（机械设计及理论专业论文）可编程人机交互系统的研究与开发.pdf

摘要 本文提出了应用于p l c 前端的可编程人机交互系统的实现方法，并结合此实 例，将计算机科学、心理学等多科相结合，完善人机交互系统的实用性，从技术、 应用等多个视角介绍人机交互系统。具体内容如下： i 分析了人机交互理论，现状和发展趋势。 2 应用可编程人机控制思想，用户能够多次将不同的控制信息传输给下位机， 下位机只需要很小的存储空间就能完成任务，使得人机交互系统达到较高 的性价比。 3 给出了应用于p l c 前端的可编程人机交互系统的实现方法：下位机核心芯 片采用单片机p 8 9 c 5 1 r d 2 ，其具有l a p 功能，能够在线擦写f l a s h 程序存 储器；上位机是用c + + b u i l d e r 开发的画面编辑软件，能够编辑、存储、串 口下载用户制定的控制信息；设计出上位机与下位机的通信协议，使其可 以用较少的数据传输较多的信息，增加了下载速度，提高了程序执行效率。 4 可编程人机交互系统可以根据用户要求，控制多种型号p l c ，读写p l c 寄 存器、线圈的值，采用文本显示、键盘输入方式，直观易懂、操作方便。 可编程人机交互系统，是具有自主知识产权的产品，降低了生产成本，便于功 能扩展、升级及维护。 关键词：人机界面可编程c + + 单片机i a p 串口l c d 秀；这 喊 _ a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tt h ep r o g r a m m a b l eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e mu s e di nt h e l e a d i n ge n do fp l c , i n t r o d u c e st h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e mf r o mt e c h n o l o g y a n da p p l i c a t i o na n g l eo fv i e w , c o m b i n e sw i t hc o m p u t e r , s c i e n c ea n dp s y c h o l o g y , a d v a n c e st h eu s a b i l i t yo ft h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e mw i t ht h ee x a m p l e i t s c o n s i s t e do ft h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 t h ea u t h o ra n a l y z e dt h et h e o r i e s ，p r e s e n ts t a t ea n dt r e n do fd e v e l o p m e n to ft h e h u m a n - m a c h i n ei n t e f f a c e 2 p u tf o r w a r dt h et h o u g h t0 ft h ep r o g r a m m a b l eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ：t h e c u s t o m e rc a nt r a n s m i td i f f e r e n tc o n t r o li n f o r m a t i o nt om c um a n yt i m e s t h e m c uc a nc o m p l e t et h em i s s i o no n l yi ns m a l lm e m o r ys p a c e ，t h a tm a d et h e h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea t t a i nt h eh i g h e rr a t eo fs e x u a lv a l e n c e 3 g a v et h em e t h o do fr e a l i z i n gp r o g r a m m a b l eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e m u s e di nt h el e a d i n ge n do fp l c m c uh a st h ei a pf u n c t i o n , c a ne r a s ea n dw r i t e t h ef l a s ho nl i n e ；t h ee d i t i n gs o f t w a r ew a sd e v e l o p e dw i t hc + + b u i l d e r , c a ne d i t s a v e ，d o w n l o a dt h ec o n t r