0 引言

醫(yī)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠為醫(yī)務(wù)人員及時有效的提供患者的第一手數(shù)據(jù)，有助于加強醫(yī)院的現(xiàn)代化信息管理和提高工作效率。而在家庭保健方面，它能夠滿足人們在快節(jié)奏的工作生活中及時準確的獲知自身及家人的健康狀況。在設(shè)備的日常使用中，良好的人機接口設(shè)計，也將為設(shè)備使用人員節(jié)約大量的時間并提供極大的便捷。本文主要以LM3S3748為核心，并采用TFT液晶作為系統(tǒng)的顯示設(shè)備，而用觸摸屏和手柄控制器作為系統(tǒng)的控制設(shè)備，介紹了其人機接口的設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)人機接口主要包括TFT液晶、觸摸屏和手柄控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中TFT液晶亮度好，對比度高，層次感強，顏色鮮艷，因此，在不考慮耗電的情況下，TFT液晶是一個很好的選擇。觸摸屏采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7843對觸摸屏的數(shù)據(jù)進行采樣，再對其采樣的輸出值經(jīng)過校準程序，即可以得到其觸摸屏的物理坐標。手柄控制器采用Modbus協(xié)議，并通過串口對核心板進行控制。



1.1  控制單元

本系統(tǒng)的控制單元可采用TI公司的LM3S3748，支持主頻為50 MHz的ARM Codex-M3內(nèi)核和128 KByte FIASH、64 KByte SRAM。同時集成有USB HOST／DEVICE／OTG、睡眠模塊、正交編碼器、ADC、帶死區(qū)刪、溫度傳感器、模擬比較器、UART、SSI、通用定時器，I2C、CCP、DMA控制器等外設(shè)。此外，芯片內(nèi)部還固化有驅(qū)動庫，能較好的滿足系統(tǒng)需求。

1.2  液晶接口電路

液晶可選用3.2寸TFT(240×320)26萬色彩屏觸摸模塊，該模塊支持SD卡和DATAFLASH，同時支持16位／8位模式。該模塊可以實現(xiàn)顯示畫面的180度任意旋轉(zhuǎn)使用，并帶觸摸屏及觸摸控制芯片。模塊默認i8080 16位并行接口，并可選8位并行接口方式。其液晶接口電路如圖2所示。



1.3  觸摸屏控制電路

觸摸屏控制芯片采用的ADS7843是TI公司生產(chǎn)的4線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS7843具有兩個輔助輸入(IN3、IN4)，可設(shè)置為8位或12位模式。

ADS7843可以通過連接觸摸屏X+將觸摸信號輸入到A／D轉(zhuǎn)換器，同時打開Y+和Y-驅(qū)動，然后再數(shù)字化X+的電壓，從而得到當前Y位置的測量結(jié)果，同理，也可以得到X坐標的邏輯坐標。當?shù)玫絏、Y的邏輯坐標后，通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳送給LM3S3748進行數(shù)據(jù)處理。其ADS7843的外部電路如圖3所示。



1.4 RS232串口通信電路

RS232串口主要用于手柄控制器與核心板的通信，這類似于人機接口中的鍵盤接口。它們之間通過Modbus協(xié)議進行通信。其RS232串口通信電路如圖4所示。



2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 觸摸屏軟件設(shè)計

ADS7843具有兩種工作模式，分別為單端基準模式和差分基準模式。同時還可以對其進行12位或8位轉(zhuǎn)換模式的選擇。本設(shè)計采用差分基準模式和12位轉(zhuǎn)換模式，即：

WriteCharTo7843(0xD0)；∥送控制字10010000，
即用差分方式+12位轉(zhuǎn)換模式，讀X坐標；
……
WriteCharTo7843(0x90)；∥送控制字11010000，
即用差分方式+12位轉(zhuǎn)換模式，讀Y坐標；


