0 引言
嵌入式設備的飛速發展大大豐富了人們的生活，無論在工業控制、儀器儀表、通信設備或是娛樂工具等各個方面都有嵌入式微處理器在工作，然而，人們要想實現對這些設備的控制就必須通過用戶界面(User Interface，UI)，所以人們越來越關注UI界面的可用性和用戶使用效率的提高。目前，嵌入式設備開發中的UI設計多數采用按鍵控制簡單的上下翻頁或滾屏操作，缺少層次性，本設計將在S3C44BOX微控制器上植入μCOS系統，采用預定義的方式，實現一種多層次、可移植性強的預定義UI交互。
1 電能計量終端系統簡介
為實現配電自動化，需要使用電能計量終端來對多種電源的接入進行監控，包括直流電和單相、三相交流電。圖1為電能計量終端的硬件系統結構框圖。它以S3C44BOX微控制器為核心，配有通信電路、LCD顯示電路、按鍵、RS 232和RS 485通信接口以及直流電和單相、三相交流電測量電路。
電能計量終端除了具有普通智能儀表所具有的測量功能、數據處理功能和通信功能外，還為用戶提供了友好的UI。通過UI交互，用戶可靈活地切換和查看以下信息：供電電流、供電電壓、累計供電量、有功功率、停電時間／來電時間、交流負載的總功率因數、缺相告警及
電壓值超標告警等。另外，還設有掉電保護和防雷功能。
2 UI交互電路
圖2為電能計量終端的UI交互電路框圖，電路中有1個128×64點陣的LCD顯示器(QC12864B)和6個按鍵。LCD顯示器每行能顯示16個英文或8個中文符號，共4行。微控制器通過IO來控制LCD的顯示。因為LCD外部接口信號需要5 V的驅動電平，而微控制器的IO管腳輸出只有3．3 V，不能直接控制，在此使用74LVx245電平轉換芯片來驅動LCD。6個按鍵分別為上(up)、下(down)、左(left)、右(right)、確定(enter)和取消(esc)鍵，微控制器通過掃描按鍵IO，可得到各個鍵值。為節省中斷開銷，6個按鍵通過與門連接到微控制器的同一個外部中斷上。利用這6個按鍵，用戶可以在菜單窗口和監控界面之間隨意切換。
3 預定義UI交互設計
UI的設計目標是實現中文窗口界面，用戶可以在菜單方式下進行交互。窗口分為2類：對話框和菜單，也包括兩者的混合。對話框用于參數的輸入輸出顯示；菜單用于響應用戶的選擇，根據用戶的選擇運行程序。預定義的UI。簡單的說，就是預定義一個菜單數組，由程序解析菜單定義形式。改變菜單數組中對應項的內容，就能設定菜單顯示的坐標、尺寸和內容等等性能參數，而無需修改解析函數，因此具有很高的可移植性。
3．1 操作界面
根據電能計量終端的監控內容，設計菜單窗口和各菜單項對應的監控界面。設備上電后，將顯示版本號，接著進入菜單窗口。菜單窗口有4行，其中前2行顯示菜單項，后2行顯示實時時間。菜單項共有4個，分別為交流電(包括市電和油電)、風電和光電參數。通過上下按鍵在主窗口的前兩行進行菜單項切換。菜單窗口設計如圖3所示。
在選擇的菜單項上點擊enter鍵進入該菜單項對應的監控界面，監控內容分屏顯示。交流電子菜單分7屏來顯示交流電接入類型(市電／油電)、交流電壓、交流電量、有功功率、市電／油電停電時間、市電／油電來電時間、功率因數等，圖4(a)為其中一屏；光電／風電子菜單分2屏來顯示光電／風電電壓、光電／風電電流、光電／風電電量、光電／風電功率等，圖4(b)為其中一屏。用戶可通過up，down鍵和esc鍵來切屏和返回至菜單窗口。
3．2 預定義菜單設計
μCOS是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、搶占式、支持多任務的實時操作系統，運行于沒有MMU的嵌入式微處理器上，采用可剝奪型內核進行任務調度，實時性好，小巧且移植方便，適合工業控制領域使用。在μCOS中，設置一個UI任務，完成響應用戶的鍵盤輸入、選擇菜單和根據用戶選擇的菜單執行相應操作。菜單設計成多層次形式。菜單設計采用預定義的集中描述，由程序解析菜單定義形式。可響應的按鍵集也以數組的形式在菜單數組中定義。鍵盤服務設計成中斷級任務，通過專用的消息隊列發送鍵值到UI任務，實現實時信息顯示。
