专利名称：具有设备控制桥接器的人机接口系统及其设计操作方法
技术领域：
本发明涉及一种人机接口系统及设计方法，特别涉及一种具有设备控制桥接器的人机接口系统及设计方法。
背景技术：
人机接口一般指介于使用者与计算机之间实现沟通与互动的硬件以及软件，目的在于使得计算机系统的使用者能够方便且有效率地操作计算机以达成双向的互动，完成所希望借助计算机完成的工作，其涵盖的范围包括键盘、鼠标、数字板等数据输入装置，显示屏幕、发声设备等输出装置。
传统人机接口产品的系统设计架构，通常是在一个嵌入式的硬件平台上整合各式的硬件通信接口如USB、RS-232、RS-422、RS-485、CAN BUS或是Ether Net等。在此系统上的主要中央处理单元(CPU)承担了所有人机接口运作所需的工作，包括画面处理、计算、输出输入装置控制以及通信控制等工作。在使用者对画面的精致度要求日益提高的情况下，又需要同时兼顾通信的实时性(Real Time)问题，这对于一个中低价位的中央处理器功能而言，是无法兼得的要求。
另一个人机接口产品设计的课题就是如何尽量做到与各家设备制造厂兼容的通信协议，这牵涉到一个人机接口产品可能在客户的要求下，随时面临变更软硬件架构的设计难题。
在晶圆生产技术不断创新的情况下，微处理器已渐渐将各种周边装置的控制器接口电路整合到微处理器的架构内，其以一个微处理器的核心为主体来负责数值及逻辑运算，再整合某些特定的控制器单元，如内存控制器、快取(Cache)控制器、计时(Timer)控制器、通信控制器(如..SPI、USB、UART等)...，这就是称为SOC(System OnChip)的微处理器架构。
现今新一代的人机接口(Human Machine Interface，以下简称HMI)系统设计，也因此由以往以简单的单芯片或微处理器结合所需要的周边控制芯片布局为主的设计方式，渐渐改为由采用SOC为核心的方式来设计。这将有助于提升系统总线速度，简化系统设计的复杂度，并且也降低了周边控制器的零件数量及成本。SOC在市场上的出现，对人机产品而言是一个新的革命。
然而，就目前市面上的低价位的人机产品硬件架构看来，都是由一个微处理器来负责整个人机系统运作的控制。不论是在多任务或单任务的操作系统下，微处理器的资源分配都显得捉襟见肘。尤其在工业控制环境中，实时性的问题长久以来一直被讨论。因此，如何设计出一个低成本且能达到高效能的HMI产品，是一直被市场所期待的。
目前以一般HMI产品而言，为了在设计成本上取得平衡点，通常以牺牲绘图速度或画面精致度为优先考虑。但在未来HMI产品的趋势中，高画质高分辨率的LCD将会成为主流。尽管下一代的微处理器可能内建绘图加速器，但在应用上仍将以消费性产品为主。若在人机产品上采用以消费性产品为主的微处理器平台，以人机产品的应用特性而言，依然没有增加任何优势，因为微处理器不可能随时分享出足够的效能来处理比较复杂的实时性通信协议运算。因此，这类普遍的人机产品遇到较复杂的实时性通信协议时，都势必只有采用外挂的硬件协议处理模块一途。
另一个考虑的观点是，利用SOC本身内建的通信控制器时，控制的软件与HMI的软件合为一体，因此无法独立运作。当HMI变更了连接的设备端装置时，也必需同时变更HMI与它之间配套的通信协议。而且，对于人机产品的软件开发工作而言，也必需针对不同装置不断地增加新的通信协议及更新版本，这对人机制造厂及客户而言都是困扰。
图1是传统的基本人机接口的硬件架构，其利用一个微处理器100A来控制所有人机接口的工作，包括微处理器芯片10A、LCD模块20A、内存IC 30A、使用者输入装置(包含触控面板40A及数字键盘42A)和通信端口50A。其中微处理器芯片10A内可包含微处理器100A、显示控制器102A、GPIO控制器104A、通用异步收发器(UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)控制器106A及CAN总线控制器108A。其中内存IC 30A为储存执行程序及数据的内存区块(如Flash ROM、SDRAM及SRAM...等)，该UART控制器106A用以延伸出具有RS-232、RS-422及RS-485...等通信功能的电路控制模块。
