基于STM32嵌入式开发板的人机交互界面.docx

1、基于STM32嵌入式开发板的人机交互界面基于STM3 2嵌入式开发板的人机交互界面设计摘要论文介绍了一种基于嵌入式开发板的人机交互界面设计，此界 面利用STM32F103嵌入式开发板作为主控制器， 完成类似于智能手 机界面及内部软件的设计。将我们生活中常常接触到的智能手机界 面引入到嵌入式开发板上，是将现有成果重返原始开发板的一次设 计过程，旨在加深对嵌入式开发板的理解以及加强对嵌入式操作系 统的实际操作与开发能力。本界面主要包括电子相册，万年历以及 计算器等软件，具有结构简单，使用方便，设计精美等特点。关键词：STM32F103嵌入书开发板；人机交互界面；电子相册；万 年历；计算器。The

2、man-machine interaction interface design based on STM32 embedded development boardABSTRACTPaper introduces a kind of human-computer interaction interface design based on embedded development board, this interface using STM32F103 embedded development board as the main controller, the finish is simila

3、r to the smart phone interfaceand the design of the internal software. Will be our life often come into contact with the smart-phone interface is introduced in the embedded development board, to return to the original development board is the existing results of a design process that aims to deepen

4、the understanding of embedded development board and strengthen the practical operation of embedded operating system and development capabilities. The interface is mainly including electronic photo album, calendar and calculator software, it has a simple structure, easy to use, exquisite design etc.K

5、ey words: STM32F103 embedded development board book; The human-computer interaction interface; Electronic photo album; Calendar; Calculator.1绪论 11.1项目的研究背景及意义 11.1.1嵌入式系统概述 11.1.2触摸屏应用与发展综述 22课题目标分析及系统总体方案 32.1主流人机界面概况 32.2设计目标 42.3系统体系结构 52.3.1硬件平台结构 62.3.4 系统软件平台 73 硬件平台设计 错误！未定义书签。3.1核心电路设计 错误！未定

6、义书签。3.1.1电源 错误！未定义书签。3.1.2晶振和时钟 123.1.3复位电路 133.1.4存储器3.2触摸屏电路设计3.4.1电阻式触摸屏基本原理 163.4.2触摸屏硬件接口电路 174下位机软件设计 错误！未定义书签。4.1开发环境的设计过程 错误！未定义书签。4.1.1人际系统的组合4.1.2阐述3类原型开发方式的不同，,，4.1*3 总体设计框架”,，4.2核心程序分析 205人机界面的操作 235.1主页 错误！未定义书签。5.1.1相册 125.1.2万年历 135.1.3计算器6总结与展望 30致 谢 32参考文献 33附录 341绪论1.1项目的研究背景及意义人机界

7、面（Human Machi ne In teraction ，简称HMI），又称用户界面或使用者界面，是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。中国人机界面市场的发展现状中国是全球人机界面需求量最大的市场，但却不是全球人机界面产品销售额最高的市场，这说明，低端人机界面用户在中国占有很大的份额。近些年来民族品牌的迅速发展，采取低价格等策略，正在 大举进攻低端市场，在国内已经占据了低端市场的优势地位，赢得了广大用户的认可。国际品牌也

8、在 逐渐研发其经济型产品，以抢占低端市场的份额。因此，由于在低端市场的稳扎稳打，国内的人机界 面厂商整体业绩呈现出快速增长的状态。人机界面不再是单纯的显示和控制国内的自动化产业，一些原本不用人机界面的行业，也开始使用人机界面了，这说明人机界面已 经成为客户体验的不可缺少的一部分，人机界面的用户界面能更好地反映出设备和流程的状态，并通 过视觉和触摸的效果，带给客户更直观的感受。人机界面未来的发展趋势有些机械行业，比如说机床、纺织机械、电子设备等行业，在国内已经发展有几十年的历史了， 相对来说属于比较成熟的行业，从长远看，这些行业还存在着设备升级换代的需求。在这个升级换代 的过程中，确实会有一些小