o li n f o r m a t i o nm a d eb yc u s t o m e r ；, d e s i g n e dt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h ee d i t i n gs o f t w a r ea n dt h em c u ，m a d e l e s s e rd a t as h o w m o r ei n f o r m a t i o n ，i n c r e a s e dt h ed o w n l o a ds p e e d ，i m p r o v e dt h e e f f i c i e n c yo ft h ep r o g r a me x e c u t i o n 4 t h ep r o g r a m m a b l eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e mc a l ic o n t r o ls e v e r a lm o d e l o fp l c ，r e a da n dw r i t et h ev a l u eo ft h ep l cr e g i s t e ra n dl o o p l c dd i s p l a y e d a n dk e yi n p u t v i s u a la n do p e r a t ee x p e d i e n t l y t h er e a l i z a t i o no fp r o g r a m m a b l eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e ma n dd e v e l o p e d t h ep r o d u c t i o nw i t hs e l f - d e t e r m i n a t i o nk n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h t ，r e d u c et h ec o s t ，e x p a n d f u n c t i o n ，s u p p o r ta n ds e r v i c ee a s i l y k e yw o r d s ：h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，p r o g r a m m a b l e ，c + + ，m c u ，s e r i a l ，l c d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘茎或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：寂i 目兰 签字同期：硝年二月f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥鎏盘生有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权滥垫盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：痴r 司互 导师签名 签字r 期：w ，年月，f 开 签字同期： 砖害芨 0 6 年l 马| 6h 学位论文作者毕业后去向：孝炙一华王霉词 工作单位：电话： 通讯地址：邮编： 浙江大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 人机交互( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ) 是研究人、计算机及他们之间相互影 响的技术，是研究如何把计算机技术和人联系起来，使计算机技术最大程度的人性 化，是人与计算机通过人机界面迸行某种形式的信息交流以完成一定交互任务的过 程。人机交互是一个跨学科的领域，应用人机工程学、心理学等学科的研究成果和 研究方法，在人机对话中创造最为和谐的关系1 1 1 。人机交互从研究用户开始，通过 分析用户的生理、心理特征，研究用户的使用习惯，人的认知心理学、审美心理学 与人的动作行为等理论与规律，使人与物之间信息交换方式更科学、更合理、更为 人性化，使得人与物之日j 的信息传递更可靠，更能减轻人的生理与心理负担，解决 人机交互过程中遇到的实际问题。 人机交互是通过一定的人机界面来实现的，对人机交互的研究实际上就是对人 机界面的研究。人机界面( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 是人与机器进行交互的操作 方式，即用户与机器互相传递信息的媒介闭。“我们暂且可以这样说，界面介于人类 与机器之间，是一种膜( m e m b r a n e ) ，使相互排斥而又相互依存的两个世界彼此分 离而又相连。界面是人类与机器之间进行协商的敏感的边界区域，同时也是一套新 兴的人机关系枢纽【3 1 。”人机界面关系原理如图i - i 所示。 