电子医疗仪器人机接口

第五章数字化医疗仪器人机接口,数字化医疗仪器要有人机对话功能，即人与机器交换信息的功能。它有两方面的含义：一是人对数字化医疗仪器进行状态干预和数据输入；二是数字化医疗仪器向人报告运行状态与处理结果。实现人机对话的部件有键盘、显示器和打印机等，这些部件同医疗仪器主体电路的连接是由人机接口电路来完成的。人机接口技术是数字化医疗仪器设计的关键技术之一。,数字化医疗仪器主要人机接口键盘接口LED显示及接口CRT显示及接口LCD数码显示技术打印机接口,第一节键盘接口键盘与微机的接口包括硬件和软件二部分。硬件：是指键盘的组织，即键盘结构及与主机的连接方式。软件：软件是指对按键操作的识别与分析，称为键盘管理程序。虽然对不同的键盘组织其键盘管理程序存在很大的差异，但任务大体可分为下列几项：(1)识键：判断是否有键按下。若有，则进行译码；若无，则等待或转做别的工作。(2)译键：识别出哪一个键被按下并求出被按下键的键值。(3)键值分析：根据键值，找出对应处理程序的入口并执行之。,一、键盘输入基础知识,（一）键盘的组织1.编码式键盘键和专用键盘编码器构成.有键按下,自动生成键值。例如:MM5740AA芯片;INTEL8279等。2.非编码式键盘不含编码器,键盘只送出一个简单的闭合信号,对应的键值需有软件来译出。显然，非编码键盘的软件是比较复杂的，并且要占用较多的CPU时间，这是非编码键盘的不足之处。但非编码键盘可以任意组合、成本低、使用灵活，因而数字化医疗仪器大多采用非编码式键盘。非编码键盘按照与主机连接方式的不同：有独立式键盘和矩阵式键盘之分。,1)独立式键盘如图1(a),特点:一键一线.优点:结构简单,键容易识别。缺点:占用较多检测线，不便组成大型键盘。,图1（a）,2)矩阵式键盘如图1(b)特点:把检测线分成二组，一组为行线，另一组为列线，按键放在行线和列线的交叉点上。优点:键盘规模可扩大。缺点:键盘分析程序较复杂。,图1（b）,（二）键盘的工作方式数字化医疗仪器中CPU对键盘进行扫描时，要兼顾两方面的问题：一是要及时，以保证对用户的每一次按键都能作出响应；二是扫描不能占用过多的时间，CPU还有大量的其他任务要去处理，因此，要根据智能仪器中的CPU忙、闲情况，选择适当的键盘工作方式。a)编程扫描方式(查询方式)；b)中断工作方式；c)定时扫描方式。（三）键抖动及消除键盘按键一般都采用触点式按键开关。当按键被按下或释放时，按键触点的弹性会产生一种抖动现象。,键抖动可能导致计算机将按键操作识别为多次操作.可采取以下措施:,(010)ms,(50200)ms,(010)ms,键抖动现象,图2,(2)软件延时法当判定按键按下时,用软件延时10ms20ms,等待键稳定后重新再判一次,以躲过触点抖动期。,(1)硬件电路消除法,5V,图3,（四）键连击的处理图4,当我们按下某键时，对应的功能便会通过键盘分析程序得以执行。如果在操作者释放键之前，对应的功能得以多次执行，如同操作者在连续不断操作该键一样，这种现象就称为连击。,键连击现象的克服及合理运用,图4,二、独立式键盘接口方法,1.查询方式图5硬件接口;图6软件流程图,图5,图6,中断方式用中断方式处理8只按键电路,图7,ORG0000HAJMPMAIN；上电后转主程序ORG0003H；外部中断0入口AJMPKEYJMP；指向中断服务程序ORG0100HMAIN：SETBIT0；选择边沿触发方式SETBEX0；允许外部中断0SETBEA；允许CPU中断MOVDPTR，#0EF00H；送8155命令口地址MOVA，#02H；置A口为输入口MOVXDPTR，A；控制字写入HERE：AJMPHERE；模拟主程序,ORG0120H；中断服务程序KEYJMP：MOVR3，#08H；设循环次数MOVDPTR，#0EF01H；送A口地址MOVR4，#00H；计数器清零MOVXA，DPTR；读入按键状态KEYADl：RRCA；状态字右移一位JNCKEYAD2；C=0，转KEYAD2INCR4；计数器加1DJNZR3，KEYADlKEYRET：RETI,KEYAD2：MOVDPTR，#JMPTBLMOVA，R4RLAJMPA+DPTR；转相应功能处理JMPTBL：AJMPSB0AJMPSBlAJMPSB2AJMPSB3AJMPSB4AJMPSB5AJMPSB6AJMPSB7,三、矩阵式键盘接口方法,当采用矩阵式键盘时，为了编程方便，应将矩阵键盘中的每一个键按一定的顺序编号，这种按顺序排列的编号叫顺序码，也称键值。