觸摸屏虛擬按鍵的嵌套式控制設計與開發(fā)*

魏海波，梅建偉，黃斌偉

（湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院，湖北十堰 442002）

0 引言

觸摸屏作為科技發(fā)展下人機交互的重要組成單元，能夠控制設備運行，監(jiān)測設備運行數(shù)據(jù)，直觀地呈現(xiàn)設備運行狀態(tài)，因此在工業(yè)生產(chǎn)領域中有著廣泛應用[1-3]。通過配套上位機軟件設計，能夠進行有針對性地開發(fā)，通過串口、網(wǎng)口等接口形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，配合其他控制器構建完善的自動化控制系統(tǒng)，為工業(yè)生產(chǎn)帶來實時性高的友好人機交互界面[4-6]。

在觸摸屏的開發(fā)過程中，一般涵蓋了控制和監(jiān)測兩大基本功能單元。其中控制又包括基本的按鍵控制與參數(shù)設定功能。涉及到按鍵控制，一般情況下都要考慮到使用過程中存在的誤操作等因素，需要添加自鎖、互鎖等措施來降低誤操作帶來的生產(chǎn)風險[7-8]。對于虛擬按鍵而言，相較之實體按鍵，具有更加明顯的優(yōu)勢：實體按鍵可以在任意時刻被操作，如果沒有限制性措施，極易引發(fā)不可預料的事故；虛擬按鍵作為觸摸屏上配套的一種功能組件，能夠利用其他的措施對按鍵的操作是否生效進行預評估，使其在不能操作時被鎖死，進而降低生產(chǎn)風險。這對于工業(yè)生產(chǎn)中的一般性生產(chǎn)操作人員而言，具有十分重要的意義。

1 按鍵設計

臺達DOP-105CQ觸摸屏是臺達DOP100系列產(chǎn)品中的一款，該系列產(chǎn)品是在早期觸摸屏產(chǎn)品的基礎上通過不斷升級、改進并融入了許多新功能，使得觸摸屏的功能（功能部件、接口形式）更加豐富。其配套開發(fā)軟件DOPSoft版本目前已經(jīng)迭代升級至DOPSoft4.00.11。軟件繼承了早期軟件的離線仿真功能，通過對離線仿真運行結果分析，就能驗證所設計的功能是否達到預期[9]。

按鍵作為觸摸屏上重要的控制模塊，能夠對設備的運行起到控制作用。觸摸屏按鍵組件中常用的有設ON、設OFF、保持型、交替型4種按鍵。其基本情況如表1所示。

表1 四種常見功能按鍵說明一覽表

客戶對按鍵部分有明確要求：能夠對按鍵狀態(tài)進行識別。按照客戶的要求，開發(fā)過程中對按鍵的類型進行設計，具體信息如表2所示。

表2 按鍵功能要求及設計類型一覽表

在分析的基礎上開展了按鍵控制頁面的設計，整體效果如圖1所示。由圖可知，通過對按鍵內文的設置，能夠從按鍵中的文字直接獲取當前每個按鍵的實時狀態(tài)，以便于掌握系統(tǒng)的運行狀況。相較之傳統(tǒng)的采用按鍵配合指示燈來實現(xiàn)的方案，不僅具有更加直觀的顯示效果，而且節(jié)省了按鍵及指示燈的硬件開支，產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益。

圖1 按鍵界面設置整體效果

2 程序設計

2.1 觸摸屏按鍵互鎖分析

若自動/手動模式、手動窗開窗/關窗動作無相互約束條件，在生產(chǎn)過程的任意時間均能對所有按鍵進行操作，極易發(fā)生生產(chǎn)事故（可能是工藝事故，也可能是產(chǎn)品事故）[10]。必須設定約束條件對前述按鍵進行互鎖限制。通過分析，進入自動模式的必要條件：所有手動設備全部處于停止狀態(tài)；進入手動模式的必要條件：自動模式下手動/自動按鍵就緒，按鍵操作后能夠使系統(tǒng)切入手動模式。同樣的，手動模式下的開窗/關窗按鍵不能同時操作，即在執(zhí)行開窗操作時關窗按鍵被禁止，在執(zhí)行關窗操作時開窗按鍵被禁止。因此必須通過一定的手段對這些虛擬按鍵進行激活與禁止，從而避免實體按鍵無法避免的同時操作的問題。

2.2 觸摸屏寄存器設置

臺達觸摸屏內部配置了豐富的寄存器，技術研發(fā)人員可以靈活使用這些寄存器，配合組件共同開發(fā)功能。在進行按鍵設置時，需要對使用到的寄存器進行預分配。按鍵使用寄存器中的1位來實現(xiàn)，對于預先設計的10個按鍵，僅1個寄存器（寄存器是以字為基本單位，1個字包含16個位）即可完成分配。但是考慮到需要對按鍵進行互鎖控制，而且宏程序對于位的支持有限，使得如果采用單個寄存器進行不同位設置再去處理互鎖信息的話，會導致程序量大且復雜。因此，僅利用不同寄存器的最低位作為任意按鍵的設置地址，這樣對于寄存器就只有‘0’和‘1’兩個值，通過對寄存器的簡單處理，完美地替代了只使用一個寄存器的多個位產(chǎn)生的邏輯處理復雜的問題。臺達觸摸屏對于按鍵配置有“生效位”：當配置的該位處于無效狀態(tài)時，按鍵操作無效；當處于有效狀態(tài)時，按鍵操作生效。圖2和表3所示即為按鍵內部寄存器以及生效位地址配置。

表3 按鍵及控制地址設置一覽表

圖2 按鍵組件生效位

通過對$39寄存器位地址的置位、復位邏輯判斷控制，即可完成手動/自動模式以及手動窗開窗/關窗的嵌套式兩級互鎖控制。具體程序見后續(xù)的宏程序[11-12]小節(jié)之畫面Cycle宏程序內容。