图2是传统的人机接口的软件操作模式。在一般的人机画面设计方式中，画面设计者需要在设计之初即决定好目的端设备，因为这个参数在每一个之后加入的画面组件当中，都需要被指定对应到那一个控制器的那一个设备端点。因此设计者在规划画面组件与目的端设备的对映关系时，要同时考虑画面组件、目的端设备及通信协议。这种作法的不便之处在于，以目的端设备描述方式直接对映的方法，在一旦需要修改使用不同的目的端设备时，将显得十分不方便，而且将会有大量且重复的修改动作需要被处理。
而且，在设计画面的同时，使用者需要依据每一个装置不同的特性来规划组件，所以使用者可能无法同时兼顾或思考将来如果需要替换不同的目的端设备时，某些组件是否有特殊的考虑。因此，目前的人机接口产品的设计方式都面临了更换目的端设备时，画面也需要重新设计的困扰。
图3是一般人机接口的软件操作流程图。人机画面设计者在设计人机画面时(步骤S100)，首先需要考虑所述人机将连接的控制器的厂牌及特性，以决定人机与控制器之间的通信协议(步骤S102)。然后依照各种不同的控制器去选择组件(步骤S106)，设定画面中每一个组件的属性(步骤S108)，及设置组件对映装置的地址、数据型态(步骤S110)。如果人机画面设计者在设计中或设计之后，被要求更改控制器厂牌或型号(步骤S104)，此时必需依照新的控制器重新更新每一个画面组件的属性。步骤S112检查是否完成所有组件，如果画面有一千个组件，就需要重新更正一千个组件设定。然后再进行画面数据与通信协议的编译与连接(步骤S114)及下载至人机接口(步骤S116)步骤。这种设计方式是单线式的工作流程，中途无法临时更新设计，一旦变更了(目的)控制器的规格，就会面临重头再来的困扰。
由以上可知，目前的人机产品，不管在硬件及软件的设计架构上，都不够灵活及不具有模块化的优点。因此，需要一个低成本的硬件平台且又可使产品在软硬件设计上，将人机操作接口模块及通信转换模块设计为各自独立的架构，如能使用两个独立的处理器分别处理各自的工作，从而实现以低成本设计出高效能的人机接口的目的，使制造厂及客户得到双赢。
发明内容
因此，本发明的一个目的是，在设计上采取模块化的架构，只需为人机操作接口模块与通信转换模块之间的通信定出一个方法，所述方法由开发公司自订且不需要依循任何特殊的标准，从而使得所有多样、复杂及需要实时性要求的通信工作，都可移到通信转换模块上运行。如此一来，系统可以一分为二，彼此没有相依性；任一方随时可以进行独立的设计升级(update)。这样的架构，对客户及生产者而言，都可以大大降低更新系统的负担。
本发明的另一个目的是将需要经常为客户进行变更设计而客制化的通信功能部份(包括软件及硬件部份)独立出来成为一个模块，而将目前的人机接口产品分成两个部份，即(1)人机操作接口模块及(2)通信转换模块，从而有利于产品快速地变型，以符合各种不同的需要。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有设备控制桥接器的人机接口系统，主要包括输出输入操作接口模块，其由一个第一微处理器构成主要电路，以处理信号的输出输入动作。该输出输入操作接口模块具有利用按键键盘、触控面板或是鼠标(指针器)等输入装置进行操作的输入方式，以及以LCD、CRT或任何显示或打印设备为输出装置。该输出输入操作接口模块还具有扩充的总线接口，可以与后述的通信控制模块相连接，从而实现信号互相传递的目的。
设备控制桥接器(Device Bridge)，其由一个第二微处理器构成主要电路，以处理与各种装置的通信协议及信号的转换，并内含有独立的程序运行内存或与上述输出输入操作接口模块共同存取的程序或数据存储器。该设备控制桥接器还具有总线接口，可以与前述的输出输入操作接口模块相连接，从而实现信号互相传递的目的。
为了实现上述目的，本发明提供一种具有设备控制桥接器的人机接口系统操作方法，主要包括下列特点输出输入操作接口模块的程序独立运作，所有控制器装置的状态是通过读取通信控制模块上的共享内存(例如双端口内存)而获得，不需要通过与控制器装置利用特殊的通信协议沟通而取得。
