農(nóng)機(jī)車載電子設(shè)備用戶界面框架設(shè)計

李由，付衛(wèi)強(qiáng)，包涵，孟志軍

（1.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心；3.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心；4.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化步伐的加快，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場使用到越來越多的電子設(shè)備，這些設(shè)備的顯示方式大致分為聲光信號，點(diǎn)陣式黑白屏幕，高分辨率彩色屏幕。其中以LCD 為主的點(diǎn)陣式單色屏，因具有顯示清晰，成本低廉，接口簡單，強(qiáng)光下可讀等優(yōu)點(diǎn)，在一些以監(jiān)測控制為主的車載設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。

然而在編寫其界面顯示時，由于程序可移植性差，導(dǎo)致在不同設(shè)備中需要完全重寫界面。在界面修改時牽一發(fā)而動全身，不僅拖延了設(shè)備開發(fā)周期，而且還降低了設(shè)備可靠性。彭良清等提出了基于樹形菜單結(jié)構(gòu)的通用界面的一些模型和方法[1-3]，這些方法將菜單數(shù)據(jù)和顯示函數(shù)分離開來，解決了程序可移植性差的問題，但是存在界面修改困難、函數(shù)復(fù)用性差等問題，并且受嵌入式設(shè)備屏幕大小的限制，一些功能缺少實(shí)際用途。宋曉輝等對樹形菜單結(jié)構(gòu)做了一些改進(jìn)[4]，將功能型菜單項(xiàng)和數(shù)據(jù)型菜單項(xiàng)分開，一定程度上解決了函數(shù)冗余的問題；但仍采用適應(yīng)于桌面操作系統(tǒng)的菜單操作方式導(dǎo)致其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并不能很好應(yīng)用于小屏幕的嵌入式系統(tǒng)。

因此，提出了一種新型的界面顯示框架，實(shí)現(xiàn)多種農(nóng)業(yè)裝備常見的界面應(yīng)用類型，解決了小屏幕嵌入式系統(tǒng)顯示界面移植性差問題。

1 農(nóng)機(jī)車載設(shè)備常用界面簡介

農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的電子設(shè)備通常以監(jiān)測控制為主，監(jiān)測和控制設(shè)備一般是在農(nóng)機(jī)運(yùn)行前進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，在運(yùn)行過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，在很多情況下監(jiān)測和控制是合二為一的，因此要求界面是非阻塞式的，能在各種狀態(tài)下方便的相互切換，并可以通過菜單項(xiàng)選擇實(shí)現(xiàn)一定的功能（如：啟動，停止）。農(nóng)業(yè)上常用的計量單位標(biāo)準(zhǔn)尚不統(tǒng)一，通常還需實(shí)現(xiàn)計量單位切換功能。

工業(yè)控制常用的界面分為5 種類型：菜單屏、變量屏、選擇屏、設(shè)定屏和顯示屏[5]。與之類似將界面類型分為：菜單選擇屏、靜態(tài)文本屏、動態(tài)文本屏和參數(shù)設(shè)定屏。各個類型界面的功能見表1。

基于以上界面類型，參照一般人機(jī)交互的按鍵系統(tǒng)考慮到通用性及便捷性，系統(tǒng)設(shè)計時采用7 鍵制，分別為：上、下、左、右、確定、設(shè)置、返回。

表1 界面功能分類表Table 1 The classification of interface features

以下介紹各界面的元素類型和操作分析：

菜單選擇界面主要用于自頂向下的樹狀界面操作，為界面設(shè)計中常用的類型，用戶通過此類界面進(jìn)行界面跳轉(zhuǎn)，功能設(shè)定。靜態(tài)標(biāo)簽一般為提示性文字，靜態(tài)選項(xiàng)為帶被選擇功能文字。

菜單選擇界面的一般操作為：上下鍵變更選項(xiàng)，左右鍵翻頁，確定鍵進(jìn)入下一界面，或?qū)崿F(xiàn)某一功能，返回鍵返回上一界面，設(shè)置鍵的功能一般不使用。

靜態(tài)文本界面主要用于顯示固定的內(nèi)容，一般用于信息提示，幫助文檔，版權(quán)信息的顯示，即它只包含靜態(tài)標(biāo)簽。

因?yàn)殪o態(tài)文本界面本身操作較少，所以其按鍵響應(yīng)也相對簡單，只包含滾屏和返回，操作方法與菜單選擇界面類似。

動態(tài)文本界面主要用于變量數(shù)據(jù)，運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時顯示，用戶主要通過這類界面實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)實(shí)時狀態(tài)的了解，其界面由靜態(tài)標(biāo)簽和動態(tài)標(biāo)簽組成，而動態(tài)標(biāo)簽又由固定文字，變量文字組成。