2.3 觸摸屏宏程序設計

2.3.1 Initial宏程序

系統(tǒng)上電后應該處于明確的初始狀態(tài)：系統(tǒng)處于手動模式，且所有手動設備處于停止狀態(tài)，這樣可以操作各手動設備工作；同時手動/自動按鍵應該具備從手動模式切換到自動模式的能力。根據(jù)以上分析，需要對設置的10個按鍵分別進行初始化處理。初始化內容如下：

$20=0 //手動模式

$21=0 //手動加濕停止

$22=0 //手動除濕停止

$23=0 //手動風扇停止

$24=0 //手動1窗開窗停止

$25=0 //手動1窗關窗停止

$26=0 //手動2窗開窗停止

$27=0 //手動2窗關窗停止

$28=0 //手動3窗開窗停止

$29=0 //手動3窗關窗停止

2.3.2 按鍵畫面Cycle宏

對于手動/自動模式的互鎖，涉及到所有手動按鍵的狀態(tài)。當所有手動設備處于停止狀態(tài)時才能切換到自動模式。亦即所有手動按鍵配置寄存器的值均為0時才能啟動手動/自動按鍵進入自動模式。只要不斷地檢測這些值的狀態(tài)，就能提供相應的生效依據(jù)。循環(huán)檢測宏程序內容如下：

$30=0 //配置$30寄存器并清零

$30=$30+$21 //累計手動加濕運行狀態(tài)

$30=$30+$22 //累計手動除濕運行狀態(tài)

$30=$30+$23 //累計手動風扇運行狀態(tài)

$30=$30+$24 //累計手動1窗開窗運行狀態(tài)

$30=$30+$25 //累計手動1窗關窗運行狀態(tài)

$30=$30+$26 //累計手動2窗開窗運行狀態(tài)

$30=$30+$27 //累計手動2窗關窗運行狀態(tài)

$30=$30+$28 //累計手動3窗開窗運行狀態(tài)

$30=$30+$29 //累計手動3窗關窗運行狀態(tài)

IF$30==0 //所有設備處于停止狀態(tài)

BITON$39.0 //手動/自動按鍵生效位激活

ELSE //有設備處于運行狀態(tài)

BITOFF$39.0//手動/自動按鍵生效位禁止

ENDIF

對于手動窗開窗/關窗的互鎖，涉及到手動/自動模式以及開窗或者關窗按鍵。只有處于手動模式下當開窗/關窗按鍵處于停止狀態(tài)時，才能驅動關窗/開窗按鍵進行操作。3個手動窗功能相同，只是在地址位設置上有所差異，這里僅給出手動1窗的循環(huán)宏程序內容：

$31=0 //配置$31寄存器并清零

$31=$31+$20//累計手動/自動運行狀態(tài)

$31=$31+$25//累計手動1窗關窗狀態(tài)

IF$31==0 //1窗關窗停止狀態(tài)

BITON$39.1//1窗開窗按鍵生效位激活

ELSE //不滿足狀態(tài)要求

BITOFF$39.1//1窗開窗按鍵生效位禁止

ENDIF

$32=0 //配置$32寄存器并清零

$32=$32+$20 //累計手動/自動運行狀態(tài)

$32=$32+$24 //累計手動1窗開窗狀態(tài)

IF$32==0 //1窗開窗停止狀態(tài)

BITON$39.2 //1窗關窗按鍵生效位激活

ELSE //不滿足狀態(tài)要求

BITOFF$39.2//1窗關窗按鍵生效位禁止

ENDIF

3 仿真測試

通過對按鍵設置以及宏程序設計，按鍵控制已經(jīng)具備設定的互鎖功能。利用DOPSoft軟件自帶的脫機模擬測試功能模擬實物的功能測試。

首先對編寫的宏程序進行編譯，編譯有問題時會出現(xiàn)提醒，并定位至程序異常位置處。編譯通過后當前的設計內容就可以實現(xiàn)模擬離線測試以及通過USB將設計內容下載至觸摸屏等操作。打開離線測試功能，軟件運行完后跳轉至仿真畫面，通過鼠標對按鍵的操作可以模擬在觸摸屏上人手的按鍵操作。其功能測試結果如圖3所示。從圖中可以看出，進入仿真測試畫面后，系統(tǒng)處于手動就緒狀態(tài)，如圖3（a）所示，此時所有按鍵均處于激活有效狀態(tài)下。當按下手動/自動按鍵后，系統(tǒng)進行自動控制狀態(tài)，如圖3（b）所示，此時所有的手動按鍵均被封鎖，即使操作亦無反應。同樣的，當再次按下手動/自動按鍵后，系統(tǒng)返回到手動控制狀態(tài)，所有手動設備均能夠獨立運行，且任意窗的開窗與關窗不能同時處于運行狀態(tài)。在所有設備沒有處于停止狀態(tài)下，系統(tǒng)無法切換至自動狀態(tài)，如圖3（c）所示。測試結果與預期的指標相同，實現(xiàn)了預期的設計任務。

圖3 DOPSoft按鍵離線狀態(tài)功能測試

4 結束語

本文給出了臺達觸摸屏按鍵嵌套式互鎖的具體設計內容。通過按鍵組件的生效位應用，配合宏程序編程，完成了多按鍵下的手動/自動以及手動設備二級互鎖設計，從而有效地預防因操作人員操作失誤帶來的生產(chǎn)風險。文中給出的設計方案，可以通過適當?shù)男薷囊浦驳筋愃朴|摸屏按鍵設計過程中，具備較好的參考價值。