基于msp430的人机交互界面的设计.docx
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基于msp430的人机交互界面的设计
学号：
200912010225
HEBEIUNITEDUNIVERSITY
毕业设计说明书
GRADUATEDESIGN
设计题目：
基于MSP430的人机交互界面的设计
学生姓名：
专业班级：
09电科2班
学院：
信息工程学院
指导教师：
讲师
2013年05月26日
摘要
人机交互界面是人和机器进行沟通和交流的最直接的平台，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输出。
在现代手持设备或便携式智能仪器中,人机交互界面已成为一种事实上的行业标准，人机交互技术的发展是伴随着计算机技术发展而快速的发展起来的，特别是计算机技术的推广和普及，显示技术的更新升级，以及大量便携式电子产品包括高端的智能手机、平板电脑以及小到MP3音乐播放器、计算器的发展，都直接或间接的加大了对人机交互界面的需求。
有需求的同时微功耗、小体积的界面设备更加的具有竞争力。
基于低功耗的要求，本设计中采用了MSP430F149单片机作为系统的微控制器,充分发挥其优势，并且采用128*64像素的低电压液晶显示模块和矩阵式键盘构成一个中文的人机交互界面。
以单片机原理、LCD显示技术等知识为基础，进行电子系统设计。
关键词人机交互界面；低功耗；MSP430F149；液晶显示；矩阵键盘
Abstract
TheHMIinterfaceisthemostdirectcommunicationandexchangeplatformforusersandmachinestopasseachotherinformationmedia,includinginputandoutputofinformation.TheHMIinterfaceisbecomeaindustrystandardasinafactforthemobilephoneorsomeotherintelligentinstruments.Withthedevelopmentofthecomputertechnologyrapid,especiallythepopularizationofcomputertechnology,technologyupdatesandupgradedofdisplay,andalargenumberofintelligenceelectronicproducts,includingtheintelligentmobilephone,TabletPCaswellassmallasanMP3musicplayer,TheHMIinterfacedeveloped.Andthenit'sincreasethedemandofit.Whichismorecompetitiveasthedemandasthemicro-powerandsmallsizeinterfacedevices.Bebasedonthedemandofthemicro-power,thedesignusetheSCMofMSP430F149asasystem.Givefullplaytotheirstrengths,andlowvoltageof128*64pixelLCDmoduleandkeyboardmatrixtoformaChineseHMIinterface.AsthefoundationoftheprincipleofSCM,thedisplaytechnologyoftheLCDtodesigntheelectronicsystem.
Keywords:
HMIinterface;Low-power;MSP430F149;LCDdisplay;Matrixkeyboard
第1章绪论
1.1人机交互技术的发展现状和趋势
1.1.1人机交互技术发展现状
人机交互是一门包括设计、评价和实现供人们使用的交互式计算机系统，以及研究由此而发生的相关现象的学科。
它包括机器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等，人通过输入设备给机器输入有关信息，回答问题及提示请示等。
人机交互技术是计算机用户界面设计中的重要内容之一。
它与认知学、人机工程学、社会学、人类学等学科领域都有着密切的联系。
通常人们可以通过使用键盘、鼠标、操作杆、位置跟踪器、数据手套等设备，用手、脚、声音、姿态和身体的动作、视线甚至脑电波等向计算机传递信息；计算机通过打印机，绘图仪、头盔式显示器、音频等输出设备或显示设备给人提供信息，从而实现信息的交互。
人机交互技术是伴随计算机技术发展起来的，它经历了6个阶段：
命令语言用户界面、图形用户界面、直接操纵用户界面、多媒体用户界面、多通道用户界面、虚拟现实技术。
从技术的发展趋势可以看出，人机接口界面的发展融合了多媒体多通道技术之后，使虚拟世界更像我们所熟识的现实世界，也更容易被人们所接受。
目前，人机交互技术正处于多通道、多媒体的智能人机交互阶段，已经取得了不少研究成果，不少产品已经问世。
人机交互技术领域热点技术在很多地方已经得到了应用，比如在智能手机中配备地理空间跟踪技术，应用于隐身技术、可穿戴式计算机、浸入式游戏等的动作识别技术，也可从各更高级的领域应用中找到身影，比如应用于虚拟现实、遥控机器人及远程医疗等的触觉交互技术，应用于呼叫路由、家庭自动化及语音拨号等场合的语音识别技术，对于有语言障碍的人士的无声语音识别，应用于广告、网站、产品目录、杂志效用测试的眼动跟踪技术，针对有语言和行动障碍人开发的“意念轮椅”采用的基于脑电波的人机界面技术等。
