CN102156410A - 智能人机交互设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能人机交互设备，该智能人机交互设备包括核心控制单元、操作输入单元、指示输出单元、用于与其他终端进行互联的通信接口单元以及用于辅助功能的可编程外设单元，操作输入单元包括至少两种操作输入终端，指示输出单元包括至少两种图形显示终端，可编程外设单元采用模块化封装设计，包括模拟类外设和数字类外设，根据不同场合灵活配置使用不同外设。本发明的优点是体积小，具有功能完整性、可编程性、外设模块化、功能“虚拟化”的优点，且能够拓展至诸多层面，使得人机交互过程更加智能化、人性化，也提高了操作人员的工作效率，降低了操作人员的工作风险。

Description

智能人机交互设备

技术领域

本发明涉及电力电子、仪器仪表、家用电器、工控设备及科学仪器等领域，特别涉及一种智能人机交互设备。

背景技术

任何完整的机器设备应包括人机交互设备和控制器（或测量测试设备）两部分，然而在现有的实际应用中，控制器和人机交互设备分属不同的独立设备，其之间需要通过电缆等工业设备进行互联，并且需要分开独立完成其程序的设计及其功能的配置，因此对现场的布线工艺和开发人员的技术能力都需要很高的要求，此外控制器和人机交互设备是具有相互独立的外壳封装及外部总线，若要实现控制器功能和人机交互设备功能的整合，则需要组合大量的独立模块，其体积庞大，成本较高，且工业现场的干扰抑制难度也无形加大。并且现有的应用于某一种类型设备上的控制器，基本上很难应用到其他类型的设备上，其扩展性和适用性非常差，而现有的人机交互设备基本上都是单通道的人机交互，其主要局限在“键盘+液晶”方式或者“触摸屏+TFT”方式实现人机交互，即现有的人机交互设备的应用层面比较单一，无法发挥操作人员的最大工作效率，从而增加了操作人员的疲劳度，甚至产生危险的可能性。因此，一种体积小、扩展性及整合性强、包括多操作输入终端及多图形显示终端的集控制器和人机交互设备于一体的智能人机交互设备亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、扩展性及整合性强、包括多操作输入终端及多图形显示终端的集控制器和人机交互设备于一体的智能人机交互设备。

本发明提供的这种智能人机交互设备，包括核心控制单元、操作输入单元、指示输出单元、用于与其他终端进行互联的通信接口单元以及用于数据采集、模拟信号输出、脉宽调制信号输出、IO操作、实时时钟辅助功能的可编程外设单元，操作者指令经所述操作输入单元识别运算后输送给所述核心控制单元，所述核心控制单元将系统运行功能结果输送给所述指示输出单元，所述指示输出单元将所述系统运行功能结果指示给操作者，所述操作输入单元包括至少两种操作输入终端，所述指示输出单元包括至少两种图形显示终端，所述可编程外设单元采用模块化封装设计，包括模拟类外设和数字类外设，根据不同场合灵活配置使用不同外设。

该智能人机交互设备采用外部工业网络总线和内部I²C总线的构架设计。所述核心控制单元中的核心控制器采用Atmel公司的ARM9芯片AT91SAM9261S。所述可编程外设单元中的主控芯片采用C8051F330。所述操作输入单元中的主控芯片采用C8051F340。所述指示输出单元中的核心控制器采用Cortex-M3核的32位高端MCU处理器STM32F103ZET6。所述通信接口单元包括RS232、RS484、USB及以太网通信接口。

本发明的优点是体积小，且其包含独特的丰富的模块化封装的可编程外设，能根据不同场合配置使用不同外设，使得该单一装置能完成全套控制及测试测量工作，从而使得本发明具有功能完整性、可编程性、外设模块化、功能“虚拟化”的优点；且由于其还包括多个操作输入终端及多个图形显示终端，从而使得本发明能够拓展至诸多层面，使得人机交互过程更加智能化、人性化，也提高了操作人员的工作效率，降低了操作人员的工作风险；并且由于本发明是采用基于外部工业网络总线和内部I²C总线的构架设计，因此其具有集成化、可互换性等优点。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明中核心控制单元的原理框图。