像靜態(tài)文本界面一樣動態(tài)文本界面本身并不需要太多操作，所以其按鍵響應(yīng)也相對簡單與靜態(tài)文本界面相同。

參數(shù)設(shè)定界面也是用戶界面中常用的界面，主要用于用戶對系統(tǒng)中的變量進(jìn)行設(shè)置。它包含了幾乎所有的界面常用功能，其組成如圖1 所示。這里的動態(tài)選項(xiàng)指的是既可以被選中，又會因變量和單位的改變而變化顯示內(nèi)容的選項(xiàng)。

圖1 參數(shù)設(shè)定界面組成Fig.1 The interface elements of parameter setting

參數(shù)設(shè)定界面的操作相對復(fù)雜，因其有兩種狀態(tài)，即選項(xiàng)切換和變量修改，其操作邏輯如圖2所示。

圖2 參數(shù)設(shè)定界面操作Fig.2 The operating procedures of parameter setting interface

以上分析了界面的組成和操作。在操作上采用了和目前大多數(shù)手持設(shè)備相仿的操作模式，并且在各種類型界面間保持了操作風(fēng)格的統(tǒng)一。

2 界面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前常見的界面框架數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都以菜單為單位，缺少對菜單項(xiàng)的精細(xì)化分，這使得界面顯示和操作函數(shù)對各種類型的菜單很難做到通用，而基于菜單項(xiàng)的菜單組織結(jié)構(gòu)可以很好解決這個問題。將以上分析抽象為實(shí)際的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，則形成菜單和項(xiàng)兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中項(xiàng)是菜單的子結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)較小的屏幕，并簡化顯示和操作函數(shù)，一項(xiàng)即實(shí)際屏幕顯示中的一行。

2.1 項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

項(xiàng)中含有文本內(nèi)容，即格式化字符串，用于格式化輸出的字符串；含有數(shù)據(jù)變量地址和單位變量地址，用于填入格式化字符串中的變量內(nèi)容；含有項(xiàng)狀態(tài)標(biāo)志，用于區(qū)別項(xiàng)的類型，以便在顯示和操作時加以區(qū)分；含有跳轉(zhuǎn)菜單指針，用于表明該項(xiàng)所應(yīng)該跳轉(zhuǎn)的菜單。特別指出將數(shù)據(jù)變量類型定義為無類型指針，從而使得同一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)變量類型的表示。具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

一個常見的項(xiàng)數(shù)據(jù)如下：

其中第一個元素表示了要顯示的數(shù)據(jù)和變量元素的顯示格式；第二、三個元素分別是數(shù)據(jù)變量地址和單位字符串首地址，在設(shè)置模式時可以利用這些指針修改變量原始值，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)置和單位更改；第四個元素是項(xiàng)狀態(tài)標(biāo)志，表示該項(xiàng)是可選中項(xiàng)，用于區(qū)分標(biāo)題和選項(xiàng)；最后一個元素表示選擇此項(xiàng)后跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)菜單。通常定義項(xiàng)數(shù)據(jù)時是定義一個項(xiàng)數(shù)組用來組成一個菜單，以減少存儲空間，并實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存儲。

2.2 菜單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

菜單是用于表達(dá)一個界面內(nèi)容和狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它應(yīng)該含有項(xiàng)數(shù)組首地址，用于表示界面顯示的內(nèi)容；含有界面狀態(tài)標(biāo)志位，用于表明界面的狀態(tài)和界面的功能；含有被選項(xiàng)，用于表明當(dāng)前界面的被選項(xiàng)；含有頁頂項(xiàng)，用于控制界面視圖位置；含有最大項(xiàng)數(shù)，用于防止項(xiàng)數(shù)組越界；含有按鍵響應(yīng)函數(shù)，用于相應(yīng)按鍵操作。其中按鍵響應(yīng)函數(shù)采用帶參函數(shù)指針形式，利用界面的狀態(tài)和按鍵共同決定需要執(zhí)行的操作，既實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一接口，又增強(qiáng)了可擴(kuò)展性。菜單間的關(guān)系只由項(xiàng)與菜單的指針決定，而與項(xiàng)的順序無關(guān)。具體代碼如下：

一個常見的菜單數(shù)據(jù)如下：

其中第一個元素表示了該菜單對應(yīng)的項(xiàng)數(shù)據(jù)數(shù)組；第二個元素是菜單狀態(tài)標(biāo)志，表示該菜單是參數(shù)設(shè)置類型，該元素也可以在運(yùn)行過程中被改為正在設(shè)置狀態(tài)；第三、四個元素默認(rèn)填充0，在程序?qū)嶋H運(yùn)行中可更改，以變更選項(xiàng)或視圖；第五個元素是菜單最大項(xiàng)，與項(xiàng)數(shù)據(jù)數(shù)組長度相當(dāng)；第六個元素是操作響應(yīng)函數(shù)，對應(yīng)的函數(shù)為參數(shù)設(shè)定界面的操作函數(shù)。

