基于ZigBee的无线人机界面设计

0 引言

    人机界面（Human-Machine Interface，简称HMI）是电子系统中实现人机交互的数字终端设备，其基本功能是通过LCD屏幕显示系统运行状态或参数变化，通过控制按钮设置工作参数或输入操作指令。HMI以8位、16位或32位微控制器为核心，并配有外部通信接口，利用RS485/422、CAN等标准总线还可实现多台HMI与现场控制器的网络互连。

    现实中有一些应用系统，如行走机器人监控系统、无线抄表系统、手持遥控系统等，由于被控设备或操作人员处于移动状态，不能使用存在线缆约束的有线HMI，必须在现场控制器与HMI之间建立某种形式的无线连接。可供选用的无线技术有IrDA、Bluetooth、WUSB、ZigBee、GPRS、Wi-Fi等，其中，ZigBee作为低速无线个域网（LRWPAN）规范，具有协议简单、终端功耗小、成本低、可靠性高、组网能力强等优点，是实现设备间短距离、低速率无线互连的较好选择。

1 无线HMI的结构

    无线HMI由JN5139微控制器、液晶触摸屏、导航按键、蜂鸣器、有线通信接口、字库存储器、实时钟等单元组成，如图1所示。JN5139作为HMI控制器，除用于各输入/输出设备和功能芯片的驱动和控制外，还通过所建立的ZigBee网络，实现与现场控制器的无线连接，接收并执行其发送的输出控制命令，并向其传送设备输入信息。

图1 无线HMI结构图

    JN5139为Jennic公司推出的第二代单片无线微控制器，内部集成了32位RISC CPU、2.4GHzIEEE802.15.4射频收发器、192KB ROM、96KB RAM以及多种接口部件。方便起见，直接选用已通过FCC、ETSI等认证的JN5139模块，该模块将微控制器芯片及其外围晶振、串行FLASH存储器、陶瓷天线等部件整合在30mm×18mm的4层 PCB板上，具有优良的电磁兼容性。

2 无线HMI的硬件实现

图2 无线HMI电路原理图

    图2为无线HMI的具体硬件电路。根据不同外设和功能芯片的接口要求，充分利用JN5139片上资源，实现同类型接口对应信号线的匹配连接，简化了系统硬件结构。图中JN5139异步串口0经MAX232电平转换后成为RS232接口，既可用于程序的调试以及代码或字库文件的下载，也可作为与现场控制器近距离有线连接的标准接口。分页2.1 液晶触摸屏及导航按键

    液晶显示选用分辨率为240×320，尺寸为3.2in的16位色TFT LCD模块，该模块内置ILI9320驱动器，采用8位并行传输模式，8条数据线和5条控制线由JN5139的13根I/O口线直接驱动。图3为LCD模块典型工作时序。显示控制通过对ILI9320内部寄存器进行读写实现，先利用控制通道写入要访问的寄存器地址索引，再利用数据通道写入或读出相应的数据。大部分寄存器与显示参数设置有关，多数是在显示器上电时进行初始化。对显存（GRAM）的访问通过地址计数器（AC）间接实现，首先向R20h、R21h寄存器写入水平及垂直显示方向的GRAM地址分量，作为地址计数器AC的初始值，接下来对R22h寄存器进行的数据读写将自动映射到AC对应的GRAM单元，且AC会在每次GRAM写操作后根据R03h中AM、I/D1、I/D0的设置自动进行地址调整，提高了GRAM连续写入的效率。

    4线电阻式触摸屏由ADS7846芯片控制，JN5139通过DIO20接收笔中断信号，通过1#SPI口向ADS7846发送控制字并读取A/D转换结果，进而利用线性标度变换解算出触点位置坐标。LCD背光采用5只白光LED，其亮度由JN5139 T0_OUT端输出的PWM波控制。

    导航按键包括上、下、左、右4个方向键和1个确认键，主要用于菜单的便捷操作。为减少JN5139 I/O口开销，利用1路A/D转换器实现按键的检测。每个按键对应不同范围的分压值，根据A/D转换结果的数字量范围即可确定是否有键按下以及哪个键按下。

