黃雨琦 孫瀟萌

摘要：當今時代，科學技術發(fā)展迅速，雖然各種先進的自然人機交互產(chǎn)品陸續(xù)問世，但是人機交互技術仍處于研究發(fā)展階段。由于觸摸屏有著較強的人機交互功能，stm32f4開發(fā)板具有強大的外設功能。本課題依托江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室，研究開發(fā)人機交互界面設計方案。本文主要介紹內(nèi)容是設計并實現(xiàn)三維打印機的人機交互功能，同時設計出電機通用控制系統(tǒng)的人機交互界面文件。根據(jù)課題要求通過查閱資料與老師交流，明確設計流程。通過前期對開發(fā)板觸摸屏，顯示屏，sD卡的學習，采用Keil uVision5進行程序設計，經(jīng)多次調(diào)試、修改，驗證程序的可行性后再將硬件聯(lián)結成系統(tǒng)，最后完善設計。設計的人機交互符合三維打印時的具體情況，界面友好、清晰，通過觸摸屏可控制三維打印時電機的運轉，達到了人機交互設計的要求。所設計的三維打印機的人機交互界面系統(tǒng)和電機通用控制人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)了預期目標，驗證了所提方案的正確性和可行性。

關鍵詞：人機交互 界面設計 stm32f4開發(fā)板

一、緒論

（一）課題研究背景及現(xiàn)狀

如今社會處在一個快速發(fā)展的階段，隨著一系列新技術的成熟和應用，人們的生活方式發(fā)生了快速而多樣化的變化。近年來對人們影響最深遠的核心技術群可以概括為新能源技術、新互聯(lián)網(wǎng)技術以及新制造技術。而新的制造體系恰恰是連接人類社會基礎形態(tài)與高度數(shù)字化的虛擬社會之前的橋梁。當前3D打印機中使用的控制器主要有ARM控制器和Arduino平臺。其中Arduino是目前世界上在3D打印中應用最為廣泛的開源平臺，由于Ardulno簡單的開發(fā)方式，提供了一個很好的平臺結構，現(xiàn)在很多的MCU（ManagementControlunit）都可以應用在Arduino平臺結構中，隨著開源平臺Arduino更好的發(fā)展，Arduino平臺可以不受MCU限制，任何的MCU都可以應用到該平臺中。除了這種開源簡捷的平臺外，開發(fā)者可以根據(jù)自己的需求選擇處理器實現(xiàn)控制系統(tǒng)的開發(fā)，當前應用最為廣泛的是ARM Cortex-M系列控制器，ARM系列的控制器具有豐富的外設和較高的工作頻率，擁有兼容性好、高度集成、易于開發(fā)等優(yōu)勢，適用于一些要求較高實時性和計算速度的嵌入式應用場景，結合該控制器的特點，比較適合應用于3D打印。

（二）課題研究意義

根據(jù)2017年4月3D打印行業(yè)最權威咨詢公司——沃勒斯合伙公司發(fā)布的第22份年度產(chǎn)業(yè)報告顯示：“截止到2016年12月31日，全球3D打印行業(yè)（包括產(chǎn)品和服務在內(nèi)）的行業(yè)總產(chǎn)值首次突破60億美元大關，達到60 63億美元，預計到2020年底將達到125億美元?！?D打印顛覆了制造業(yè)體系具有良好的潛在市場需求，但是目前3D打印的普及仍有非常長的路要走，如果參照打印機的發(fā)展路徑，雖然現(xiàn)在打印機的價格已經(jīng)非常便宜，但并不是每個家庭都擁有一臺打印機，這其中最大的原因是人們對打印文檔的需求并不強烈。所以3D打印發(fā)展的最佳路徑應該是個人電腦，現(xiàn)在越來越多的家庭購買了電腦，不僅僅是其價格的降低還得益于使用成本的降低，由于電腦實現(xiàn)了自然的人機交互，而不是僅僅應用于各種程序的編寫，使得電腦成為人們工作學習獲取信息地關鍵工具所在。3D打印也是如此，目前3D打印的使用成本仍非常高，如果用戶需要打印東西，必須首先了解3D打印的建模和相關開發(fā)軟件的使用，還要把數(shù)據(jù)轉換成3D打印機可以識別的形式，并且現(xiàn)在很多打印機使用并沒有擺脫上位機的控制，這大大地增加了用戶的使用難度。不難看出良好人機交互設計更有利于用戶走進這一新型設備，實現(xiàn)其系統(tǒng)價值，因此3D打印的人機交互設計成為3D打印發(fā)展中的重要一筆也是急切需要解決的問題。