图3为本发明中可编程外设单元的原理框图。

图4为本发明中通信接口单元的原理框图。

图5为本发明中操作输入单元的原理框图。

图6为本发明中指示输出单元的原理框图。

图7为本发明中核心控制单元的电路图。

图8为本发明中可编程外设单元中的PWM控制输出模块的电路图。

图9为本发明中可编程外设单元中的8通道ADC转换模块的电路图。

图10为本发明中通信接口单元的电路图。

图11为本发明中操作输入单元的电路图。

图12为本发明中指示输出单元的电路图。

具体实施方式

图1为本发明的原理框图，包括核心控制单元、通信接口单元、操作输入单元、指示输出单元以及模块化封装的可编程外设单元，其中核心控制单元是本发明的控制和事务处理核心，其根据系统预先设定功能协调通信接口单元、操作输入单元、指示输出单元及可编程外设单元统一工作，通信接口单元用于将本发明与其他终端进行互联通信，实现设备间的动态组网，以实现资源的共享和联动控制，或者实现与其他终端控制装置（如PLC、控制器、计算机等）的互联通信，以交互编程信息、控制信息、状态信息、执行指令信息等，从而实现固件更新、系统功能编程，多方联动组网以及远程控制等功能；可编程外设单元用于数据采集、模拟信号输出、脉宽调制信号输出、IO操作、实时时钟等辅助功能，操作者指令经操作输入单元识别运算后输送给核心控制单元，核心控制单元将系统运行功能结果输送给指示输出单元，指示输出单元将所述系统运行功能结果指示给操作者。本发明中操作输入单元中的操作输入终端包括键盘输入接口、矩阵按键输入接口以及触摸屏输入接口，指示输出单元中的图形显示终端包括LED段码管、文本液晶以及TFT真彩液晶，所述可编程外设单元采用模块化封装设计，包括模拟类外设和数字类外设，其中模拟类外设包括数模转换器（DAC）、脉宽调制输出（PWM）、模数转换器（ADC）、比较器(Comparator)，而数字类外设包括输入输出模块（IO Module）、定时/计数器(Timer/Counter)、实时时钟（RTC），本发明根据不同场合灵活配置使用不同外设。

图2为本发明中核心控制单元的原理框图，包括核心控制器、存储器、并行总线接口、I²C总线和电源模块5个部分，其中核心控制器是核心控制单元（CCU）的核心处理器，也是本发明最为核心的控制以及事物处理模块；图中的存储器包含两类，一类是采用并行接口总线的FLASH和RAM，一类是采用SPI总线的可拔插式存储器SD卡，后者主要用于本发明系统运行过程中数据（如档案文件或者配料单）的存储和备份，前者不仅包含数据储存和备份功能，还包含系统运行程序、可编程外设（PPU）配置程序（配置文件）的存储功能；并行总线接口由FPGA实现，主要完成逻辑功能的转化和特定时序信号的实现，该并行总线接口与通信接口单元（CIU）相连，使得本发明附加各种通信接口功能；电源模块将外部输入单一的电源变换成为该单元所需的不同参数的供电电源，以为本单元内各个模块供电。核心控制单元的具体功能包括如下几个方面：（1）根据系统预先设定功能协调其他四个单元（即核心控制单元、可编程外设单元、通信接口单元、操作输入单元、指示输出单元）统一工作；（2）通过通信接口单元（CIU）与其他终端进行互联通信，且其该通信接口单元（CIU）于其他终端装置（如PLC、控制器、计算机等）实现互联通信，交互编程信息、控制信息、状态信息、执行指令信息等，实现固件更新、系统功能编程，多方联动组网以及远程控制等功能；（3）捕获操作输入单元（OIU）的操作指令，控制系统按照指令执行；（4）控制指示输出单元（IOU），将系统运行状态和操作输入单元（OIU）的指令执行结果指示给操作者（Operator）；（5）根据系统预先设定信息（即编程信息）对可编程外设单元(PPU)的各项参数进行配置；（6）系统运行过程中，控制可编程外设单元(PPU)的运行状态、读取可编程外设单元(PPU)的运行状态和执行结果；（7）通过并行总线接口读写FLASH和RAM存储器，通过SPI接口读写SD卡。