设备控制桥接器的程序独立运作，利用特殊的通信协议与控制器装置进行通信，并将状态同时反映在控制器装置及设备控制桥接器内部的内存，形成高速缓存的功能。
设备控制桥接器可以直接通过使用者上载更新的设备地址转换表来直接修正控制器装置的厂牌及机型，而无需修正任何输出输入操作接口模块上的人机接口画面设计文件。
输出输入操作接口模块的软件可以直接控制设备控制桥接器的处理器是否运作或中止。输出输入操作接口模块拥有整个人机接口系统的控制权。
输出输入操作接口模块可以将储存在本体内存中或是外部记忆卡上的数据文件，下载给设备控制桥接器为运行所需的程序。
图1为传统的基本人机接口的硬件架构；图2为传统的人机接口的软件操作模式；图3为一般人机接口的软件操作流程图；图4A、4B为本专利的硬件平台方块图；图5为根据本发明的平行式设计流程示意图；图6为本发明的流程图；图7A至7C为本发明的设备地址转换表；图8为人机操作接口画面组件处理流程。
附图中，各标号所代表的部件列表如下
现有技术10A微处理器芯片 20A LCD模块30A内存IC 40A触控面板42A数字键盘 50A通信端口100A微处理器 102A显示控制器104A GPIO控制器 106A UART控制器108A CAN总线控制器本发明10微处理器芯片20 LCD模块30内存IC 40触控面板42数字键盘50通信端口100微处理器 102显示控制器104 GPIO控制器106 UART控制器108 CAN总线控制器60设备控制桥接器 600第二微处理器602 UART控制器604双端口RAM606 SRAM 608、610主存储器总线620内部总线 630收发器具体实施方式
参见图4A、4B，本发明的硬件平台将人机操作接口电路与设备端的通信功能独立出来，独立出来的设备端通信功能电路部份被称为设备控制桥接器60。该设备控制桥接器60具有一个独立作业的微处理器，其负责处理与设备端的通信以获取或控制(设定)设备端装置的状态。参见图4A、4B，该设备控制桥接器60具有第二微处理器(MCU)600，UART控制器(或是CAN控制器)602，双端口随机存取内存(简称双端 RAM)604，静态随机存取内存(SRAM)606，主存储器总线608、610，收发器630及内部总线620。该具有设备控制桥接器的人机操作接口系统的操作方式如下人机操作接口的主要微处理器10在系统开始运作时，通过系统总线将设备控制桥接器60的微处理器600所需的程序代码(Program)及通信协议转译表(Protocol translator)存入设备控制桥接器中的SRAM 606，然后通过GPIO 104的控制来通知设备控制桥接器60开始运作。
当设备控制桥接器60自行处理完成一个通信周期(CommunicationCycle)后，会将设备端的状态写入位于设备控制桥接器60中的双端口RAM 604(或是一般记忆装置)中，并可利用如中断的方式通知主系统。在任何一个时间点，主系统的微处理器可以将设备端装置的状态写入此双端口RAM 604，并通过设备控制桥接器60的通信处理来传递给设备端。另一方面也可以在此取回设备端装置的状态，而不必由主系统的微处理器100来处理有关通信的任何工作。
图5是根据本发明的具有设备控制桥接器的人机操作接口系统的平行式设计流程示意图，其由以往所采用的单线式的设计流程，改为采用平行式的设计方式。依据本平行式设计流程，画面组件与目的端设备无直接关系，所以画面的设计者可以只依照由系统分析师提供的组件表控制编号依序规划好各个组件，由人机画面编辑程序编译产生出画面文件。另一方面，在实际设置目的端设备位置时，可以由另一位设计者依据对映地址的规划表，连接目的端设备通信协议，通过软件产生出设备控制桥接器60的执行程序代码及设备地址转换表(Device address Transfer Table)。画面档可以与设备控制桥接器60的执行程序代码及设备地址转换表同时连接后一同下载至人机接口，再由人机接口程序传送给设备控制桥接器60执行。或是将画面档及设备控制桥接器60的执行程序代码及设备地址转换表分别下载给人机接口及设备控制桥接器60，如此也可以达到相同的目的。