（三）課題研究內(nèi)容

隨著信息技術的快速發(fā)展，人機交互系統(tǒng)逐漸成為國內(nèi)外信息領域的研究熱點。在現(xiàn)實生活中，觸摸屏因為使用的方便性、材質(zhì)的堅固性得到廣泛的運用，并逐漸成為公共場合重要的人機交流輸入設備，可見觸摸屏有非常廣闊的發(fā)展前景。STM32F4開發(fā)板采用Cortex M4內(nèi)核，運行頻率可達168Mhz，憑借強大的處理功能得到廣泛應用。

本課題主要致力于研究基于嵌入式系統(tǒng)的一種人機交互系統(tǒng)的設計。通過對STM32F4開發(fā)板的開發(fā)提供友好的用戶界面，實現(xiàn)對3D打印系統(tǒng)的控制運提高成型系統(tǒng)使用的便捷性、增加用戶界面的友好性。

課題研究主要分兩部分，硬件的連接和軟件的設計。硬件由三部分組成，以STM32F407ZGT6芯片為核心的處理器、開發(fā)板自帶的觸摸屏和將開發(fā)板與3D打印系統(tǒng)相連接的電機控制器，軟件設計上，首先熟悉開發(fā)環(huán)境，然后對軟件進行設計對LCD模塊、觸摸屏模塊、電機控制模塊進行編程，最后實現(xiàn)人機交互的功能。

二、硬件系統(tǒng)

本章節(jié)主要介紹在設計系統(tǒng)過程中包括STM32F4開發(fā)板與2.8寸TFT LCD模塊基本內(nèi)容。

（一）系統(tǒng)組成

整個硬件系統(tǒng)由以人機交互為主的TFLCD顯示模塊，控制整個交互界面的STM32F4開發(fā)板，和將3D打印系統(tǒng)與交互界面相連接的步進電機驅(qū)動器三部分組成。使用者通過TFLCD模塊自帶的觸摸屏發(fā)出指令，觸摸屏將相關參數(shù)發(fā)送給STM32F4開發(fā)板，開發(fā)板再向步進電機驅(qū)動器發(fā)出信號，控制步進電機運動，進而控制整個3D打印系統(tǒng)。

（二）sTM32F4開發(fā)板簡介

STM32F4開發(fā)板基于Cortex-M4內(nèi)核，主頻達到168MHz，具有LCD接口，支持電阻電容觸摸屏。主芯片采用STM32F407ZGT6.該芯片集成FPu和DSP指令，并具有192KB SRAM、1024KBFLASH，滿足大容量數(shù)據(jù)存儲需求，12個16位定時器、2+32位定時器、2+DMA控制器（共16個通道）、3+SPI、2個全雙工12S、3個IIC、6個串口、2+USB（支持HOST/SLAVE）、2個CAN、3+12位ADC、2+12位DACI+SDIO接口、I+FSMC接口以及112個通用lo口等，支持外設的擴展。最多可提供6路串口，有分數(shù)波特率發(fā)生器、支持同步單線通信和半雙工單線通訊、支持LIN、支持調(diào)制解調(diào)器操作、智能卡協(xié)議和IrDA SIR ENDEC規(guī)范、具有DMA等。豐富的開發(fā)板資源滿足了人機交互界面的設計需求。

（三）顯示屏與開發(fā)板的連接

本次交互界面主屏幕采用TFT-LCD，即薄膜晶體管液晶顯示器。TFT-LCD在液晶顯示屏的每一個像素上都設置有一個薄膜晶體管（TFT），可有效地克服非選通時的串擾，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關，因此大大提高了圖像質(zhì)量。該模塊支持65K色顯示，顯示分辨率為320X240.接口為16位的80并口，自帶電容式觸摸屏。TFLCD模塊采用2*17的2.54公排針與外部相連，采用16位的方式與外部連接，相比8位方式顯示速度會更快，且TFTLCD模塊的RST信號線是直接接到STM32F4的復位腳上，并不由軟件控制，可以直接由硬件復位，這樣可以省下來一個IO口。另外我們還需要一個背光控制線來控制TFTLCD的背光。所以，我們總共需要IO口數(shù)目為21個。