图3为本发明中可编程外设单元的原理框图，包括核心控制器、外设模块、输入输出隔离保护模块、I²C总线接口以及电源模块5部分，其中核心控制器是可编程外设单元（PPU）的运算和控制核心，通过I²C总线接口接收核心控制单元（CCU）的控制指令控制外设模块完成相关控制功能；外设模块主要是由完成相关外设功能的芯片组成（例如AD转换芯片）；输入输出隔离保护模块是针对工业现场等强干扰环境，起到保护外设模块、隔离强弱电信号和提高系统抗干扰能力等作用；电源模块将外部输入的单一电源变换成单元所需不同参数的供电电源，以提供给单元内的各个模块。核心控制单元（CCU）、可编程外设单元(PPU)、通信接口单元（CIU）、操作输入单元（OIU）、指示输出单元（IOU）

图4为本发明中通信接口单元的原理框图，包括电源模块、并行互联接口、通信控制器和通信接口模块四个部分，其中通信接口模块包括USB-SLAVE、USB-HOST、RS232、RS485、RJ45网络接口和工业CAN总线6种通信接口，其中通信控制器完成并行互联接口与通信接口模块之间的电气特性以及通信协议的转换；并行互连接口与核心控制单元（CCU）形成互联；通信接口模块包含上述六种通信接口电气特性，可通过相对应的通信电联与其他的终端互联形成联动；电源模块将外部输入单一的电源变换成单元所需的不同参数的供电电源，提供给单元内的各模块。

图5为本发明中操作输入单元的原理框图，包括核心控制器，IO保护电路、驱动接口、I²C总线接口、操作输入终端和电源模块6个部分，其中核心控制器是操作输入单元（OIU）的运算和控制中心，其接收来自操作输入终端的控制指令并对操作指令进行编码，编码后的指令通过I²C总线接口传送给核心控制单元（CCU）进行处理；IO口保护电路，起到保护核心控制器IO口的作用，包括高低电压钳位和静电保护，达到IO口ESD和抑制高压脉冲冲击的作用；驱动接口产生相对应的时序逻辑信号、控制信号、数据总线信号等以用于驱动输入设备，捕获操作者输入的操作指令；操作输入终端包括键盘输入接口、矩阵按键输入接口和触摸屏输入接口；电源模块将外部输入的单一电源变换成单元所需的不同参数的供电电源，以提供给单元内的各模块。

图6为本发明中指示输出单元的原理框图，包括核心控制器、IO口保护电路、图形总线驱动器、图形显示终端、I²C总线接口以及电源模块6部分，其中核心控制器是指示输出单元（IOU）的控制和运算核心，其负责通过I²C总线接口接收来自核心控制单元（CCU）的显示命令，利用内部软件解码器解码获得详细显示（指示）信息，经IO保护电路，再应用图形总线驱动器驱动图形显示终端显示相关指示内容；IO口保护电路起到保护核心控制器IO口的作用，包括高低电压钳位和静电保护，达到IO口ESD和抑制高压脉冲冲击的作用；图形总线驱动器产生相对应的时序逻辑信号、控制信号、数据总线信号等用于驱动图形显示终端；电源模块将外部输入的单一电源变换为单元所需的不同参数的供电电源，以提供给单元内的各模块。本发明中的图形显示终端包括LED段码管、文本液晶和TFT真彩液晶三类。