9、的、一直使用比较低端产品的厂家被淘汰掉，但也有很多企业在设备更新 过程中，将需求重新定位，去寻找那些能够符合他们发展计划，帮助他们提高自身生产力的设备供应 商。鉴于这种需求，以后人机界面的改变，将在形状上、观念上、应用场合等方面都有所改变，从而 带来工控机核心技术的一次次变革。总体来讲，人机界面的未来发展趋势是六个现代化：平台嵌入化、 品牌民族化、设备智能化、界面时尚化、通讯网络化和节能环保化。1.1.1 嵌入式系统概述嵌入式系统是把计算机直接嵌入到应用系统中， 它融合了计算机软/硬件技术、通信技术和微电子技术。随着微电子技术和半导体技术的高速发展，超大规模集成电路技术和深亚微米制造工艺已十

10、分成熟，从而使高性能系统芯片的集成成为可能，并推动着嵌入式系统向最高级构建形式，即片上系 统SOC（ System on a Chip）的水平发展，进而促使嵌入式系统得到更深入、更广阔的应用。嵌入式技 术的快速发展不仅使其成为当今计算机技术和电子技术的一个重要分支，同时也使计算机的分类从以 前的巨型机/大型机/小型机/微型机变为通用计算机/嵌入式计算机（即嵌入式系统）。1.嵌入式系统高级语言开发过程嵌入式系统的软件开发过程如图 1.2所示。首先，每一个源文件都必须被编译或汇编成一个目标文件；然后，产生所有的目标文件被链接成一个目标文件，即为可重定位程序；最后，进行重定位，把物理存储器地址指定给

11、可重定位程序，产生一个在嵌入式系统上的可执行二进制映像文件。图1.1嵌入式系统的软件开发过程嵌入式系统是集成电路发展过程中的一个标志性成果，它把计算机直接嵌入到应用系统中，融合 了计算机软/硬件技术、通信技术和微电子技术，是一种微电子产业和信息技术产业的最终产品。微电 子产业是许多国家优先发展的产业。以超深亚微米工艺和 IP核复用技术为支撑的系统芯片技术是国际超大规模集成电路发展的趋势和 21世纪集成技术的主流。通常，计算机连同一些常规的外设是作为独立的系统而存在的，而并非为某一方面的专门应用而存在。例如一台PC机就是一个计算机系统， 整个系统存在的目的就是为人们提供一台可编程、 会计算、能处

12、理数据的机器。可以用它作为科学计算的工具，也可以用它作为企业管理的工具。所以，人们把 这样的计算机系统称为“通用”计算机系统。但是有些系统却不是这样。例如，医用的 CT扫描仪也是一个系统，里面有计算机，但是这种计算机（或处理器）是作为某个专用系统中的一个部件而存在的， 其本身的存在并非目的而只是手段。像这样“嵌入”到更大的、专用的系统中的计算机系统，就称之 为“嵌入式计算机”、“嵌入式计算机系统”或“嵌入式系统”。从字面上讲，后者似乎比前者更为 广义，因为系统中常常还包括一些机电、光电、热电或者电化的执行部件，但是实际上却往往不作严 格的区分。在不致引起混淆的情况下，一般把这三者用作同义词，并

13、且一般总是指系统中的核心部分， 即嵌入在系统中的计算机。不过，虽然计算机在整个大系统中只是一个部件，却通常起着相当于“大脑”的作用。所以事实 上所嵌入的计算机就是整个系统的核心，而系统中的其他部件则是其外部设备。只不过这些外部设备 不同于常规的计算机外部设备，而所嵌入的计算机的作用和目的又只限于对这些外部设备的控制和管 理而已。所以也可以说，常规的计算机系统是面向计算（包括数值和非数值）和处理的，而嵌入式计 算机则一般是面向控制的。所谓将计算机“嵌入”到系统中，一般并不是指直接把一台通用计算机原封不动地安装到目标系 统中，也不只是简单地把原有的机壳拆掉并安装到机壳中，而是指为目标系统构筑起合适

14、的计算机系 统，再把它有机地植入、甚至融入目标系统。虽然嵌入式系统在工业、服务业、消费电子等领域的应用范围不断扩大，且已渗透到人们日常生 活的方方面面，但是依然很难给它下一个明确的定义。嵌入式系统本身是一个外延很广的名词，凡是 与产品结合在一起的、具有嵌入式特点的控制系统都可以叫做嵌入式系统。国际电工与电子工程师协 会（即IEEE ）曾经把嵌入式系统定义为“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。显然 该定义具有突出的应用色彩，不过现在看来，似乎并未充分体现嵌入式系统现今的学术内涵。目前国 内普遍认同的嵌入式系统的定义是“嵌入式系统是将计算机嵌入到某个应用系统内的一种计算机体系 结构形