3 界面框架實(shí)現(xiàn)

3.1 菜單顯示

將以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，菜單的操作實(shí)現(xiàn)也呼之欲出。界面顯示函數(shù)，每次從PageTopSelect 對應(yīng)項(xiàng)開始顯示，顯示接下來的若干項(xiàng)到屏幕（受屏幕顯示最大行影響），顯示項(xiàng)數(shù)據(jù)時，先分析項(xiàng)字符串中的變量類型和顯示寬度，再將項(xiàng)數(shù)據(jù)中對應(yīng)的變量插入到顯示字符串中。同時可以利用MenuSelect 變量值反顯選中行。如此可以顯示超過屏幕長度本身的菜單，每次只顯示對應(yīng)屏幕大小的一部分內(nèi)容，相當(dāng)于擴(kuò)展了屏幕。具體流程圖如圖3 所示。

圖3 顯示函數(shù)流程圖Fig.3 The flowchart of display function

3.2 操作功能

實(shí)現(xiàn)樹狀菜單結(jié)構(gòu)使用堆棧，即主界面為棧底，每次執(zhí)行菜單跳轉(zhuǎn)時執(zhí)行壓棧操作，菜單返回時執(zhí)行出棧操作，并且堆棧操作都使用指針方式實(shí)現(xiàn)，這樣既可以較少的代價實(shí)現(xiàn)多級菜單跳轉(zhuǎn)，又將菜單的操作和菜單數(shù)據(jù)本身分離，使得在修改菜單數(shù)據(jù)時避免了對其他菜單關(guān)系的影響。

每個菜單可以使用不同的按鍵響應(yīng)函數(shù)，相同類型菜單之間還可以共用響應(yīng)函數(shù)，兼顧了靈活性與復(fù)用性。

將菜單顯示和操作分開，用戶可以將顯示刷新放在定時中斷中，將操作放在外部中斷中，增強(qiáng)了編程的靈活性。

一個典型的界面操作流程如圖4 所示。

圖4 界面操作Fig.4 The interface operation

菜單操作對應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)方式見表2。

表2 菜單操作實(shí)現(xiàn)對照表Table 2 The implementation of menu operation function

3.3 菜單修改

對于已經(jīng)編寫好的菜單對其修改非常簡單，以下介紹幾種常見的菜單修改方式：

（1）要增加（刪除）菜單中某項(xiàng)，直接增加（刪除）該項(xiàng)數(shù)據(jù)，并修改相關(guān)菜單數(shù)據(jù)的最大項(xiàng)參數(shù)即可。

（2）要修改項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示格式，直接修改項(xiàng)數(shù)據(jù)中的格式化字符串即可。

（3）要調(diào)節(jié)菜單項(xiàng)順序，直接調(diào)整項(xiàng)數(shù)組的順序而不用修改其他數(shù)據(jù)內(nèi)容。

（4）要修改某項(xiàng)跳轉(zhuǎn)的菜單，直接替換掉該項(xiàng)數(shù)據(jù)后的跳轉(zhuǎn)菜單指針。

（5）要修改某項(xiàng)顯示的變量，直接修改該項(xiàng)數(shù)據(jù)中的變量指針指向即可。

（6）要將菜單中的某項(xiàng)移至同類型其他菜單，直接將相關(guān)項(xiàng)數(shù)據(jù)移至目標(biāo)菜單項(xiàng)數(shù)組，并修改兩個菜單數(shù)據(jù)的最大項(xiàng)參數(shù)即可。

（7）要增加（刪除）某菜單只需將與其相關(guān)的項(xiàng)數(shù)據(jù)同時增加（刪除），并修改相關(guān)菜單數(shù)據(jù)的最大項(xiàng)參數(shù)即可。

這些修改完全不涉及整個菜單的結(jié)構(gòu)調(diào)整，項(xiàng)與項(xiàng)，菜單與菜單之間沒有直接關(guān)系，在修改時也不會相互影響。

4 結(jié)語

文章提出的界面框架適用于農(nóng)業(yè)裝備顯示，解決了小屏幕嵌入式系統(tǒng)顯示界面移植性差問題。采用線性存儲結(jié)構(gòu)減少了數(shù)據(jù)冗余，提高了訪問速度。簡化優(yōu)化了菜單關(guān)系，使得操作函數(shù)可以統(tǒng)一，菜單建立和改寫方便。利用抽象方法使得一種菜單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種界面類型以滿足農(nóng)業(yè)設(shè)備的一般交互需求。

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