2.2 字库存储器

    字库存储器选用32Mbits串行Flash芯片SST25VF032B，该芯片采用SPI接口，由JN5139的2#SPI口直接驱动。采用自动地址增量字编程模式在SST25VF032B中预先存入多套ASCII西文字库及GB2312一二级汉字库，0#扇区（最低4KB空间）为字库索引表，可通过字库编号检索出每套字库的点阵宽度、高度以及在SST25VF032B中的偏移地址。

2.3 实时钟

    PCF8563为I2C接口低功耗时钟芯片，除正常的时钟/日历功能外，还具有可编程频率输出、定时器、闹钟报警、低压监视等功能。工作电压为3V时，休眠电流仅为0.25μA。

    JN5139内置硬件I2C接口，其SIF_CLK、SIF_D引脚分别与PCF8563串行时钟线SCL和串行数据线SDA相连。PCF8563的器件地址为A2H（写操作）和A3H（读操作），片内16个可寻址寄存器的地址为00H~0FH。

3 无线HMI软件结构

    Jennic SDK集成了开发ZigBee应用所需的CodeBlocks IDE、C语言工具链、IEEE 802.15.4/ZigBee协议栈、JN5139外设驱动库和BOS操作系统，可利用CodeBlocks的工程向导创建无线HMI程序框架，程序中通过调用不同的API函数或自定义函数，实现对外设中断、协议栈事件和传输帧的处理。

图3 LCD写操作时序图

    无线HMI系统软件以非抢占式任务调度器BOS为核心，由BOS控制ZigBee协议栈任务（包括网络层NWK、应用子层APS和ZigBee设备对象ZDO）和用户任务的执行，不同任务之间利用事件进行通信，通过消息传递实现数据交换。

    系统复位入口为AppColdStart函数，主要负责网络参数设置、系统初始化并启动BOS，BOS获得控制权后，通过调用JZA_boAppStart函数启动ZigBee协议栈，并以协调器（Coordinator）身份自动完成网络的创建。接下来，BOS周期性地调用JZA_vAppEventHandler函数，执行时间读取、屏幕刷新等用户任务，发生协议栈事件（如数据发送确认）或外设中断（如定时器中断、串口中断、触摸屏笔中断等）时，自动执行JZA_vStackEvent或JZA_vPeripheralEvent函数中的事件处理代码，显示控制指令的接收处理通过JZA_bAfMsgObject函数实现，按键键值和触摸屏触点坐标的发送通过afdeDataRequest函数实现。

4 应用设计

    无线HMI应用系统的结构如图4所示，图中主控器配接ZigBee无线接口模块，并且该模块以路由器(Router)身份加入无线HMI建立的ZigBee网络。主控器与HMI应用层之间通过命令帧和状态帧进行信息交换。命令帧和状态帧均是相对于主控器而言，通过发送命令帧实现其对HMI的显示控制、背光调整、实时钟设置以及蜂鸣器驱动，通过接收状态帧获知HMI发送的命令执行结果、按键键值或触摸屏触点坐标。

图4 无线HMI应用系统的结构

    ZigBee接口模块的结构比较简单，硬件方面仅为一块JN5139模块组成的最小系统，通过串口连接主控器。软件方面，以Router身份加入网络后，一方面通过JZA_vPeripheralEvent函数监视串口状态，收到主控器发送的命令帧后，将其拼装为MSG帧，通过afdeDataRequest函数传送给HMI；另一方面，通过JZA_bAfMsgObject函数检测是否收到HMI发送的MSG帧，是则将其拆解为状态帧并通过串口传送给主控器。

5 结束语

    本文研制的无线HMI利用ZigBee网络实现主控器与HMI之间的信息交换，数据传输率可达250Kbps，开阔地通信距离为50-100m，通过增加网络节点还可实现更大范围多个主控器与多个HMI之间的互连。笔者通过二次开发，先后设计出LED大屏幕现场调试器以及空调集控系统无线遥控面板，使用效果理想。随着相关技术的不断成熟，基于无线连接的HMI将获得更加广泛的应用。