CPU采用中斷方式對坐標進行讀取。當未對屏幕進行觸摸時，ADS7843的引腳PENIRQ為高電平輸出，當對屏幕有觸摸動作時，引腳PENIRQ變?yōu)榈碗娖捷敵?，每當CPU檢測到這個引腳的下降沿時，系統(tǒng)進入中斷讀取坐標。其坐標值讀取的流程如圖5所示。當CPU在每一次獲取邏輯坐標的過程中，實際上分別對X、Y坐標進行了11次讀取，然后將讀取到的邏輯坐標值分別存入兩個數(shù)組，并且對這兩個數(shù)組中的值進行冒泡排序，使其從小到大依次排列后，再去掉最大和最小的兩個數(shù)值，并將中間值作為基準，余下數(shù)值與基準值進行求差的絕對值運算。設(shè)計中可設(shè)定一個閥值(此閥值可根據(jù)實驗設(shè)置為5)，如果絕對值大于閥值，則拋棄此值，最后將剩余數(shù)值求和平均，并將其作為最終邏輯坐標值。這就是流程圖中“數(shù)據(jù)處理”所完成的功能。



系統(tǒng)中的主程序流程圖如圖6所示。其中觸摸屏校準處理采用了一種較為通用的校準算法。由于電阻式觸摸屏有一個共性，那就是電壓成線性均勻分布，所以，只要求出邏輯坐標與物理坐標的比例系數(shù)，就可以實現(xiàn)邏輯坐標與物理坐標的轉(zhuǎn)換。首先可確定5個物理坐標點。并依次在屏幕上用“+”顯示，同時將其坐標值用數(shù)組Set_x[4]保存起來(以X坐標為例)。校準過程中讀出的邏輯坐標值則用數(shù)組Read_X[3]存儲。最后求出邏輯坐標與物理坐標的比例系數(shù)：

K1=(Read_x[1]-Read_x[0])／Set_X[1]-Set_x[0])；

K2=(Read_X[3]-Read_X[2])／Set_X[3]-Set_x[2])；

KX=(K1+K2)／2； ∥對兩次運算的值求平均得到最終的X比例系數(shù)



求得比例系數(shù)后，再以設(shè)置的第5點作為基準點(Set_X[4])，這樣就可求出任意觸摸點的物理坐標：

X=(ReadX-Read_X[5])／KX+Set_X[4]；

同理，也可求出Y軸的物理坐標。

2.2 Modbus通信協(xié)議

本系統(tǒng)采用Modbus作為手柄控制器與核心板之間的通信協(xié)議。Modbus通信使用主-從技術(shù)，即僅一設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢)，其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)，主機查詢和從機回復(fù)的消息結(jié)構(gòu)如圖7所示。主設(shè)備可單獨和從設(shè)備通信，也可以廣播方式和所有從設(shè)備進行通信。如果單獨通信，則從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)；而如果是以廣播方式查詢。則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢格式，包括設(shè)備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)錯誤檢測域。從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生錯誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，那么，從設(shè)備將建立一個錯誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。



Modbus協(xié)議有ASCII和RTU兩種傳輸模式，但在同一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。本設(shè)計采用RTU模式，即在消息中的每8 Bit字節(jié)都包含兩個4 Bit的十六進制字符，因而在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。RTU模式的消息結(jié)構(gòu)如圖8所示。當手柄控制器檢測到有按鍵被按下時，就將被按下鍵的鍵碼按RTU消息幀的結(jié)構(gòu)并通過串口發(fā)送給核心板。核心板接收到手柄控制器發(fā)送的信息后，首先進行CRC校驗，校驗正確后，核心板將根據(jù)鍵碼進行相應(yīng)操作，并且回應(yīng)手柄控制器，若CRC校驗出錯，則核心板回應(yīng)手柄控制器錯誤信息，從而完成一次通信后，系統(tǒng)便等待下一次通信。

3 結(jié)束語

本文所設(shè)計的人機接口通過實際使用證明其通訊穩(wěn)定可靠，操作簡單方便，完全可以滿足醫(yī)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。并且該設(shè)計具有很強的移植性，可以根據(jù)使用系統(tǒng)的復(fù)雜性進行完善。因而具有相當廣泛的使用范圍。