15、式”。换言之，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件能灵活变化以适应 所嵌入的应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。简言之， 嵌入式系统就是嵌入式计算机系统的简称。从20世纪80年代初，嵌入式系统的研发开始用商业级“操作系统”编写嵌入式应用软件，结果使嵌入式应用的开发周期缩短、成本降低。这些嵌入式操作系统均具有嵌入式技术的典型特点：采用 占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，且具有可剪裁性、可扩 充性和可移植性，可以移植到各种型号的微处理器（单片机）上；具有较强的实时性和可靠性，适合 于嵌入式应用。20世纪90年代以

16、后，随着诸多应用领域对嵌入式系统实时性要求的提高，各种应用软 件的规模不断扩大，又促使嵌入式系统的实时内核逐渐发展为实时多任务操作系统（ RTOS）,并作为一种软件平台逐步演变为目前国际上流行的嵌入式操作系统。在嵌入式操作系统迅速发展的同时，系统芯片的制造与设计技术也在不断进步。系统芯片就是把 一个完整的最终产品的主要功能单元集成到一块或一组大规模集成电路芯片上，这是现代集成电路工 艺技术一一深亚微米技术迅速发展的必然结果。系统芯片制造技术发展主要体现在硅圆片的尺寸逐渐 增大，硅晶片的特征线宽逐步减小，同时芯片的集成度不断提高。系统芯片技术的发展，使得嵌入式 系统硬件进一步向微型化、高集成化发

17、展，从而为嵌入式系统的应用开辟更为广阔的天地。2.嵌入式系统的编程特点嵌入式系统处理的对象往往比较多，也比较复杂，为此，系统往往把这些对象作为任务的软件模块来 处理；另外，系统对实时性的要求也比较高，用来快速响应各种事件的处理。嵌入式操作系统的内核 虽然都不大，但一般都具有实时处理和多任务调度的功能，故有很多嵌入式操作系统也称为实时多任 务操作系统RTOS。嵌入式系统在嵌入式操作系统支持下编程的框架如图 1.3所示。在Intel XScale处理器系统的LCD液晶上定时闪烁“ Hello World ”，并通过串口向主机发送。在嵌入式系统上安装了操作系统后，还必须配备相应的设备驱动程序。有的设

18、备驱动程序在操作系统安装时已生成，有的则需根据某些设备的特性来编写。然后，根据应用的要求编写相应的任务。因此，安装了操作系统以后，需配备 LCD驱动、Timer驱动和串行口驱动程序来实现 LCD显示、定时闪烁和主机通信的功能，用户在此基础上编写闪烁 LCD显示任务和“ Hello World ”字符发送任务。Hello World 任务软件闪烁LCD任务LCD驱动Timer驱动操作系统串行口 驱动硬件Intel XScale处理器系统图1.2嵌入式系统的编程框架1.1.2触摸屏应用于人机界面的发展综述近年来,手机、PDA等便携式终端设备，并且人机交互界面在不断地发展变,总结出在触摸屏下的人机交

19、互界触摸是人类最重要的感知方式，也是人机交互最自然的方式。 大规模地使用了触摸屏技术。移动地图的人机交互越来越受到重视 化,而且朝着人性化、智能化的方向发展。分析触摸屏类型和发展趋势 面的新特点，结合地图认知和感受理论提出针对触摸屏的移动地图的人机交互界面设计原则。触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要是公共信息的查询；如电信局、税务局、银行、电力等 部门的业务查询；城市街头的信息查询；此外应用于领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点 歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。将来，触摸屏还要走入家庭随着使用电脑作为信息来源的与日俱增，触摸屏以其易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空 间等优点，使得

20、系统设计师们越来越多的感到使用触摸屏的确具有相当大的优越性。触摸屏出现在中 国市场上至今只有短短的几年时间，这个新的多媒体设备还没有为许多人接触和了解，包括一些正打 算使用触摸屏的系统设计师，还都把触摸屏当作可有可无的设备，从发达国家触摸屏的普及历程和我 国多媒体信息业正处在的阶段来看，这种观念还具有一定的普遍性。事实上，触摸屏是一个使多媒体 信息或控制改头换面的设备， 它赋予多媒体系统以崭新的面貌， 是极富吸引力的全新多媒体交互设备。发达国家的系统设计师们和我国率先使用触摸屏的系统设计师们已经清楚的知道，触摸屏对于各种应 用领域的电脑已经不再是可有可无的东西，而是必不可少的设备。它极大的简化