图i - i 、人机界面关系原理 随着计算机的普及化，越来越多的普通用户开始接触使用计算机；另一方面计 算机软硬件的发展也促使它成为了人们工作、学习和生活的重要工具。正是在这个 过程当中，人机交互( 人机界面) 的重要性开始凸现出来，成为计算机系统研究的 重要组成部分。人机界面的优劣，或者说它是否对人友善，直接影响到用户的使用 效率和效梨4 1 。交互性能差，使用不方便的人机界面令用户感到厌倦、疲劳，降低 、，k 浙江大学硕士学位论文 工作效率，操作失误率增加，甚至产生灾难性的后果1 5 l 。它极大的影响了最终用户 的使用，影响了计算机的推广应用，以至于影响了人们的日常生活。人机界面设计 是否符合操作者的相关机能特性，使人机交互能很好匹配，是保证系统能有效工作 的重要因素【6 1 。现今，衡量一个应用软件的成功与否，用户界面是否易用，即可操 作性成为越来越重要的指标。 1 2 人机交互发展状况 人机界面学是由面向人的学科和面向计算机的学科组成的综合性学科。因此， 人机界面学的起源也要从这两个方面分别阐述。从面向人的学科来来看，面向人的 设计思想很早就萌发了。中国古代的器皿( 如小口尖底彩陶瓶) 很好的在功能、造 型、装饰三方面达到了完美的统一；1 9 世纪2 0 o 年代，德国包豪斯( b a u h a u s ) 学校在设计理论上提出了“设计的目的是人而不是产品”等观点；随后的斯堪的纳 维亚设计的功能主义思想也申讨了温馨、人文的情调等。随着机械化和电子化的高 度发展，人的因素在生产中的影响越来越大，人机协调问题也显得越来越重要。人 机界面学中面向人的知识和方法主要来自于人机工程学( e r g o n o m i c s ) 、心理学、哲 学、生物学、医学等。建立与2 0 世纪的人机工程学是一门应用性很强的学科，从 它诞生时起，即与工业界紧密地联系在一起。第二次世界大战期间，人们认识到对 制造出来的各种高效能的新式机器和机器系统( 生产、运输、通信、武器和航空飞 行器等) 进行操纵和控制时，整体系统的工作效率在很多情况下是由人的活动来决 定的。若设备的全部潜力没有发挥出来，大部分原因是操纵人员不能掌握对这个电 子设备的复杂操作。经验和教训提醒人们比以往任何时候更加重视机器设计，使得 对机器的操作能够适应大多数普通人的能力范围。这种机器适应人的策略，引起了 特定领域内的工程师和生物学界科学家的广泛合作。从面向计算机的学科来看，面 向计算机系统的知识和方法主要来源于物理、电学和电子工程、控制工程、系统工 程信息论和数理逻辑等。它们分别构成了现代计算机工业的两大基础领域：硬件工 程和软件工程。随着计算机技术的发展，硬件工程和软件工程的进一步深入，为人 机界面设计奠定了基础，并拓展了研究领域1 2 j 。 近几十年以来，随着计算机的高速发展，人机界面也发生了重大的改变，可以 说整个计算机的发展史就是人机界面的发展史。8 0 年代微型计算机的迅速普及为人 机界面的巨大发展起了重要的推动作用，美、英、德，法等国均投入巨资进行研究， 我国电子行业也自“七五”计划开始人机交互研列射。最早开发的商品化人机环 境系统仿真软件是6 0 年代末英国诺丁汉大学开发建立的s a m m i e 系统。1 9 8 1 年， 我国航天医学工程研究所龙升照等专家根据载人航天预研的实践，提出可人机环 ，i 一一p 浙江大学硕十学位论文 境系统工程的概制6 j 1 9 8 6 年，l i t a ( 图书馆与信息技术协会) 成立了“人机界面 兴趣组”，为图书馆工作人员和用户提供了在线论坛，讨论包括设计和评估用户界 面的问题1 7 1 。1 9 9 7 年，以用户为中心的，用计算机模拟仿真方式实现的，用来分析 和评估人机交互系统设计有效性的软件系统开发成功嗍。2 0 0 0 年5 月1 8 号至2 1 号， 在德国k a r l s r u h e 举行了界面科学大会，会后h a n sh d i e b n e r ，t i m o t h yd r u c k r e y 和 p e t e rw e i b e l 整理出版了s c i e n c e so ft h ei n t e r f a c e 一书1 9 1 。虽然从最初的以面板开关 和纸带输入为特点的交互设备到今天的图形用户界面，人机界面已经发生了翻天覆 地的变化。但是研究人员仍然不断的探索和研究新的交互方式和人机界面，在多媒 体、虚拟现实等计算机技术的发展推动下，人机界面的研究又进入了新的领域。向 着高科技化、自然化、人性化发展。 人机界面作为计算机系统的一个重要组成部分，是计算机科学，心理学，人的 认知科学和人的因素学等多学科的交叉研究领域1 4 l 。用户界面的设计在整个应用系 统的开发中日趋重要，占据了极大的开发工作量。再加上不同用户群对界面的要求 各异，所以实际上人机界面已成为计算机研制中的一个最困难的部分【5 1 。这就要求 在设计过程中，充分考虑人机界面的问题，从研究系统的输入设备、输出设备着手， 运用系统的观点，分析用户在使用计算机的过程中所遇到的问题。通过对键盘、鼠 标、屏幕等传统输入输出设备的改进和对手写板、语音输入等新的方式的引入，彻 底解决人机交互界面的实用性问题，提高人机交互的效率。在界面设计中，充分运 用人们容易理解与记忆的图形( 具象图形与抽象图形) 与少量文字，以及运用色彩， 静止的画面与运动的画面等，使人在操作计算机及计算机向人显示其工作状态的交 互关系中，达到最大方便与高效的可能。