图6为本发明的具有设备控制桥接器的人机操作接口系统的平行式设计流程流程图，包含下列步骤在开始后(步骤S200)，判断是否要编辑画面(步骤S210)，若是，则选择画面组件(步骤S240)和设置组件属性(步骤S242)、以及设置组件对应存取设备控制桥接器60的地址(步骤S244)。接着判断是否完成所有组件(步骤S244)，若否，则回到步骤S240，若是，则产生画面档(步骤S248)及判断是否进行修改作业(步骤S250)。
在步骤S210，若不编辑画面，则进行下列步骤以修改设备地址转换表。编辑设备控制桥接器内部存取地址对应的设备端地址(步骤S220)，连接设备通信协议驱动程序(步骤S222)，及产生设备控制桥接器的执行程序代码(步骤S224)。步骤S226判断是否进行修改作业，若要进行则将设备控制桥接器的执行程序代码下载至设备控制桥接器60，若否则合并画面档及设备控制桥接器执行码(步骤S228)，并将合并结果下载至人机接口(步骤S232)。在上述判断是否进行修改作业的步骤中(步骤S250)，若是则进行步骤S232下载合并结果至人机接口，若否则进行步骤S228合并画面档及设备控制桥接器执行码，最后完成(步骤S260)。
图7A至7C为本发明的设备地址转换表。画面文件中记录每一个组件的属性、数据型态及对映设备控制桥接器60的直接存取地址，而不是指向目的设备端的任何一个装置地址。而设备控制桥接器60是通过设备地址转换表找到对映目的设备端与设备控制桥接器60内部存储器存取的地址。
图8为人机操作接口画面组件处理流程，包含下列步骤在新页面开始后(步骤S300)，即进入初始画面状态(步骤S302)，并与设备控制桥接器交换快取数据(步骤S304)，将交换数据存入人机接口的内部暂存区(步骤S306)，并处理画面组件状态转换(步骤S308)，检视是否已经完成画面所有组件(步骤S310)，若否则绘制出组件状态图(步骤S312)，若是则启动定时器(步骤S314)。在等待使用者输入后(步骤S316)，判断是否要改变组件状态(步骤S318)，若是则回到步骤S304，若否则判断是否换页(步骤S322)，若不要换页，则回到步骤S320，若要换页则结束流程(步骤S330)。
综上所述，本发明具有以下优点1、利用本发明架构设计的人机接口产品，能够快速变型，从而达到符合市场需求的要求。
2、可同时提高人机接口产品在处理图形及通信上的性能。
3、不需要为了提高系统效能而选用昂贵的高阶处理器。
4、在进行人机操作接口的画面设计的同时，不需特别考虑控制器装置。
5、人机接口的画面设计被拆开成两个平行设计的步骤，使彼此没有直接数据的相依性。增加了设计画面的可移植性及重复利用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利范围，凡是在本发明特征范围内所作的其它等效变化或修饰，均应包括在本发明的专利范围内。
权利要求
1.一种具有设备控制桥接器的人机接口系统，包含主系统，具有第一微处理器；设备控制桥接器，具有第二微处理器且通过总线连接到所述主系统，及通过设备通信端口连接到设备端，其中所述设备控制桥接器具有处理与所述设备端的通信的功能，并将设备端状态回复至所述主系统。
2.如权利要求1所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统，其中所述设备控制桥接器具有UART控制器。
3.如权利要求1所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统，其中所述设备控制桥接器具有CAN控制器。
4.如权利要求1所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统，其中所述设备控制桥接器具有双端口RAM。
5.如权利要求1所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统，其中所述设备控制桥接器通过收发器连接到设备通信端。
