新型人机交互接口电路的设计及应用

  1  引言
  在当今的各种实时自动控制和智能化仪器仪表中，人机交互是不可缺少的一部分。一般而言，人机交互是由系统配置的外部设备来完成，但其实现方式有两种：一种是由MCU力口驱动芯片实现，如键盘显示控制芯片SK5279A，串行数据传输数码显示驱动芯片MAX7219等等，这时显然MCU没有LCD的驱动功能。另一种就是MCU本身具有驱动功能，它通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式或I／O设备访问形式控制键盘和LCD实现人机对话。这里的MCU主要有世界各大单片机生产厂商开发的各种单片机，其中TI公司的MSP430系列因其许多独特的特性引起许多研究人员的特别关注，在国内外的发展应用正逐步走向成熟。
  2  LCD简介
  LCD(Liquid Crystal Display)，即液晶显示器。液晶显示是通过环境光来显示信息的，它本身并不发光，因而功耗很低，只要求液晶周围有足够的光强。LCD是人与机器沟通的重要界面，早期以显像管(CRT／Cathode Ray Tube)显示器为主，但随着科技不断进步，各种显示技术如雨后春笋般诞生。LCD由于具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险、平面直角显示以
  及影像稳定不闪烁等优势，逐渐占据显示的主流地位。
  LCD的类型，根据其分类方式的不同而不同。如根据LCD显示内容的不同可以分为段式LCD和点阵LCD。根据LCD驱动方式的不同可以分为静态驱动和多路驱动。
  3  MSP430F44X简介
  MSP430F44X系列是TI公司最新推出的具有超低功耗特性的Flash型16位RISC指令集单片机[2]。该系列单片机性价比相当高，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优势。它主要应用在各种要求极低功率消耗的场合，特别适合用于智能测量仪器、各种医疗器械、智能化家用电器和电池供电便携设备产品之中。
  3.1  系统结构 
  MSP430F44X的系统结构，主要包括：CPU、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、FLL+时钟系统(片内DCO+晶体振荡器)、看门狗定时器／通用目的定时器(WatchDog)、ADCl2(12位A／D)、比较器A(精确的模拟比较器，常用于斜边(Slope)A／D转换)、复位电压控制／电源电压管理、基本定时器(Basic Timerl)、定时器(Timer-a和Timer-B)、LCD控制器/比较器(多达160段)、硬件乘法器、I/O口和串行口[4]。系列中各种具体的型号稍有差别。在本次设计中，具体选择MSP430F449作为人机接口电路的设计具有许多独到的优势。这一点，读者可以根据TI公司相关的数据手册进行比较。
  3.2  片内外模块特性
  MSP430F44X具有丰富的片内外围模块，其明显的特点是：具有48条I／0口线的6个并行口P1-P6，其中P1、p2具有中断能力，同时具有2个可用于UART/SPI模式选择的串  行口  (USART0和USARTl)；  内含12位的A／D转换器ADCl2，快速执行8×8、8×16、16×16乘法操作并立即得到结果的硬件乘法器；多达160段的LCD控制器／比较器，可以实现多种方式的驱动显示；可以实现UART、PWM、斜坡ADC的16位Timer-A和16位Timer-B；非常灵活的时钟系统，既可用32768Hz的钟表晶振产生低频时钟，也可以用450kHz-8MHz的晶体产生高频时钟，同时还可以使用外部时钟源或者用不同控制频率的DCO；多达几十kB的Flash空间，这样数据既可以保存在片内的Flash信息存储器，也可保存在程序的Hash中的剩余空间。
  4  接口电路设计
  4.1  接口电路简图及说明
  典型应用电路示意图。在该图中，LCD类型和键盘种类及数目的选择、下拉电阻的数值大小都必须认真考虑，硬件设计要满足一定的工作时序关系，复位时预留缓冲时间和悬空部分引脚，晶振的选择要在适当的数值，必须保证交流驱动的频率在30Hz-1000Hz范围内，其具体的情况请详细参考TI公司的相关资料[3]。
4.2  段型液晶显示屏EDS820A简介
  一般而言，LCD分为笔段型和点阵字符型及点阵图形型。笔段型主要是显示数字，常用于计数、计量和计时；点阵字符型用于显示数字和西文字符；点阵图形型用于显示图形及字符。本设计中用到的EDS820A就是由西安新敏电子科技有限公司生产的笔段型LCD。是该显示屏的各个引脚的逻辑功能表。
  显而易见，该产品EDS820A是5位的液晶显示屏，它只有4个DP，用于显示小数点；COM端也只有一个，所以该LCD与MSP430F449的管脚连接应该引起足够重视.
  5  软件设计
  硬件连接电路图为例，编写了键盘控制及显示程序，程序在IAR Embedded Workbench编译通过。全部主程序包括详细的发射和接收子程序，及初始化和等待键盘输入转换、显示等等，值得注意的是发射与接收的控制要适当。
  该程序是用汇编编写的。程序实现的是等待按键输入，读取键值，最后进行键值处理和显示的功能。
  检测是否有键按下是通过KEY是否有高电平信号。平时，KEY为低电平，当有键按下时为高电平，它发送一个脉冲给单片机MSP430F449，当单片机检测到该信号时，判断按键的功能，从而进行相应的处理。
  6  人机接口电路在体内电刺激器中的应用
  医学上，在进行疾病控制时，通常可以通过电极以一定波形(如方波、正弦波等)、频率、幅度、占空比等电信号对神经或肌肉进行刺激，以使其支配相应的功能或肌肉产生收缩／舒张动作，从而有利于症状的减轻。由于不同部位的神经或肌肉对电刺激发生的敏感水平不同，不同强弱和不同性质的电信号所产生的刺激效果是不一样的。我们研制的体内电刺激器，可以产生手术时所需要的具有不同的频率、幅度、占空比的不同波形信号。该仪器幅度、占空比准确，频率稳定，各参数均可以精确的调节。而且，由于使用了LCD显示，它与单片机的连接简单。LCD具有质量轻、体积小、电压低、功耗小、显示内容丰富等优点，其人机界面相当友好。但人机接口电路设计的优劣直接影响到整台仪器的使用效果。
  根据需要，我们设计了5个键。这里，S1表示波形的振幅，S2表示波形的频率，S3表示波形的占空比，S4为+1键，S5为-1键。通过54，S5可以调节波形的各个参数值。其中，振幅可以是在一个参考值的基础上的0-99.9％；频率可以是1Hz-999Hz；占空比调节范围可以为1.0％-99.9％[1]。
  7  结束语
  用MSP430F449实现的人机接口电路，仅仅使用了一片MCU就实现了数字显示和键盘控制功能。在本电路中，由MCU直接驱动LCD，无须外加驱动芯片，电路结构简单，功能完备，结果一目了然。应用该电路很好的实现了电刺激器的人机对话，实际证明，这种键盘显示电路经济实惠，稳定性强，因而具有较高的实用价值。