也就是，界面设计必须使用比过去更为复 杂得多的人的感觉因素，在视觉、听觉等通道，以比喻、表达、认识、声音、运动、 图像和文字等传递信息并感知信息。研究人机界面的各种理论和方法如下： ( 1 ) 分析与评价技术：用于分析、评价用户界面有效性的理论和经验方法，如 任务分析、话语分析、内容分析及可用性评价等。 ( 2 ) 设计方法论：用来产生好的用户界面设计的方法与技术，如：软件心理学、 环境因素设计法、多方参与设计法以及支持设计过程的工具和表记法。 ( 3 ) 开发工具和方法：支持用户界面开发的工具箱、用户界面管理系统( u i m s ) 、 快速原型法和程序设计辅助工具等。 ( 4 ) 交互方式与设备：新的输入、输出设备和设备运用策略，包括视觉、声音、 触觉、姿态等通信模态及多种模态的集成。 ( 5 ) 关键用户晃面成分：如用户界面隐喻( m e t a p h o r ) 、用户界面风格、智能界 面技术、取消、超文本，超媒体以及联机帮助。 ( 6 ) 用户模型：包括用户行为模型、关于系统的用户内心模型、用户个体差异 浙江大学硕十学位论文 等。 ( 7 ) 特定应用的用户界面设计：满足某类应用问题对人机交互作用的特定限制 条件和要求的用户界面设计。如虚拟现实、智能辅导系统、信息检索、 i n t c m e t w w w 、c a d c a m 、专家系统过程控制、决策支持等。 ( 计算机辅助协同工作( c s c w ) ：关于如何使用计算机系统帮助人的群体有 效协同工作的研究，包括现场观察研究、理论模型、群体用户界面开发设 计等。 ( 9 ) 法律与标准：关于用户界面的专利和版权问题、用户界面的标准化。 这些研究方向目前大多处于十分活跃的发展阶段，并且有着较强的分化和相互 渗透倾向，有些方向甚至有可能发展为具有相当规模的相对对立的研究领域旧。 从以上论述可以总结出，以。用户为中心”的已成为人机界面发展的必然趋势 之一。机器是为人服务的，界面设计的原则，不是训练每一个人都成为操作计算机 的专家，而是赋予计算机软件尽可能多的人性。正如莫尔恩考第尔所说的：“交流 的责任被决定性的赋予计算机而不是人类，不是用户必须去学习计算机提供的界 面，而是计算机界面必须满足用户的偏爱。” 1 3 应用于p l c 前端的可编程人机交互系统 工业控制领域中，人机界面主要应用于工业现场的监控设备，可用于制造业和 流程行业等。目前设备操作人员需要掌握各种按钮、参数设定器、记录仪、工艺流 程模拟盘的操作方法，并需要理解指示灯、l e d 数码显示器等装置所显示的信息。 这些装置体积大、布线多、不能随意改变操作方式和工艺流程显示，在一定程度上 阻碍工业信息化的发展。工业现场控制信号数字化、操作显示数字化是工业生产过 程控制发展的必然趋势。人机界面正是随着工业信息化的发展而产生的。 1 3 1 应用于p l c 前端的可编程人机交互系统概念 p l c 可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 是本世纪6 0 年代发 展起来的一种新型自动化控制装置，是一种数字运算操作的监控设备，专为在工业 环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑 运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式 输入腧出控制各种类型的机械或生产过程【l o l 。它吸取了微电子技术和计算机技术的 最新成果，发展十分迅速，以其高可靠性、较强的工作环境适应性受到自动化领域 的欢迎并被广泛采用，从单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自 浙江大学硕士学位论文 动化，p l c 均承担着重要的角色【l 。 p l c 的控制程序是由配套软件编辑的。但是其控制过程、内部数据对操作人员 来说，是个不可见的，这就需要人机界面来显示其内部状态，控制其运作流程。应 用于p l c 前端的人机界面在用户和机器之自j 架设了一条桥梁。它取代传统控制面板 功能，节省监控设备的i o 模组，按钮开关、数字设定，指示灯等，且能随时显示 重要讯息，以利于操作人员正确掌握及其状况和避免错误，利于维修。它用一种简 单明了而又灵活的方式来取代传统设备大量的触控按钮、指示灯、选择开关等，能 够储存大量画面，每一幅画面可有文字、图形以及制定的资料组成。 人机界面内所存储的控制信息会随着p l c 型号、控制任务的不同而变化。如果 只存储一种控制信息，那就每个任务需要一种型号的人机界面，也就是说一种型号 的人机界面只能完成一个任务，这势必造成资源的浪费、成本的提高；如果将这些 控制信息全部存储于人机界面内以供选择，一种型号的人机界面可以完成多种任 务，就需要人机界面具有很大的存储空间，一定会提高制造成本，影响处理速度。 可编程人机交互系统很好的解决了这个问题，它由上位机( 计算机) 和可编程 文本显示器组成，可编程文本显示器借助上位机内的编辑软件改变其内部存储的控 制信息，完成不同的任务只需下载不同的控制信息，既节省了存储空间，又达到了 一机多用的目的。