图7为本发明中核心控制单元的电路图，图中U1为本发明的核心控制器，U7、U9、U10、U11组成电源模块，U2、U3、U4、U12、U13组成存储模块，U6、U8组成并行总线接口，U5为I²C总线接口。其中核心控制器U1采用Atmel公司的ARM9芯片AT91SAM9261S，其主频高达200MHZ，具有SPI、I²C、LCD控制器及USART等功能部件。U7是电源稳压芯片，用于为AT91SAM9261S和FPGA芯片供电，U9为电源稳压芯片，它接入5V的电源，并给AT91SAM9261S核心CPU、存储模块、并行总线模块提供3.3V的工作电压。U10是线性稳压芯片LM2576，它用于把外部12V电压转换成该系统使用的5V电压。存储模块中具体的器件有SDRAM，即图中的U2、U3，其中U2与U3是相同的两片镁光存储芯片MT48LC16M16A2GT。U2及U3均与U1相连接，它们共用一套地址总线A0~A10，具有不同的数据总线，其中U2通过数据总线D0~D15与U1相连，U3通过数据总线D16~D31与U1相连，U2、U3与U1的不同的控制IO线相连，从而实现位扩容达到大小为64MB的SDRAM。存储模块中，非易失性存储器有U4、U12及U13。其中，U4是核心控制单元的Nandflash程序存储器K9F1G08U0B，其容量为128MB。U4及U1通过U1的静态存储控制器相连，其中程序存储器Nandflash的初始化和读存操作都是通过U1的静态存储控制器来实现的，并不消耗U1的CPU资源。U12是核心控制单元的小容量存储器Dataflash，它是非易失性存储器，具有容量少，读写速度快的特点，其用来存储系统的启动代码，它与U1的连接是通过U1的SPI1接口来实现的。U13是核心控制单元中用来存储大批量数据的SD/MMC卡，它通过U1的SD接口与U1相连。U5是I²C总线接口，该接口通过两个上拉电阻与U1的TWI接口相连，用于实现核心控制单元与外界通过I²C协议进行通信。并行总线接口由U6，U8构成，U6是FPGA芯片LFXP2-17E，U6通过地址线A0~A10、数据线D0~D31与U1相连，U6输出信号为IO1~IO32、D00~DO31，通过U6实现系统中信号的处理以及数据的计算，从来加快该核心控制单元的处理能力。U8是LCD液晶屏的接口电路，该电路中包括一个5V的背光电源，其用于LCD的背光电源供应，U8与U1的连接是通过U1的LCD控制器的信号线连接，且LCD的驱动是由U1的LCD控制器所驱动的。

图8为本发明中可编程外设单元中的PWM控制输出模块的电路图，图中U4为本电路的核心控制器，U6为I²C控制总线，U1、U2组成电源输入模块，U8为系统在线调试C2接口，U3、U7组成光电隔离电路，其中核心控制器U4采用SOC型主控芯片C8051F330，其负责整个电路的信号处理以及各部件的协调工作，核心控制器U4通过U6与外部器件进行通讯，U5可实施8路PWM输出控制，U8能够对SOC型主控芯片C8051F330进行在线通讯，U3、U7保证了PWM控制信号在电气上的隔离，该电路通过U1接入9V电源，该9V电源经高精度电源稳压芯片LM2937稳压到3.3V。

图9为本发明中可编程外设单元中的8通道ADC转换模块的电路图，图中U5为本电路的核心控制器，U3为I²C控制总线，U1、U2组成电源输入模块，U7为系统在线调试C2接口，U4为ADC模数转换电路，U8-U15组成ADC驱动以及ADC输入IO口保护电路，其中核心控制器U5采用SOC型主控芯片C8051F330，其负责整个电路的信号处理以及各部件的协调工作，核心控制器U5通过U3与外部器件进行通讯，U7能够对SOC型主控芯片C8051F330进行在线通讯，U4采用TI公司的8通道高精度16位ADC芯片ADS8332，其中U8-U15为运放，在电路中用作电压跟随，用来驱动AD输入信号，同时保证AD输入口电压箝位在VCC，同时采用U1接入9V电源，该9V电源通过高精度电源稳压芯片LM2937稳压到3.3V。

