作者：李培棟，郭勇，謝興紅

醫用數據采集系統能夠為醫務人員及時有效的提供患者的第一手數據，有助于加強醫院的現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。在設備的日常使用中，良好的人機接口設計，也將為設備使用人員節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液晶作為系統的顯示設備，而用觸摸屏和手柄控制器作為系統的控制設備，介紹了其人機接口的設計方法。

1 系統硬件設計

系統人機接口主要包括TFT液晶、觸摸屏和手柄控制器，其結構框圖如圖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。觸摸屏采用模數轉換芯片ADS7843對觸摸屏的數據進行采樣，再對其采樣的輸出值經過校準程序，即可以得到其觸摸屏的物理坐標。手柄控制器采用Modbus協議，并通過串口對核心板進行控制。

1.1 控制單元

本系統的控制單元可采用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。此外，芯片內部還固化有驅動庫，能較好的滿足系統需求。

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。該模塊可以實現顯示畫面的180度任意旋轉使用，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公司生產的4線電阻觸摸屏轉換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數轉換器。ADS7843具有兩個輔助輸入（IN3、IN4），可設置為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轉換器，同時打開Y+和Y-驅動，然后再數字化X+的電壓，從而得到當前Y位置的測量結果，同理，也可以得到X坐標的邏輯坐標。當得到X、Y的邏輯坐標后，通過SPI接口將數據傳送給LM3S3748進行數據處理。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協議進行通信。其RS232串口通信電路如圖4所示。

2 系統軟件設計

2.1 觸摸屏軟件設計

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位轉換模式的選擇。本設計采用差分基準模式和12位轉換模式，即：

WriteCharTo7843（0xD0）；∥送控制字10010000，

即用差分方式+12位轉換模式，讀X坐標；

……

WriteCharTo7843（0x90）；∥送控制字11010000，

即用差分方式+12位轉換模式，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變為低電平輸出，每當CPU檢測到這個引腳的下降沿時，系統進入中斷讀取坐標。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組，并且對這兩個數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值，并將中間值作為基準，余下數值與基準值進行求差的絕對值運算。設計中可設定一個閥值（此閥值可根據實驗設置為5），如果絕對值大于閥值，則拋棄此值，最后將剩余數值求和平均，并將其作為最終邏輯坐標值。這就是流程圖中“數據處理”所完成的功能。

系統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，就可以實現邏輯坐標與物理坐標的轉換。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組Set_x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組Read_X存儲。最后求出邏輯坐標與物理坐標的比例系數：

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

K2=（Read_X-Read_X）／Set_X-Set_x）；

KX=（K1+K2）／2； ∥對兩次運算的值求平均得到最終的X比例系數

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

X=（ReadX-Read_X）／KX+Set_X；

同理，也可求出Y軸的物理坐標。

2.2 Modbus通信協議

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

Modbus協議有ASCII和RTU兩種傳輸模式，但在同一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。本設計采用RTU模式，即在消息中的每8 Bit字節都包含兩個4 Bit的十六進制字符，因而在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數據。RTU模式的消息結構如圖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消息幀的結構并通過串口發送給核心板。核心板接收到手柄控制器發送的信息后，首先進行CRC校驗，校驗正確后，核心板將根據鍵碼進行相應操作，并且回應手柄控制器，若CRC校驗出錯，則核心板回應手柄控制器錯誤信息，從而完成一次通信后，系統便等待下一次通信。

3 結束語

本文所設計的人機接口通過實際使用證明其通訊穩定可靠，操作簡單方便，完全可以滿足醫用數據采集系統的要求。并且該設計具有很強的移植性，可以根據使用系統的復雜性進行完善。因而具有相當廣泛的使用范圍。

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