一台上位机运行编辑软件，多个可编程文本显示器工作与现场， 降低了成本，当用户要改变监控程序时，只需由上位机处再次下载即可，适应人机 界面“以用户为中心”的发展趋势。可编程人机交互系统原理如图1 2 。 囤 图1 - 2 、可编程人机交互系统原理图 1 3 2 应用于p l _ o 前端的可编程人机交互系统国内外现状 从世界范围内看，p l c 的应用领域近十余年一直在不断扩大。在日本，p l c 的 应用范围己从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过 程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活关连的机器、与 环境关连的机器，而且均有急速上升的趋势。在我国，广大的自动化工作者早就把 p l c 用于电力、化工等以连续流程为主的工业过程中的辅助流程，如火力发电厂的 水处理、输煤、灰渣处理，化工厂的原料输送、成品包装，近年来甚至有的火力发 浙江大学硕+ 学位论文 电厂( 华能福州电厂1 号机组) 还在锅炉、汽轮机的控制系统尝试运用p l c 。至于 在自来水厂和污水处理厂应用p l c 已成为常规方案i ”j 。1 9 9 8 年以来，我国p l c 的 销售量始终保持高增长率6 1 0 ，国内市场前景十分看好，2 0 0 5 年全国销售的p l c 装置3 6 万台套，约合人民币4 0 - 6 0 亿元【埘。 应用于p l c 盼端的人机界面，国外主要有西门子公司，三菱公司，光洋公司， d i g i t a l 公司的人机界面产品，其次有松下，日立，o m r o n ，贝加莱，台达，等公司 产品【1 4 l 。台湾e v i e w 的触摸屏人机界面和文本显示器，是业内最重要的品牌之一， 具有很高的市场占有率。还有系列的e v i e w 现场总线与工业通讯产品不仅使e v i e w 人机界面具备了现场总线联网的功能，而且能够与k i n c o 伺服步进产品相配合， 为客户提供从控制，显示，到驱动的机器自动化解决方案。日本p r o f a c e 人机界面， 发展出了包括工业用人机界面及可编程人机界面人机界面“g p 系列”，还有嵌入型 工业人机界面电脑“p l 系列”，并不断提升产品性能，满足工厂设备和自动化控制市 场的需求，2 0 0 5 年向更高传输容量与更快速度的方向演进。 国内人机界面的研制刚刚起步，2 0 0 4 年深圳市创为新自动化科技有限公司文本 显示器m d 2 0 4 l 、0 1 3 2 0 可以完成控制显示p l c 的基本功能。目前没有赶超国际水 平的同类产品问世。 1 4 课题来源、内容及创新点 1 4 1 课题来源 人机界面是人与机器之间进行信息交换的通道【1 5 1 。它显示直观，可以监视整个 生产过程，当生产过程中出现问题时还可以通过声音报警等方式提醒用户及时进行 采取措施。仅2 0 0 2 年纺织行业中需用量约为2 0 0 0 0 台，目前多数为文本显示方式， 主要选用国外产品，而且人机界面产品的通信接口单一、兼容性差、价格高，而且 各厂家为了维护本公司利益，采用专用于本公司的系统软件和组态软件，软硬件之 间的联系脂粉紧密，不利于设备之间兼容和相互移植。 面对国外技术封闭，国内需求量大的情况，作者开发出具有独立知识产权、用 于控制p l c 的可编程人机控制系统。可降低生产成本，增加控制p l c 的型号种类 及其它功能、增强其兼容性。 1 4 2 研究内容 可编程人机交互系统作为p l c 的前端设备，以图形方式来显示和控制p l c 数 浙江大学硕十学臂论文 据，很经济地取代了大量的触控设备并保证了高可靠性。设计者可依需要编辑出各 种画面，用以显示设备状态，操作指示，参数设定，动作流程，统计资料，警报讯 息等。 该课题完成的主要任务： ( 1 ) 对工业控制用p i c 的友好人机界面开发课题调研，考察； ( 2 ) 针对企业的实际情况，首先对该课题设计进行需求分析； ( 3 ) 根据需求分析，制定总体设计方案； ( 4 ) 采用现有的开发工具完成上位机人机界面的软件设计、调试； ( 5 ) 设计、制作下位机硬件电路板； ( 6 ) 采用现有的开发工具完成下位机软硬件设计、调试； f 7 ) 进行上、下位机通信软件的设计、软硬件调试； ( 8 ) 进行所用软件模块的总体调试； ( 9 ) 总结设计方法，提出下一步的工作任务。 可编程人机界面可直接连接绝大多数主流p l c ，工作在多种工业环境中，广泛 应用于工业自动化系统、医疗、金融等行业的自动化设备中。 1 4 3 创新点 作者将计算机科学、心理学、人的认知科学和人的因素等多科相结合，开发出 具有自主知识产权的可编程人机交互系统，推进了我国产业进步。 上位机、下位机的软件开发，具有原创性。其中，上位机与下位机通信协议设 计巧妙，节省存储空间，加快执行速度。 在上位机人机界面设计上应用了心理学，考虑到用户的思维方式、使用习惯等， 在原有同类产品的布局基础上，加以改进，使用户操作更加简单方便。 第2 章可编程人机交互系统总体方案设计 系统的总体方案设计，关系到系统功能模块的划分，硬件设备的选择和配备以 及软件的设计和编制。总体方案对整个系统的性能以及运行的可靠性有十分重要的 意义a 设计一套具有实用性的可编程人机交互系统，首先要充分了解和分析该系统 所需要的功能要求，明确系统的实现目标，应用范围、软硬件条件和实现手段等。 