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1、浅析新型人机交互接口电路的设计及应浅析新型人机交互接口电路的设计及应 用用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 IO 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
2、 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。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(CRTCathode 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
3、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。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。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。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(WatchDo
4、g)、ADCl2(12 位 AD)、比较器 A(精确的模拟比较器，常用于斜边(Slope)AD 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。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。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 I0 口线的 6 个并行口 P1-P6，其
5、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 AD转换器 ADCl2，快速执行 88、816、1616 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
6、 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。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。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
7、；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.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
8、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。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
9、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；频率可以是 1Hz-999Hz；占空比调节范围可以为-。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。