图10为本发明中通信接口单元的电路图，图中U1为并行互联接口，U9为电压转换芯片，U4、U6是电平转换芯片，U2和U3构成USB总线通信单元，U5、U7构成工业以太网通信单元，并行互联接口U1与本发明中核心控制单元相连，U2是USB 总线通信控制器芯片CH375，其支持USB-HOST主机方式和USB-SLAVE设备方式，U3是USB通信接口，U4为RS232串行通信控制器MAX3232芯片，其支持RS232电平的全双工通信，U5是工业以太网控制器芯片RTL8019AL，其支持与工业以太网RJ-45通信，U6为RS485通信控制器MAX485芯片，其支持与外设CPU半双工通信，U7为串行存储芯片，其与U5配合完成工业以太网控制器的功能，U8为工业以太网RJ-45接口，电压转换电路U9将外部供电电压转换成单元模块所需的各种参数的供电电源。

图11为本发明中操作输入单元的电路图，图中U3为本电路的核心控制器, U4为I²C控制总线，U1、U2组成电源输入模块，U5为系统在线调试C2接口，U8为电阻屏模数转换电路，U9为矩阵按键输入接口，U7为独立按键输入接口，U6为触摸屏输入接口，TVS为输入保护部分，核心控制器U3采用SOC型主控芯片C8051F340，其负责整个电路的信号处理以及各部件的协调工作，SOC型主控芯片C8051F340通过U4与外部器件进行通讯，U8是一个对电阻式触摸屏具有高精度的ADC转换电路，数据转换后供U3进行处理，U9是一个4×4的矩阵按键输入口，U7是4个独立按键的输入接口，U5可对SOC型主控芯片C8051F340进行在线通讯，TVS电路对每一个输入IO口都实施了ESD保护，该电路通过U1接入9V电源，该9V电源通过高精度电源稳压芯片LM2937稳压到3.3V后再为核心电路及ADC转换电路供电。

图12为本发明中指示输出单元的电路图，图中U1为电压转换芯片，U2为本电路的核心控制器，U3是I²C总线接口，U4为LCD控制器，U5为LCD数据接口，U6为触摸屏接口，其中电压转换芯片U1将外部供电电压转换成单元模块所需的各种参数的供电电源，核心控制器U2采用Cortex-M3核的32位高端MCU处理器STM32F103ZET6，其用来驱动LCD控制器U4，U4采用RA8870，其最大可支持480*640的像素，可以驱动16位以下的任何TFT数字液晶屏，另外它自带的12位的AD用来驱动四线电阻式触摸屏。

Claims (7)

1.一种智能人机交互设备，其特征在于该智能人机交互设备包括核心控制单元、操作输入单元、指示输出单元、用于与其他终端进行互联的通信接口单元以及用于数据采集、模拟信号输出、脉宽调制信号输出、IO操作、实时时钟辅助功能的可编程外设单元，操作者指令经所述操作输入单元识别运算后输送给所述核心控制单元，所述核心控制单元将系统运行功能结果输送给所述指示输出单元，所述指示输出单元将所述系统运行功能结果指示给操作者，所述操作输入单元包括至少两种操作输入终端，所述指示输出单元包括至少两种图形显示终端，所述可编程外设单元采用模块化封装设计，包括模拟类外设和数字类外设，根据不同场合灵活配置使用不同外设。

2.根据权利要求1所述的智能人机交互设备，其特征在于该智能人机交互设备采用外部工业网络总线和内部I²C总线的构架设计。

3.根据权利要求1所述的智能人机交互设备，其特征在于所述核心控制单元中的核心控制器采用Atmel公司的ARM9芯片AT91SAM9261S。

4.根据权利要求1所述的智能人机交互设备，其特征在于所述可编程外设单元中的主控芯片采用C8051F330。

5.根据权利要求1所述的智能人机交互设备，其特征在于所述操作输入单元中的主控芯片采用C8051F340。

6.根据权利要求1所述的智能人机交互设备，其特征在于所述指示输出单元中的核心控制器采用Cortex-M3核的32位高端MCU处理器STM32F103ZET6。

7.根据权利要求1所述的智能人机交互设备，其特征在于所述通信接口单元包括RS232、RS484、USB及以太网通信接口。

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