2 1 系统需求分析 该控制系统应用于p l c 前端，用户可在w i n d o w s 下通过上位机软件无限次地编 辑控制p l c 的画面信息下载到下位机，下位机控制显示p l c 状态，从而使操作人 员能够自如地操作机器设备。 根据实际需求，该系统需要实现以下几种功能： ( 1 ) 通过上位机编辑软件在计算机上作画，自由输入汉字、字符及设定p l c 地址 使用串口通讯下载画面； ( 2 ) 上位机编辑软件用户界面友好，直观； ( 3 ) 通讯协议和画面数据一同下载到下位机； ( 4 ) 下位机接受上位机控制信息数据，以文字或指示灯等形式监视、修改p l c 内部寄存器或继电器的数值及状态； ( 5 ) 无须p l c 编写通讯程序； ( 6 ) 可控制p l c 机种广泛，包括三菱f ) 【系列、欧姆龙c 系列、西门子s 7 2 0 0 系列、光洋s g 系列等： ( 7 ) 具有密码保护功能； ( 8 ) 内置时钟( 可选件) ； ( 9 ) 文本精灵，动态显示文本； ( 1 0 ) 具有报警列表功能，逐行实时显示当前报警信息； ( 1 1 ) 自由选择通讯方式，r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 任选： ( 1 2 ) 可显示位图； ( 1 3 ) 可直接数字键输入数据。 2 2 系统模块划分及总体设计方案 根据用户的需求分析，对设计任务进行了功能模块划分。总体功能模块划分如 浙江大学硕士学位论文 图2 1 i 上位机( 计算机)； ；! ；下位机( 单片机)； ； ! 图2 - 1 、可编程人机交互系统总体功能模块划分 该控制系统的上位机负责用户界面和用户对话，响应用户的命令，向下位机发 送用户命令并接收下位机做出的反应，显示错误和状态提示，实现控制信息的录入。 下位机对硬件电路进行直接控制，上下位机之间通过r s - 2 3 2 通信协议进行数据传 输，该部分是以微控制器( 处理器) 为核心的可编程人机交互系统的重要组成部分。 制定总体设计方案如图2 2 。 图2 - 2 ，可编程人机交互系统总体设计方案 2 3 开发工具的选择 2 3 。1 上位机开发工具的选择 开发工具的选择很重要，适合的开发工具可达到事半功倍的效果，在选择开发 哆冒 浙江大学硕士学位论文 工具时，应考虑以下几个因素： ( 1 ) 开发工具的稳定性。这是系统正常运行的保障； ( 2 ) 可视化的操作界面，可方便地完成复杂的界面设计； ( 3 ) 支持对底层硬件的开发，开发效率高； ( 4 ) 有很好的开放性，能同众多的其他厂商的产品相结合； 圆提供高性能的数据库访问。 本课题采用的上位机编辑软件开发工具是b o r l a n d 公司c + + b u i l d e r6 0 。b o r l a n d c + + b u i l d e r6 0 是i n t e r p r i s e ( b o r l a n d ) 公司推出的基于c + + 语言的快速应用程序 开发( r a p i d a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ，r a d ) 工具，它是最先进的开发应用程序的 组件思想和面向对象的高效语占c + + 融合的产物。c + + b u i l d e r 充分利用了已经发 展成熟的d e l p m 的可视化组件库( v i s u a lc o m p o n e n tl i b r a r y ，v c l ) ，吸收了b o r l a n d c + + 5 0 这个优秀编译器的诸多优点。c + + b u i l d e r 结合了先进的基于组件的程序设 计技术，成熟的可视化组件库和优秀编译器，调试器。发展到6 0 版本，c + + b u i l d e r 已经成为一个非常成熟的可视化应用程序开发工具，功能强大而且效率高。 c + + b u i l d e r 的主要特点归纳为： ( 1 ) c + + b u i l d e r 是高性能的c + + 开发工具 c + + b u i l d e r 是基于c + + 的，它具有高速的编译，连接和执行速度。同时，c + + b u i l d e r 具有双编译器引擎，不仅可以编译c c + + 程序，还能编译o b j e c tp a s c a l 语言 程序。 ( 2 ) c + + b u i l d e r 是优秀的可视化应用程序开发工具 c + + b u i l d e r 是一完善的可视化应用程序开发工具，使程序员从繁重的代码编写 中解放出来，使他们能将注意力重点放在程序的设计上，而不是简单的重复的劳动 中。同时，它提供的完全可视的程序界面开发工具，从而使程序员对开发工具的学 习周期大大缩短。 ( 3 ) c + + b u i l d e r 具有强大的数据库应用程序开发功能 c + + b u i l d e r 提供了强大的数据库处理功能，它使的程序员不用写一行代码就 能开发出功能强大的数据库应用程序，这些主要依赖于c + + b u i l d e r 众多的数据库 感知控件和底层的b d e 数据库引擎。