21、了计算机的使用，即 使是对计算机一无所知的人，也照样能够信手拈来，使计算机展现出更大的魅力。解决了公共信息市 场上计算机所无法解决的问题。2课题目标分析及系统总体方案2.1主流人机界面概况人机界面是计算机科学和认知心理学两大学科相结合的产物，同时也吸收了语言学、人机工程学 和社会学等学科的研究成果。经过 40余年的发展，已经成为一门以研究用户及其与计算机的关系为特 征的主流学科之一。早期的人机界面是命令语言人机界面，人机对话都是机器语言。人机交互方式只能是命令和询问， 通信完全以正文形式通过用户命令和用户对系统询问方式来完成，这一时期被认为是人机对峙时期。随着硬件技术发展以及计算机图形学，软件

22、工程，窗口系统等软件技术进步，图形用户界面产生并 得到广泛应用。多媒体技术的迅速发展为人机界面的进步提供 契机，在原来只有静态媒体的用户界面中，多媒体技术引入了动画，音频，视频等动态媒体，特别是引入了音频媒体，大大丰富了计算机表现信息的形 式，拓宽了计算机输出的带宽。同时，多媒体技术的引入也提供了人对信息表现形式的选择，控制能 力，增强了信息表现与人的逻辑，创造能力的结合，拓展了人的信息处理能力。借助多媒体用户能提 高接受信息的效率，所以，多媒体信息比单一媒体信息具有更大的吸引力，它更有利于人对信息的主 动探索。随后，多通道人机界面成为人机交互技术研究的崭新领域，在国际上受到高度重视。多通道用

23、户界 面的研究正是为了消除当前用户界面即多媒体用户界面通信带宽不平衡的弊病而兴起的。在多通道用 户界面中，综合采用视线，语音，手势等新的交互通道，设备和技术，使用户利用多个通道以自然， 并行，协作的方式进行人机对话，而机器则通过整合来自多个通道的精确的和不精确的输入来捕捉用 户的交互意图，提高交互的自然性和高效性。不过，人们还想更自然地“进入”到环境空间中去，形成人机“直接对话”，取得“身临其境”的 体验，为此，又有了虚拟现实的人机界面。计算机人机界面的发展经历了命令语言界面和图形用户界面 ，现在正向多媒体、多通道界面、虚拟现实用户界面发展目前多媒体、多通道界面的发展已取得了一定的成果 ，让人

24、们看到了自然人机交互的曙光，虚拟现实人机界面的发展虽刚刚起步 ，但作为一种新型人机交互形式 ，它比以往任何人机交互形式都有希望彻底实现和谐的、人机合一的交互局面 虚拟现实人机界面的发展预示着人机界面将会到 达人所希望的完美境界。llCdTHC5HUT.1 QuF |TXDCH V- C2TI3N T10UTT23N TOUT hictE RUNI DuFTC(52C7 l-OMfJ1O0 07 艾9 82.2设计目标1.帅掉渣的滚动电子相册2你想都不敢想的万年历3.宇宙超级无敌计算器2.3系统体系结构2.3.1硬件平台结构本文提出了一种应用 PXA255处理器和 Windows CE操作系统搭

25、建用于人机界面装置的嵌入式系统 的实现方法。本课题采用了高速信号的硬件设计、嵌入式操作系统、通用串行总线等新技术 ，这些技术的采用使人机界面装置具有操作简单、体积小、时钟频率高、功耗低等优点。应用 PXA255处理器和Win dows CE操作系统建立的嵌入式系统设计推动了电子技术在工业领域的发展。当前工业、医疗卫生、国防等各部门对智能控制的需求不断增长 ，用户在控制下位机的同时也希望随时得到他所需要的参数，人机界面就是一种可用于多个领域的监控设备 ，主要用途就是在控制过程中监视下位机和显示用户关心的各种参数。嵌入式人机界面装置集操作、显示于一身 ，优点是显示直观使操作者从大量的按扭、参数设定

26、器、指示灯和显示装置中解脱出来 ，从而提高了生产效率。本课题建立了以PXA255处理器为中心，搭配其它存储、通讯和多媒体等外围芯片的多功能硬件平台 ，同时用Windows CE操作系统的开发工具搭建一个可以运行在该硬件平台上的软件平台，该硬件平台和软件平 台一起构成了嵌入式人机界面主体。區3. 17氮捱通汛电議硬件设计部分讨论了如何围绕 PXA255处理器进行系统的电路设计，存储器设计部分共分为静态存储器和动态存储器，并给出了各部分模块的地址分配表。系统中还有大量的外围电路模块 包括液晶显示、电源、网口、串口、存储卡、 USB 口和音频模块等部分。印刷线路板的绘制采用的是 Cade nee公司