1.1.2人机交互技术发展趋势
人机交互技术的发展总是伴随计算机的发展不断向前进步，特别是CPU、GPU的运算能力日趋强大，网络和通信技术的飞速发展，显示技术的重大突破都将为人机交互提供新的起点与高度。
互联网正在向“云端”计算时代发展，人机交互的发展仍将延续由以计算机为中心的复杂交互向以人为中心的简单、自然交互转移的理念。
热点技术的应用开发是机遇也是挑战，基于视觉的手势识别率低，实时性差，需要研究各种算法来改善识别的精度和速度，眼睛虹膜、掌纹、笔迹、步态、语音、唇读、人脸、DNA等人类特征的研发应用也正受到关注，自然语言理解虽然目前在语言模型、语料库等方面有进展外，仍将是人机交互的重要目标，多通道的整合也是人机交互的热点，另外，与“无所不在的计算”、“云计算”等相关技术的融合与促进也需要继续探索。
综合计算机的发展趋势，我们可以得出结论是，人机交互技术的发展趋势有以下几个特点：
1、朝着高科技的方向发展。
计算机的发展趋势必然是趋向平面化、超薄型化、便携式、袖珍型，伴随着的输入方式的发展应是多通道化方式发展，比如，触摸屏、语音输入、跟踪球技术的发展，对应的输出方式多媒体技术、虚拟现实技术及强有力的视觉工作站将提供真实、动态的影响和刺激灵感的用户界面，这将使得人机交互技术的发展必须满足快速发展的高科技。
2、自然化。
随着图形界面的广泛应用，将视觉、听觉、触觉、嗅觉技术和形体、手势或者口令自然的融入到环境空间中区，使得人们可以直接进行人机对话，从而获得更加身临其境的体验。
3、人性化。
从发展的眼光来看人机交互技术的发展，将会是朝着人的技术化和技术人性化的两个方向发展。
在人的技术化方面，一方面是人们主动的去学习，探索从而使人的技术提高，另一方面是人们对技术的需求和受技术的约束性都在慢慢的加深人们对高科技技术的依赖性。
技术人性化最大的提现就是在于计算机虚拟现实技术的实用化。
虚拟现实和多通道用户界面的迅速发展显示出未来人机交互技术的发展趋势是追求所谓“人机和谐”的多维信息空间和“基于自然交互方式的”的人机交互风格。
1.2人机交互界面的发展
人机交互界面是指人和计算机系统之间的通信媒体或手段，是人与计算机之间符号和动作的双向信息交换的平台。
基于人机交互技术上发展起来的人机交互界面技术同时具有着人机交互技术的发展特点和趋势。
人和计算机的交互作用是通过用户界面来实现的。
随着交互技术的发展，人机交互界面逐渐的成为一个独立的，比较新鲜的重要研究领域，并且正在受到世界各界的广泛关注，逐渐的成为20世纪90年代计算机行业的又一竞争领域。
较之前的传统人机系统不相同的是，人机交互系统中人和计算机的交互形式已经发生了很大的改变，已经渐渐转变成了两个“智能系统”即人和计算机之间的通讯和对话。
人机交互研究的是人和计算机二者之间相互影响的方式，是集计算机科学、心理学、认知科学和社会学于一体的新兴学科。
关键点是如何设计出一个有利于简化用户操作的界面同时又具有较多功能的设计。
第一，以用户为中心，因为所有的设计最终都是面向用户的，因此在设计时必须要根据用户的实际需求来设计，使大多数的用户能够接受使用。
第二，多通道。
多通道指的就是要尽量的挖掘人机的各部分器官的功能特点，来符合用户的多方面的生理机能，达到身心舒适的效果的良好体验。
第三，就是界面的细微设计上要遵循一定的原则，例如大小、明暗、粗细、曲线与直线、位置等方面的摆放都有一定的原则。
因此，在做人机交互界面设计前必须要先分析系统，然后根据具体需求来进行合理的布局安排，让使用者可以方便快捷的进行操作，减少使用出错率。
计算机的出现导致了工业控制的一场革命，自动化技术的不断升级和发展，使得人机交互界面在工业自动化控制中频繁的使用。
界面设计的引入对工业设计有着不可估量的意义。
从此，人们将脱离功能与形式之争，从而把设计的中心转移到对人的关注。
产品设计已经是软界面与硬界面的融合，以界面设计为中心的工业设计将会给产品设计带来新的设计理念和方法。
1.3.本课题的来源
随着社会需要和科学技术的发展，产品的竞争愈来愈激烈，更新的周期愈来愈短，因而要求设计者能很快地设计出新产品；而在产品的整体设计中，人机交互界面的设计往往占据着很大一部分工作，这样，不但极大地增加了产品的开发成本而且延长了产品的上市周期，特别是在现代便携式智能仪器或手持设备中,中文人机界面成为一种事实上的行业标准。
能显示汉字的图形点阵液晶和可输入数字的小键盘已成为智能设备必不可少的组成部分。
随着电子技术和集成电路制造工艺的飞速发展，越来越多的领域应用到以单片机为控制核心的现代智能仪器设备，如果在这些以单片机为核心的控制系统中配上人机交互界面，通过液晶显示器和按键配合操作可更方便有效地完成各种功能选择、参数设置和分析结果显示，采用汉字显示菜单，界面友好且直观。
随着液晶显示技术的进步，高质量的点阵液晶显示模块由于具有显示信息丰富、功耗低、体积小、质量小、无辐射以及使用寿命长等优点被日趋广泛地应用于各种嵌入式系统中，同时低功耗特性也贯穿于中文人机界面的设计始终。
本课题就是基于对低功耗的要求，且在便携式产品对人机交互界面的需求的不断上升的背景下，采用低功耗的单片机和低电压的液晶显示器进行设计一种控制面板简单，指令明确，表达丰富、确切且体积小的人机交互界面，可以进行信息的输入输出，是一种比较实用的人机交互工具。
该人机交互界面可以应用在简单电子系统、工业自动控制等领域，并且在这些领域人机交互界面的具有广大的前景。
1.4本文主要内容
本文主要内容介绍了基于MSP430单片机进行人机交互界面设计。
包括系统的设计和各模块之间的设计，主要包括菜单设计和显示设计。
基于对低功耗的要求，系统中采用的是低功耗MSP430系列单片机作为系统的微控制器，同时选取具有128*64像素的低电压液晶作为显示设备，在输入方面采用矩阵式键盘，通过响应的IO接口构成一个简易但实用的人机交互界面，系统具备了中文显示和图形显示功能，同时具有方便的控制界面菜单。