c + + b u i l d e r 除了支持m i c r o s o f t 的a d o ( a c t i v e d a t ao b j e c t ) 数据库连接技术，还提供了一种自己开发的成熟的数据库连接技术 - b d e ( b o r l a n dd a t a b a s ee n g i n e ) 数据库引擎。 ( 4 ) c + + b u i l d e r 具有强大的网络编程能力 c + + b u i l d e r 具有众多的i n t e r n e t 应用程序开发控件，如w e bb r o k e r ， c p p w e b b r o s w e r ，w i ns o c k s 等，它们基本含盖了i n t e m e t 应用的全部功能，利用它 们程序员可以方便地建立自己地i n t e r n e t 应用程序p o l 。 浙江大学硕士学位论文 除c + + b u i l d e r 之外，其它的开发工具有m i c r o s o f t 公司的v c + + 6 0 ，v b ，b o r l a n d 公司的b c 。c + + b u i l d e r 同时兼具c + + 面向对象程式语言的威力和v i s u a lb a s i c 这 种r a p i dd e v e l o p m e n tt o o l 的视觉化程式开发环境的便利；与v i s u a lc + + 相比，c + + b u i l d e r 的c o m p i l e r 不仅可以完成v i s u a lc + + 的功能，呼叫、使用w i n 3 2a p i ，还能 够简化g u i 设计，节省时间，提高效率，易于掌握。所以本课题选用c + + b u i l d e r 作为上位机编辑软件的开发工具【2 0 l 。 2 3 2 下位机开发工具的选择 下位机采用p h i l i p s 公司的增强核微处理器，用c 和汇编开发程序。通过k c i l c 公司的u v i s i o n 2 集成开发环境和广州致远电子有限公司的t k s 仿真器进行软、硬 件开发调试。 u v i s i o n 2 集成开发环境i d e 是一个基于w i n d o w s 的软件开发平台，有功能强大 的编辑器、项目管理器和制作工具。u v i s i o n 2 支持8 0 5 1 的所有k e i l1 - 具，包括c 编译器、宏汇编器、链接器定位器和目标文件至h e x 格式的转换器。u v i s i o n 2 提 供了下面的功能，加速嵌入式应用开发过程： ( 1 ) 非常有特色的源码编辑器： ( 2 ) 器件数据库：配置开发工具的设置； ( 3 ) 项目管理器：创建和维护项目； ( 4 ) 集成制作工具：可以汇编、编译和链接嵌入式应用； ( 5 ) 所有开发工具的设置都是对话框形式的； ( 6 ) 真正集成的源码级调试器，带高速c p u 和外围器件模拟器： ( 7 ) a g d i 接口，可在目标硬件中调试软件，以及连接到m o n i t o r - 5 1 ； ( 8 ) 提供到开发工具手册，器件数据手册和用户指南的链接； ( 9 ) u v i s i o n 2 软件有菜单栏、可以快速选择命令按钮的工具栏、源代码文件窗 口、对话框窗口和信息显示窗口，允许同时打开多个源码文件1 2 。 t k s 系列仿真器是广州致远电子有限公司推出的高性能单片机实时在线仿真 器，可以实时在线仿真p h i l i p s 半导体公司的8 0 c 5 1 系列单片机的同时，还能够实 时在线仿真a t m i j l ，h y ，l n b o n d 等公司的兼容m c s - 5 1 内核的标准8 0 c 5 1 单片机， 彻底解决8 0 c 5 1 开发中仿真工具的瓶颈问题。 t i c s 系列仿真器在硬件上采用了p h l l w s 授权的h o o k s b o n d o u t 仿真技术并 加以改进，几乎支持所有的8 0 c 5 1 系列单片机的实时仿真，能保证用户更加方便的 操作和更加真实的仿真效果，并能直接或通过简单的升级支持仿真p h i l i p s 陆续推 出的全系列8 0 c 5 1 内核单片机。每种型号的仿真器均能支持多种不同型号8 0 c 5 1 浙江大学硕七学位论文 单片机的仿真。下位机开发调试环境建立如图2 3 。 以上开发工具的最大优点是可以充分利用通用计算机的软、硬件资源，完成程 序的输入、修改、运行与调试，开发效率高。 开发模板 下位机 l e p r o m l 单片机应用系统 l通用春呈关系统 l 写入插座 l - i 仿真头 i 、， l i 图2 - 3 、下位机开发环境嘲 浙江大学硕士学位论文 第3 章可编程人机交互系统上位机编辑软件开发 可编程人机交互系统上位机编辑软件，以下简称上位机软件，是实现可编程人 机交互的重要部分，它负责录入用户编辑的控制p l c 的信息，以二进制数据形式， 通过串口下载到下位机。作为与用户交互的应用软件，从使用角度讲，要求功能强 大，界面简洁、明快、易于理解和操作；从编程角度讲，要求代码简洁，编译与执 行速度快，逻辑关系清晰，尽量避免过于复杂、晦涩的代码段，以便于修改、调试、 维护；从自动控制角度讲，要求保证数据在计算机与单片机应用系统之间的传输的 完整性、可靠性和规范性l 删。