用主机发送过来的消息驱动有限状态机，串口接收数据驱动的有限状态机包括以下几种状态；
①任意状态。无论单片机原来处于何种状态，收到字符0xaa，都表明1帧新的数据即将开始发送。此时，如果单片机处于1帧正在接收的状态。就会丢弃原数据重新进入收到同步字符状态。
②任意状态(除了INIT_STATE之外)。无论单片机原来处于何种状态．收到字符0xfc，都表明系统中出现了转义字符。此时，将转义字符标志置1，丢弃当前接收的数据后返回；每一次进入重建帧处理函数后，系统会首先判断转义字符标志是否为l。若为l，则根据当前字符进行转义(当前字符为0x00，则转义为Oxaa；当前字符为0x01，则转义为Oxfc；如果为其他字符则丢弃)，然后将转义字符标志重新清O。
③INIT_STATE，初始状态。在这个状态下，将重建帧的偏移地址和校验和清0，然后等待接收数据。收到起始宇符Oxaa后，将状态转入AA_SYN_STATE；收到其他字符都丢弃不理。
④AA_SYN_STATE，收到同步字符状态。在这个状态下，MCU将重建帧的偏移地址和校验和清0，然后将状态置为接收源地址状态。
⑤SRC_ADDR_STATE，收到源地址状态。此时比较源地址是否是主机地址。若是，则转接收目的地址状态；否则，转初始状态。
⑥DEST_ADDR_STATE，收到目的地址状态。此时比较目的地址是否是MCU地址。若是，则转接收数据长度状态；否则，转初始状态；
⑦DATA_LEN_STATE，接收数据长度状态。将数据长度备份，转入接收数据状态。
⑧DATA_STATE，接收正常数据状态。将接收的数据存入接收数组REBUF中，每接收到一个数据就将对应的偏移地址加l，接收数据长度减1，并且计算此时的校验和。当数据长度减为0时，表明l帧数据已经全部接收完毕，转入检验校验和状态。
⑨CHECKSUM_STATE，接收校验和状态。将接收的校验和与本地计算的校验和进行比较。如果两者相等，将状态转为INIT_STATE，然后对正确的数据帧进行处理，并给主系统发送一个确认帧；如果两者不等，丢弃该帧，状态转入INIT_STATE，等待接收新的数据帧。
对应的状态转换图(state transition diagram)如图2所示。

2.3.2 键值和命令码驱动的有限状态机
这组有限状态机主要依靠用户对菜单的操作进行状态转换，即把键值和命令码作为FSM的激励源，其中键盘消息是最主要的激励源。应用层的FSM具有多种主状态，用户未按键或者是没有接收到新的数据帧时，状态处于IDLE_STATE；接收到消息后，转入对应的主状态。然后，根据按键的不同或者是接收命令码的不同，转入对应的子状态进行处理。任务处理完毕，再将状态置为IDLE_STATE，按取消键，可回到上一级状态。
以用户控制云台上下左右转动为例，系统开始处于IDLE_STATE。若用户按云台镜头控制键，则进入云台镜头选择状态，并显示云台镜头控制菜单．选择云台控制选项后，进入云台方向设置状态；选择向上键，转入向上状态。在该状态执行向上命令操作后，状态重新转入IDLE_STATE，并伴随着输出菜单的相应变化，按取消键可回到上一级云境选择状态。对于其他按键，系统全部过滤掉不作响应，状态也不进行转换。云台控制的状态转换图如图3所示。

3 测 试
μC／OS―IIV2.52较以前的版本，增加了两个系统任务一一CPU负荷监测任务与堆栈容量检查任务。这两个任务给程序的调试带来很大的方便。
将系统配置常数OS_TASK_STAT_EN设为l，统计任务OSTaskStat()就会建立。它每秒钟运行1次，计算出当前CPU的利用率，放在一个有符号的8位整数0SCPUUsage中，精确度是l％。
μC／OS-Ⅱ内存是固定分配的，通过0STaskStkChk()可确定每个任务实际需要的最大堆栈空间，根据测得结果合理地分配内存空间。表l是用以上函数测出的系统参数。

与MSP430单片机系统相应的调试工具Embedded Workbench，可跟踪程序的运行。通过运行在PC机上Embedded Workberlch能够追踪程序中各种参数的变化，查看单片机内存的使用情况。

结 语
本系统使用μC／OS―II后，系统的总体性能有了很大提高。使用实时操作系统前。运用前后台的程序设计方式。在需要显示较多数据在屏幕上，同时又需要接收数据时，单片机处理不及时，可以通过调试工具WorkbenCh看到接收缓存接收的数据帧不完整，而不能正确地在屏幕上显示数据。移植操作系统之后，工作可靠，同时系统的反应速度，即实时性有了很大提高。文中介绍的人机界面与嵌入式主系统是独立的模块，可以灵活地在单片机上加载控制模块，适合应用于各种嵌入式系统中。