27、的CadencePSD制板软件，并给出了绘制印刷线路板的设计流程和注意事项。软件部分讨论了如何围绕 Win dows CE建立适合于硬件系统的软件平台。微软的 Win dows CE是用于嵌入式系统的操作系统软件，是一个多平台、可裁剪的 32位嵌入式操作系统。针对不同的硬件设备环境,可以在内核的基础上添加各种模块 从而形成一个定制的嵌入式操作系统。定制 Windows CE过程是一个复杂的过程，需要四个主要步骤：设计启动初始化程序，设计OAL层,设计驱动程序及编写系统 配置文件，在硬件平台的启动初始化程序 Bootloader的设计过程里，描述了 Startup低层初始化程序的编写过程；在OA

28、L层的设计中，需要设计从硬件地址到虚拟地址的地址分配表 ；Windows CE的驱动程序数量比较多，这里只描述了系统的触摸屏控制器驱动程序的设计。2.3.4系统软件平台界面设计是为了满足软件专业化标准化的需求而产生的对软件的使用界面进行美化优化规范化的 设计分支。具体包括软件启动封面设计，软件框架设计，按钮设计，面板设计，菜单设计，标签设计， 图标设计，滚动条及状态栏设计，安装过程设计，包装及商品化。软件界面也称作 UI ( User In terface )，是人机交互重要部分，也是软件使用的第一印象，是软件设计的重要组成部分。软件界面设计现在越来越被软件设计重视，所谓的用户体验大部分就是指

29、软件 界面的设计。软件界面其中的主要部分即为 UI。UI(User In terface)即用户界面，也称人机接口。是指用户和某些系统进行交互方法的集合，这些系统不单单指电脑程序，还包括某种特定的机器，设备，复杂的工具等。 User in terface也可以称之为用户接口或人机接口，是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，实现信息的内部形式与人类可 以接受形式之间的转换。它是介于使用者与硬件而设计彼此之间互动沟通相关软件，目的在使得使用 者能够方便有效率地去操作硬件以达成双向之互动，完成所希望借助硬件完成之工作。用户接口定义 广泛，包含了人机交互与图形使用接口，凡参与人类与机械的信息交流的

30、领域都存在着用户接口。 二软件设计可分为两个部分：编码设计与 UI设计。编码设计大家都很熟悉，但是 UI设计还是一个很陌生的词，即使一些专门从事网站与多媒体设计的人也不完全理解 UI的意思。UI的本意是用户界面，是英文User和in terface的缩写。从字面上看是用户与界面 2个组成部分，但实际上还包括用户与界面之间的交互关系。吨a： a, 1 “小1 m软件框架设计软件的框架设计就复杂得多，因为涉及软件的使用功能，应该对该软件产品的程序和使用比较了 解，这就需要设计师有一定的软件跟进经验，能够快速的学习软件产品，并且在和软件产品的程序开 发员及程序使用对象进行共同沟通，以设计出友好的，独

31、特的，符合程序开发原则的软件框架。软件 框架设计应该简洁明快，尽量少用无谓的装饰，应该考虑节省屏幕空间，各种分辨率的大小，缩放时 的状态和原则，并且为将来设计的按钮，菜单，标签，滚动条及状态栏预留位置。设计中将整体色彩 组合进行合理搭配，将软件商标放在显著位置，主菜单应放在左边或上边，滚动条放在右边，状态栏 放在下边，以符合视觉流程和用户使用心理。人机界面包括的要点要点：直接操作、界面模型、选单设计、信息呈现、设计隐喻等；界面模型分为概念模型和心理模型。心理模型：通过对软硬件界面设备的交互之后，用户在意识层面对该系统所形成的模型，一般而言是自然逐 步地形成，有时甚至会转化为一种习惯，通过与系统不断地交互，用户势必会不断修正其心理模型。寸51寸2fnfflInn8 重 机 整44.k2 a显示屏W FT T 15*s FT T *r2.1率 分X 8# 6 7X4 02 LTJLGAKf0050700An命 寿S 犬 最