为了求得矩阵式键盘中被按下键的键值，常用的方法有行扫描法和线路反转法。本节介绍两种键盘接口电路及控制软件。一种是采用编程扫描工作方式的行扫描法来识别键值，另一种是采用中断工作方式的线路反转法来识别键值。,（一）行扫描法步骤:1.判是否有键按下(没有键按下，读入值为FFH)。2.若有键按下,消除键抖动(延时10ms),再判是否有键按下。3.若确定有键按下,则求出按下键的键值。键值=行值+列值4.为保证按键每闭合一次,CPU只作一次处理,程序需等闭合的键释放后再对其处理。RAM/IO扩展器8155结构:1.256BITS的静态RAM;2.二个可编程的8位并行I/O口PA,PB;3.一个可编程的6位并行I/O口PC;4.一个可编程的14位减法计数器TC.,图8,3,2,1,0,7,6,5,4,8,9,A,B,C,D,E,F,8031,P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7,（二）线路反转法原理,图9,线路反转法的原理（1）先从P1的高四位输出“0”电平，从P1的低四位读键盘状态，设图中E键被按下，从P1的低四位输入为1101，“0”对应按键代表的列。（2）线路反转，P1的低四位输出“0”电平，从P1高四位读键盘状态，从P1高四位输入0111，“0”对应按键代表的行位置。（3）数据合成特征码0111、1101，完全确定按键位置。（4）通过查键码转换表找到对应的键值(顺序码)。,表1,第二节键盘分析程序,单义键:一键一义多义键:一键多义键盘分析程序的任务是对键盘的操作做出识别并调用相应的功能模块完成预定的任务。一、直接分析法(单义键构成的键盘)根据当前按键的键值,把控制直接分支到相应处理程序的入口,而无须知道在此之前的按键情况。图10、11优点:简明直观。缺点:命令的识别和处理程序的执行交错在一起,层次不清楚。简单多义键的分析程序仍可用直接分析法来进行设计,不过要用多张转换表。图12,图10,图11,图12,二、状态分析法将键盘分析程序作为时序系统，当条件改变后，它的状态可以发生变迁。当一个按键按下时，分析程序将根据它的现行状态和输入条件，决定产生何种相应动作以及变迁到哪一个新状态。在不同的状态下，同一按键会具有不同的含义。引入状态概念后，只需在存储器内开辟存储单元“记忆”当前状态，就能对当前按键的含义作出正确的解释，简化程序设计。,三、触摸屏（一）概述一些医疗场所不便安装键盘、鼠标等输入设备，同时也要让任何人都能操作，触摸屏就是一种理想的输入设备。（二）分类及原理触摸屏需收集以下信息：触摸物进入触摸屏的坐标、触摸物在触摸屏上移动的新坐标、触摸物离开触摸屏的坐标、是否有东西触摸等,1.红外线触摸屏（以红外线检测技术为基础）原理：物体进入检测区，遮挡住若干条红外光栅，红外接收管输出的信号就会发生变化，从而检测出触摸点的坐标和触摸屏的状态。优点：对触摸的物体没有太严格的要求；触摸物只要进入红外检测区域即可；触摸屏不易损坏，寿命较长，成本也较低。缺点：外界光线变化会影响其准确度；不防水，不防污秽，易导致误差。,2电阻式触摸屏（压力感应式）原理：外层OTI（氧化铟）作导电体，第二层OTI附上电压场，层间以细小的透明隔离点隔开。平时这些隔离点的电阻近似相同，当手指接触屏幕，两层导电层出现一个接触点，该点电阻发生变化，便可以计算出触摸的位置。优点：不受尘埃、水、污秽影响缺点：触摸屏的寿命不长久,3电容式触摸屏电容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。当手指触摸在金属层上时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。优点：电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。缺点：由于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，故其稳定性较差，往往会产生漂移现象。