主要包括两部分：界面的设计和程序的开发。 3 1 界面设计 3 1 1 界面设计概况 计算机技术发展一直向着更完善实现其功能目的的方向迅速发展着，其中重要 一项就是更完美地实现人机交互。图形用户界面的开发为计算机图形和程序界面开 辟了崭新的舞台，使得计算机应用领域的艺术设计显得前所未有的重要。二十世纪 八十年代初，美国硅谷施乐公司的一家研究机构提出了图形用户接口( g r a p h i c su s e r i n t e r f a c e ) ，以此为核心，苹果公司和微软公司联手进行了研究。1 9 8 4 年苹果公司推 出了使用微软公司操作系统的p o w e rm a c i n t o s h ；微软公司则在1 9 8 5 年1 1 月推出了 w i n d o w s 的1 0 1 版，具备了图形界面，但只有平面式和弹出式窗口，1 9 8 7 年1 1 月 上市的2 0 版提供了对重叠窗口的支持。这段时间里，图形操作系统成为程序界面 设计的先驱，给应用程序图形界面设计提供了范例，极大地影响了不同操作系统平 台上应用程序界面设计的风格。 计算机要实现其功能目的，就必须通过计算机应用程序( 通用机上应用程序的 平台操作系统本身也是程序) ：计算机应用程序要接受用户的指令，反馈指令 的执行情况，就必须通过人机界面来实现。如何使这个界面更简洁高效地完成任务、 更直观通畅地实现人机交互，达到更美观的视觉效果、甚至个性鲜明的特色。给用 户留下强烈的视觉冲击和深刻的印象的工作，就是计算机程序界面艺术设计【1 1 。 3 1 2 界面设计原则 一个优秀的使用者界面设计，简而言之，就是要符合使用者的需求，考虑到使 浙江大学硕+ 学位论文 用者的生理、心理状况；一个友善便利的使用者界面，不但可增加使用之方便性， 亦可减少使用错误率，使产品发挥最大的功能【2 4 1 ，达到造福使用者的目的；当然， 对于制造厂商而言，其研发的行为才是更具社会意义与经济价值。不论是硬件界面 的操作按钮布局还是软件界面的设计，都应该尽量服从界面设计原则。那么，经过 各方面的整理得以总结出，设计出真正优良的使用者界面应该遵从以下的设计原 则： 一、遵循一致性原则 无论是空间使用，提示信息措辞，还是颜色、窗口布局风格，遵循统一的标准， 做到一致性。当以色彩或字体来表示某项含义时，一定要前后一致，红色代表危险、 粗体代表强调，决不可随意应用，否则会造成使用的混淆。一个成功的产品设计与 使用者界面的品质有着深厚的关系，特别是当相关研发能力与应用技术愈见成熟， 而投入市场的竞争者越来越多时，使用者界面的品质会变成产品层次区分时的一个 重要指标，如统一类型的界面操作方式相同；此外，产品之使用安全性也与界面设 计的好坏有关，因为设计上的缺失将会直接或间接的造成使用时的失误，由此可知， 一项产品，尤其与用户有着密切关系得视听产品，在设计时必须谨慎。 这样得到的好处： ( 1 ) 使用户在使用时能够建立起精确的心理模型，当熟练操作一个界面后，切 换到另外一个界面时也能够很轻松的推测出各种功能、语句，不需要分析 理解； ( 2 ) 降低培训和成本，指导人员不须费力逐个指导； ( 3 ) 给用户的统一感觉，不觉得混乱，心情愉快，对产品支持度增加。 人机交互系统人机界面主页面如图3 - 1 。菜单栏内有“文件”、“编辑”、“工具” 和“帮助”五个下拉菜单。分别完成工程的新建、打开、保存、另存为和退出；剪 切、复制、粘贴和删除；串口设置、p l c 选择和下载数据；关于等功能。命令栏从 左到右依次为：新建、打开、保存工程，剪切、复制、粘贴文本，新建、删除、剪 切画面。项目浏览内为页面信息。项目浏览右侧空白区域为画面编辑区域，称为编 辑图板，在上面编辑每页画面显示内容。其下侧是六个画面编辑功能按钮，分别为： 字符串、寄存器、指示灯、按键、动态字符串和图片。再往下是信息显示栏，当前 显示画面编辑信息，是本页画面所包含的信息。最下面足进度栏和状态栏，分别显 示当前进度信息和状态信息。 二、颜色使用恰当，遵循对比原则： 一个使用者界面中( 包括背景和操作组件) ，最好不要超过3 到5 种颜色，最 好大区域使用浅灰阶色调，如浅灰、白色等：重要操作组件则以红、蓝、绿等彩度 较高的颜色来表达，但颜色不易过多，且区域不可以太大，否则看起来过渡混乱， 浙江大学硕士学位论文 反而失去当初欲强调重点地的用意了。 图3 - 1 、可编程人机交互系统人机界面主页面 ( 1 ) 统一色调，针对软件类型以及用户工作环境选择恰当的色调：如：安全软 件，根据工业标准，可以选取黄色，绿色体现环保，蓝色表现时尚，紫色 表现浪漫等，淡色可以使人舒适，暗色做背景使人不觉得疲劳等。 ( 2 ) 如果没有系列的系列界面，采用标准界面则可以少考虑此方面，做到与操 作系统统一，读取系统标准色表。 ( 3 ) 色盲、色弱用户，即使使用了特殊颜色表示是重点或者特别的东西，也应 该使用特殊指示符。使用色彩的不利之处是：男性中大约有8 ，女性中大 约有0 4 的人都有不同程度的色盲症。最通常的色盲是红绿色盲，他们分 不清红和桔黄与绿和黄；另一种比较常见的色盲是蓝色和黄色色盲。对于 一个具有一定程度色盲的人来说，所有正常的颜色都是分不清的，但是光 的亮度或强度还是可以看见的。因而，对具有