預定義的菜單由3部分控制：
①菜單顯示區域坐標。用來定義菜單顯示區域左上角字符坐標(符號常量MENU_AREA_LT_X，MENU_AREA_LT_Y，)和右下角字符坐標(符號常量MENU_AREA_RB_X，MENU_AREA_RB_Y)，顯示的菜單要限制在這個區域中。
②菜單定義。設計一個結構體數組，數組中的每個結構體描述一個菜單項的各項設置，這個結構體數組稱為“菜單定義結構體數組”(Menu Deftne Structure，MDS)，在C代碼中命名為Menu_Define[]。
③當前有效菜單項指針。定義一個整型變量，稱為“菜單指針”(Menu Pointer，MP)，MP的值與MDS的數組下標相對應，指明了當前有效的菜單項。菜單定義采用枚舉類型標識，以提高代碼的可讀性。
一個預定義的菜單由若干個菜單項組成，每個菜單項可以顯示主顯示內容和副顯示內容兩部分。程序運行后，主顯示內容一旦定義則不改變，副顯示內容是可變的。如圖4(b)中，風電電壓、風電電流是主顯示內容，而其對應的電壓、電流值是副顯示內容。MDS是一個結構體數組，數組中每個元素(即每個“菜單項”)的結構如表1所示。
可響應按鍵集也是一個結構體數組，每個元素對應一個可以響應的按鍵，Key_Collection_Iterm定義如下：
部分菜單定義結構體數組成員說明：
i16uMenu_ID：菜單的標識符，如果在某菜單上發生了“RT_ACT”(執行)動作，則菜單任務根據菜單標識符執行相應的功能。
I16uAccessory_Type：副顯示值類型，指明副顯示內容的來源類型，包括常見的變量類型(char，char*，INT16U，INT16，INT32U，INT32，float，double)。
I16uResponse_Type：按鍵響應動作類型，指明對當前按鍵的響應動作，包括：當前有效菜單項改變為上臨菜單項；當前有效菜單項改變為下臨菜單項；當前有效菜單項改變為右臨菜單項；當前有效菜單項改變為左臨菜單項；當前有效菜單項改變為父菜單項；當前有效菜單項改變為子菜單項。依據當前有效菜單項ID執行相應操作，對應的枚舉類型定義如下：
3．3 預定義UI交互軟件流程
預定義的菜單設計針對的是多層次的菜單設計，可以輕松實現多層次菜單顯示。根據操作界面設計各個菜單項，即：在預定義的菜單項結構體中定義菜單項的標識符、坐標、上下臨菜單項標識符、父子菜單標識符和可響應按鍵集等等。用戶在當前有效菜單項上點擊按鍵，系統根據動作ID散轉，在可響應按鍵集中找出相應的響應動作，圖5為按鍵響應動作類型散轉流程圖。
各按鍵通過相似的響應流程完成各自不同的響應動作，這里以單個按鍵為例，對按鍵動作響應流程進行介紹。圖6是一個UI交互任務流程，完成對UP按鍵的響應動作，動作類型為RT_MOVE_UP。
系統上電后，首先對系統硬件和各變量進行初始化，屏幕顯示首屏菜單，由活動表示符指明當前活動菜單項。當UP按鍵按下，進入鍵盤中斷，隨即向μCOS中發送按鍵消息隊列，執行UI任務，在UI任務中將中斷掛起，而后運行鍵盤掃描代碼，判斷出鍵值UP。此時，UI任務將根據當前活動菜單標識符執行RT_MOVE_UP功能。首先判斷菜單顯示區域內的當前活動菜單項標識符(CAID)是否等于它的上臨菜單(CAID．上臨ID)，如果相等，不做任何操作；如果不等，再判斷CAID是否為當前菜單顯示區域內正在顯示的最頂端的菜單項標識符(TMID)。如果CAID=TM ID，那么CAID=TMID=CAID．上臨ID，調用顯示菜單函數，顯示此屏幕的上一屏菜單；如果CAID不是TMID，則CAID=CAID．上臨ID，調用顯示菜單函數，活動表示符指向CAID．上臨ID。
3．4 UI交互設計實物圖
UI交互設計實物圖如圖7所示。
4 結語
UI的廣泛應用是當今計算機發展的重大成就之一，它強調的是計算機對于人的反饋交互作用。嵌入式UI具有下面幾個方面的基本要求，輕型、占用資源少，高性能、高可靠性，便于移植、可配置。本項目設計的UI是基于預定義的文本菜單，具有菜單設計靈活、占用資源少的優點，同時支持多層次菜單，菜單功能豐富，適用于大量的中等規模的嵌入式系統應用。