6.如权利要求1所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统，其中所述主系统具有GPIO控制器，且通过所述GPIO控制器通知所述设备控制桥接器开始运作。
7.如权利要求1所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统，其中还具有LCD模块。
8.如权利要求1所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统，其中还具有输入单元。
9.如权利要求8所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统，其中所述输入单元为触控板。
10.如权利要求8所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统，其中所述输入单元为键盘。
11.一种具有设备控制桥接器的人机接口系统设计方法，所述人机接口系统包括主系统，其具有第一微处理器；设备控制桥接器，其具有第二微处理器且分别连接到所述主系统及设备端，所述设计方法包含下列步骤a、设计画面组件；b、以平行方式设计设备地址转换表；c、合并画面组件与设备地址转换表。
12.如权利要求11所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统设计方法，其中通过合并软件对所述画面组件与所述设备地址转换表进行合并。
13.如权利要求11所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统设计方法，其中所述设计设备地址转换表步骤还包含编辑设备控制桥接器内部存取地址对应的设备端地址；连接设备通信协议驱动程序；及产生设备控制桥接器的执行程序代码。
14.一种具有设备控制桥接器的人机接口系统操作方法，所述人机接口系统包括主系统，其具有第一微处理器；设备控制桥接器，其具有第二微处理器且分别连接到所述主系统及设备端，所述操作方法包含下列步骤所述主系统将所述设备控制桥接器所需的程序代码及通信协议转译表存入所述设备控制桥接器中的内部存储器中；所述设备控制桥接器将设备端装置的状态写入所述内部存储器中；及所述主系统读取所述内部存储器以获得所述设备端装置的状态。
15.如权利要求14所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统操作方法，其中所述主系统通过GPIO的控制来通知设备控制桥接器开始运作。
16.如权利要求14所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统操作方法，其中所述设备控制桥接器自行处理完成一个通信的周期后，会将设备端的状态写入所述内部存储器中。
17.如权利要求16所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统操作方法，其中所述设备控制桥接器利用中断的方式通知所述主系统。
18.如权利要求16所述的具有设备控制桥接器的人机接口系统操作方法，其中所述内部存储器为双端口RAM。
全文摘要
一种具有设备控制桥接器的人机接口系统及其设计操作方法，该人机接口系统具有主系统及设备控制桥接器。该主系统具有第一微处理器；该设备控制桥接器具有第二微处理器且通过总线连接到该主系统，及通过设备通信端口连接到设备端，其中该设备控制桥接器具有处理与设备端通信的功能，并将设备端状态回复主系统。在设计时，采取平行方式分别设计画面组件及设备地址转换表，再将画面组件与设备地址转换表合并。在操作时，该设备控制桥接器将设备端装置的状态写入内部存储器中；且该主系统读取该内部存储器以获得设备端装置的状态。
文档编号G06F3/01GK101082835SQ200610083478
公开日2007年12月5日 申请日期2006年5月30日 优先权日2006年5月30日
发明者孙裕峰 申请人:台达电子工业股份有限公司