电容屏反光严重，而且，电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还造成图像字符的模糊。,4声表面波式触摸屏由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接收器组成。声波发生器发出声波在触摸屏表面传递，经反射器传递给声波接收器，声波转换成电信号送给主机。声表面波式触摸屏效果比较好，应用比较广泛。在屏幕大小相同的情况下,红外线触摸屏价格最低且安装最方便;电阻和电容式触摸屏性能相差不大,同属中档,价格也差不多,电容式触摸屏总体效果要好些;声表面波触摸屏的价格最贵，当然性能也最好。,第三节LED显示及接口,一、LED显示原理LED-发光二极管.LED的正向压降:1.2V2.6V。工作电流:5mA20mA。适合于脉冲工作状态,电路须串联适当的限流电阻.LED显示器的类型:单个、七段和点阵式。（一）单个LED显示器常用于仪器的状态显示之用.图13,CSIOW,D07,74LS374,CLK,D0,D7,Q0.Q7,+5V,LED,单个LED显示器的接口电路,图13,将数个LED组成一个阵列，并封装于一个标准的外壳中。七段LED显示器有共阳极和共阴极两种结构，如下图。可用于显示09数字和多种字母。,（二）七段LED显示器,109876,gfkab,edkcdp,K,+5V,a,b,f,e,c,g,d,abcdefgdp,K,abcdefgdp,图14,图15,图16,为了显示某个数或字母，须点亮对应的段，则需要译码。,1、硬件译码(由七段译码/驱动器完成)图17计算机时间的开销较小,但硬件开支大.,图17,2、软件译码图18、表2,省略了硬件,其BCD码转换为对应的段码由软件来完成.,图18,表2,（三）点阵式LED显示器,以点阵格式进行显示,显示的字符较逼真,但接口电路和控制程序较复杂.常用57点阵。图19,图19,按显示方式分：静态显示和动态显示之分。（一）静态显示及其接口特点:每位显示器都有自己的锁存器,译码器(若采用软件译码可省略)和驱动器。优点:在每一位显示输出后能够保持显示不变。缺点:当显示位数较多时,占用的I/O口较多图20（二）动态扫描显示及其接口特点:微机应定时对各个显示器进行扫描,显示器件分时轮流工作,每次只使一个器件显示。优点:使用硬件少,占用I/O口少。缺点:占用机时长,只要不执行显示程序,就立刻停止显示。图21,二、七段LED显示及接口,图20,图21,三、点阵LED显示器,图22,第四节CRT显示及接口,主要用于显示图形和表格一、光栅扫描CRT字符显示系统（一）光栅扫描CRT字符显示原理系统组成:显示RAM,字符发生器,并/串移位器,混合电路和逻辑定时电路等组成。如图23,图23,图24,显示器的扫描方式,（a）,（b）,图24,图25,显示RAM,字符发生器,串并移位器,混合电路,CRT,定时控制逻辑,光栅扫描CRT字符显示系统框图,ASCII码,并行点阵码,串行码,视频,字时钟,点时钟,.,图26,23184018411842.19811919,24192019211922.19981999,1808182158159,001237879,01237879,行数,列数,图27,（二）双行缓冲器工作方式,作用:为了保证系统能连续工作。图28,图28,行缓冲器（行）,字符计数器,字符发生器,点行计数器,并入串出移位器,字行计数器,字时钟,点时钟,点时钟,行同步,帧同步,点行码,串行点阵码,ASCII码,ASCII码,（三）定时电路CRT中各个字符显示的位置应与显示RAM中字符ASCII码的地址严格一一对应,这需系统的定时电路给予保证。图29,图29,（四）CRT显示电路的组成,典型的CRT控制器有Intel8275CRTC,Motorola6845CRTC。,8275组成的光栅扫描字符显示系统,图30,二、光栅扫描CRT图形显示系统,显示RAM中存放的是由软件形成的图形点阵,显示RAM中的每个存储单元中的每个数位都与显示屏上的某一像素点一一对应.图31图形光栅显示系统中不再需要字符发生器.