在与外界的便携式系统进行通信的设计本文中是利用异步串行通信RS232接口实现，可以通过该通信方式进行信息交互和指令的设定。
具有串口通信参数设置、温度参数校正、无线通信芯片参数数据修改、终端或路由功能选择路由树形结构设置等功能，按键信息显示，数据输入、修改、显示功能，数据图形显示功能,，具有休眠功能和系统掉电信息保存功能。
1.5本章小结
本章主要分析人机交互技术的发展现状和发展前景，了解人机交互技术发展的高科技化、自然化、人性化的趋势。
通过分析人机交互技术的发展，更进一步理解了人机交互界面的发展在人机交互技术发展同时所提现出来的重要性。
最后对本课题的来源以及本文主要内容进行了介绍。
第2章主要芯片介绍
2.1引言
MSP430系列单片机在超低功耗和功能集成等方面有明显的特点，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中的一颗耀眼的新星。
在2000年该系列单片机又出现了几个FLASH型成员，他们处理仍然具备适合应用在自动信号采集系统、电池供电便携式装置、超长时间连续工作的设备等领域的特点外，更具有开发方便、可以现场编程等优点。
MSP430F14x系列是TI的MSP430F1x系列（FLASH存储器型）单片机中功能最强大的子系列。
F14x具有更大的程序和数据存储区、更多的外围模块,其片内甚至还包括一个硬件乘法器。
同时F14x系列单片机开发工具简便,固化于FLASH存储器内的程序易于在线升级和调试,非常适合于开发消费类便携式电子产品。
12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，业界约定俗成的简称。
图形点阵式液晶可显示用户自定义的任意符号和图形,并可卷动显示,它作为便携式单片机系统人机交互界面的重要组成部分被广泛应用于实时检测和显示的仪器仪表中。
支持汉字显示的图形点阵液晶在现代单片机应用系统中是一种十分常用的显示设备,汉字BP机、手机上的显示屏就是图形点阵液晶。
它与行列式小键盘组成了现代单片机应用系统中最常用的人机交互界面。
2.2MSP430系列单片机
2.2.1MSP430单片机的发展
MSP430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。
该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。
回顾MSP430系列单片机的发展历程，我们可以总结出他的发展是经过以下三个阶段：
1、开始阶段。
从首先推出MSP430系列的1996年到2000年初，这个阶段首先推出有33X、32X、31X等几个系列，而后于2000年初又推出了11X、11X1系列。
MSP430的33X、32X、31X等系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。
每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）、和EPROM型（E）等芯片。
EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。
这也表明了这几个系列的开发模式，即：
用户可以用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型适应大批量生产的产品。
2000年推出了11X、11X1系列。
这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。
这个时期的MSP430虽然已经体现出功耗低等一系列技术特点，但其所存在缺点也被逐渐的发现。
它的许多重要特性，如：
片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33X系列才具备。
33X系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。
当用户设计需要更多考虑成本时，33X并不一定是最适合的。
而片内高精度A/D转换器又只有32X系列才有。
2、寻找突破，对Flash技术的引入阶段。
随着Flash技术的迅速发展，TI公司也将这一技术引入MSP430系列中。
在2000年7月推出F13X、F14X系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41X、F43X、F44X这些全部是Flash型单片机。
F41X单片机是目前应用比较广的单片机，它有48个I/O口，96段LCD驱动。
F43X、F44X系列是在13X、14X的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3XX系列的最多120段增加到160段。
并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。
MSP430系列由于具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。
这是TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。
这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。
2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。
这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。
BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度。
3、蓬勃发展阶段。
在前一阶段，引进新技术和内部进行调整之后，为MSP430的功能扩展打下了良好的基础。
于是TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15X和F16X系列的产品。
在这一新的系列中，有了两个方面的发展。
一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。
这样一来，希望将实时操作系统（RTOS）引入MSP430的，就不会因RAM不够而发愁了。
二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。
在2003年中，TI公司还推出了专门用于电量计量的MSP430FE42X和用于水表、气表、热表上的具有无磁传感模块的MSP430FW42X单片机。
我们相信由于MSP430的开放性的基本架构和新技术的应用，新的MSP430的产品品种必将会不断出现。
2.2.2MSP430单片机的特点
具有Flash存储器的MSP430系列单片机，在系统设计、开发调试及实际应用中都表现出了明显的优点。
MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点：
1、超低功耗。
以在本设计中用到的MSP430F14X系列单片机进行说明。
MSP430F14X单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念。
其设计结构完全以系统低功耗运行为核心。
这种低功耗结构具体体现在以下四点：
（1）高集成度的完全单片化设计。
将很多外围模块集成到了MCU芯片中,增大硬件冗余。
内部以低功耗、低电压的原则设计,这样系统不仅功能强、性能可靠、成本降低,而且便于进一步微型化和便携化。
（2）内部电路可选择性工作。
F14x单片机可以通过特殊功能寄存器选择使用不同的功能电路,即依靠软件选择其中不同的外围功能模块,对于不使用的模块使其停止工作,以减少无效功耗。
（3）具有高速和低速两套时钟。
系统运行频率越高,电源功耗就会相应增大。
为更好地降低功耗,F14x单片机可采用三套独立的时钟源：
高速的主时钟、低频时钟（如32.768kHz）以及DCO片内时钟。
可在满足功能需要的情况下按一定比例降低MCU主时钟频率,以降低电源功耗。
在不需要高速运行的情况下,可选用副时钟低速运行,进一步降低功耗。
通过软件对特殊功能寄存器赋值可改变CPU的时钟频率,或进行主时钟和副时钟切换。
（4）具有多种节能工作模式。
F14x单片机具有五种节能模式：
LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。
这五种模式为其功耗管理提供了极好的性能保证。
图2.1显示了活动状态（AM）与各种节能模式下消耗的实际工作电流大小。
图2.1F14x的工作模式与工作电流关系
由于MSP430F14x系列是专为超低功耗的便携式应用开发的。
利用先进的集成电路技术和生产工艺,其功耗已经跨越了毫安级,真正进军到了微安级。
不仅如此,F14x的软件结构也针对低功耗而设计。
如从备用模式唤醒MCU仅需6μS。
其中断和子程序调用无层次限制,这种丰富的中断能力减少了系统查询的需要,可以方便地设计出中断程序结构的控制程序。
利用F14x系列单片机,可以方便地构建一个低电压的工作平台。
通过各功能模块的智能运行管理和MCU的节能模式相结合,可以解决运行速度、数据流量与低功耗设计的矛盾,将各功能模块的电流消耗降至最低状态,限制活动状态至最低要求。
经过这样优化,可以实现单片机的极低功耗。
如在1MHz工作频率下,F14x只消耗0.1～400μA电流（1.8～3.6V供电）,如1.8V供电时,执行时仅消耗160uA的电流,备用时0.1uA,这时RAM中的数据还能有效保持。
2、强大的处理能力。
MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。
16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。
MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。
当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。
3、系统工作稳定。
上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。
然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。
4、片内资源丰富。
MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。
它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器（BasicTimer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。
其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。
MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
5、方便高效的开发环境。
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