原理框图图32CGA逻辑框图图33,01000001010000100100001101000100,11001010.00110101,ABCD,显示RAM,CRT,显示RAM,CRT,显示RAM的内容与显示器显示内容的关系,（a）字符显示系统,（b）图形显示系统,2580,图31,数据缓冲器OE,地址缓冲器OE,OE定时与控制,D0D7,A0A13,WE,CE,R/W显示RAM,并入串出LDCLK,图形点阵数据,串行点阵码,光栅扫描CRT图形显示系统原理图,A05(字时钟计数码）A613(行计数码）,D07,D0,A0,A13,D0,D7,1,1,1,8,14,图32,KB显存,彩色编码,CRTC,图形移位,字符移位,ROM,寄存器,总线,字符发生器,水平、垂直同步信号,视频,CGA的逻辑框图,监视器,图33,三、随机扫描CRT图形显示系统,采用示波器的X-Y显示原理，即分别向CRT水平和垂直输入端加以连续变化的电压信号，通过控制电子束的偏转便可形成连续的各种形状的光迹。如果在栅极上加入适当的消隐脉冲，则可构成不连续线条，形成各种字符和图形。用于显示波形的，智能示波器采用的CRT显示系统。见下页图：,数据缓冲器OE,地址缓冲器OE,OE定时与控制,R/W显示RAM,DACA(Y),DACA(X),D07,A09,WE,CE,Y(t)偏转信号,X(t)偏转信号,显示时钟记数码,10,波形数据,D09,D07,D07,A09,单值函数信号波形的CRT显示系统,图34,第五节LCD数码显示技术,LCD优点：耗电低，驱动电压低，结构空间小，有效显示面积大、体薄物轻。一、LCD数码显示采用交流驱动，直流分量在100mv以下，频率50100Hz，取方波效果最好。,图35LCD交流驱动,LCD硬件译码驱动静态显示电路,图36,为了在4N07显示器上显示48.5数字，执行如下程序：MOVA，#85HMOVDPTR，#8000HMOVXDPTR，AMOVA，#0F4HINCDPTRMOVXDPTR，AMOVA，#20HMOVDPTR，#8007HMOVXDPTR，A,自动消隐0前缀子程序：OTF：MOVR0，#4DHMOVR1，#02HOTL：MOVA，R0ANLA，#0F0HJNZOT2MOVA，R0ORLA，#0F0HMOVR0，AANLA，#0FHJNZOT2MOVR0，#0FFHDECR0DJNZR1，OTLMOV4CH，#0F0HOT2：RET,图37：三线LCD显示电路,7231,COM13,74LS373LE,27256,8031,WRP0ALEP2PSEN,A70,Au-8D70OE,XTZ8,XTZ1,CSAN2BD30A20AN1,图38三线LCD显示电路结构原理,a,b,f,e,c,g,d,AN1,AN2,(a),(b),AN1,AN2,e,f,a,b,c,d,g,X,Y,Z,N1,COM1,COM2,COM3,二、点阵式LCD显示,有专用指令集，受CPU控制，产生驱动LCD的时序脉冲，控制LCD工作状态，管理LCD显示存储区。原理示意图如下：,图39,（1）E-1330特点：可以管理64KRAM；功能很强的IO缓冲器；指令丰富；发送的数据以4位并行方式传输。（2）E-1330引脚：与CPU接口部分；控制部分；显示驱动部分。下表3为缓冲器地址表,（3）E-1330指令集,表4,(4)E-1330的应用(a)初始化设置：其一是控制器工作参数的设置；其二是显示窗口设置。(b)显示存储空间的分配：把显示RAM分成四个区域。第一、二显示存储区为主，三、四区域为一、二区之补充。第二区仅为图形显示方式。(c)显示功能设置：关显示、开显示无闪烁、开显示2Hz闪烁或开显示1Hz闪烁。(d)显示数据的输入步骤：设置光标地址指针。设置光标地址指针的移向。数据写入。,第六节打印机接口,一、TPuP-40B/C微型打印机及其接口由单片机控制的超小型智能点阵打印机，每行可打印40个57点阵字符，可打印240种代码字符，并有绘图功能。（一）TPuP-40B/C微型打印机接口信号DB0DB7:单向数据传输线.STB:数据选通信号,上升沿将8位数据输入打印机并被保存.BUSY:“忙”信号.有效时,主机不得使用STB向打印机送数.ACK:“应答”信号.有效时,表示打印机已经取走数据.,8031,TPuP-40,1,1,STB,BUSY,DB7DB0,P0.7P0.0,RD,P2.7,WR,TPuP-