STM32F4開發(fā)板的主芯片STM32F407ZGT6.通過FSMC接口來控制LCD模塊的顯示。STM32F4的FSMC接口支持包括SRAM、NAND FLASH、NOR FLASH和PSRAM等存儲器。由于外部SRAM的控制一般有：地址線（A0～A18）、數(shù)據(jù)線（如D0～D15）、寫信號（WE）、讀信號（OE）、片選信號（cs），如果SRAM支持字節(jié)控制，那么還有UB/LB信號。而TFTLCD的信號我們在18.1包括：RS、D0～D15、WR、RD、CS、RST和BL等，其中真正在操作LCD的時候需要用到的就只有RS、D0～D15、WR、RD和CS。其操作時序和SRAM的控制完全類似，所以我們可以將FSMC_NE4做片選，將TFLCD當作SRAM控制。

（四）開發(fā)板與電機驅(qū)動器之間的連接

本次設計采用的電機驅(qū)動器為雷塞DM5045電機驅(qū)動器，采用24-50V供電，適用于驅(qū)動電壓24-50V，電流小于4.5A外徑42～86mm的兩相混合式步進電機。電機驅(qū)動器可由手動撥碼開關設定輸出電流，滿足步進電機額定要求，電流大小以有效值和最大值標稱，撥碼開關組合，適用于驅(qū)動電流小于4.5A的兩相混合式步進電機。驅(qū)動器細分設定是為了調(diào)整電機步距角度，主要調(diào)整驅(qū)動器面板上撥碼開關的狀態(tài)來設定16種細分模式。開發(fā)板可以通過I/O口由杜邦線將輸出信號與電機驅(qū)動器相連接。

三、軟件設計

本次設計旨在通過上位機用戶程序編譯軟件，對開發(fā)板進行開發(fā)，利用開發(fā)板顯示人機交互界面，并接受用戶發(fā)出的信號同時對電機控制器發(fā)出信號，提高成型系統(tǒng)使用的便捷性、增加用戶界面的友好性。本章對上位機的軟件編程實現(xiàn)和程序的編寫進行介紹。

（一）上位機的軟件編程實現(xiàn)

本次設計以STM32F4固件庫源程序為基礎，采用Keil uVision5軟件編程平臺的c語言，以STM32F4采用ST-Link仿真器與USB接口將電腦與開發(fā)板相連，進行程序工程的創(chuàng)建和燒錄，實現(xiàn)對開發(fā)板的開發(fā)。

（二）主程序設計

主程序中首先對SD卡初始化后利用FAT系統(tǒng)模塊對文件打開SD卡目錄，對圖片顯示初始化后，申請內(nèi)存，利用LCD模塊對儲存在SD卡中的開機界面進行顯示，最后能讓用戶能夠通過觸摸屏對電機進行控制。本小節(jié)分LcD顯示模塊，觸摸屏模塊，電機控制模塊三個模塊對主程序設計進行介紹。

1.LcD顯示模塊

對于交互界面而言，最重要的是要使用戶明確視覺因素，為了凸顯南京師范大學，開機畫面圖片選取了我校標志性建筑——敬文圖書館，并在圖片上方上“3D打印”這樣使用者一開機就會清楚，這是南京師范大學關于3D打印機控制的觸摸顯示屏。

JPG格式圖片，是最常用的圖像文件格式，同BMP格式不同，JPEG是一種有損壓縮格式，能夠?qū)D像壓縮在很小的儲存空間，圖像中重復或不重要的資料會被丟失，因此容易造成圖像數(shù)據(jù)的損傷。因此我們選用JPG格式圖片作為開機界面。

我們將符合LCD大小的開機界面圖片放在SD卡的PICTURE中，對SD卡初始化，并使用FATFS來管理SD卡，打開SD卡目錄下的PICTURE文件，讀取圖片信息申請內(nèi)存空間并用開發(fā)板提供的解碼庫TjpgDec實現(xiàn)對JPG格式圖片的解碼。

對圖片解碼后即可通過LCD模塊進行顯示，LCD模塊的使用首先要進行復位，因為TFTLCD模塊的RST信號線是直接接到STM32F4的復位腳上，所以LCD的復位可以直接通過開發(fā)板硬件復位，然后通過設置坐標，寫GRAM指令來實現(xiàn)對每一個點的處理，并以此為基礎設計數(shù)字，字符，圖片的顯示。TFLCD基本使用流程圖如圖3-3所示。

2.觸摸屏模塊

本次設計采用的觸摸屏為TFLCD模塊自帶的投射式電容觸摸屏（交互電容類型），利用人體感應進行觸點檢測控制，不需要直接接觸或只需要輕微接觸，通過檢測感應電流來定位觸摸坐標，最多可支持五點觸摸。該觸摸屏在玻璃表面的橫向和縱向的ITO電極的交叉處形成交互電容。交互電容的掃描方式就是掃描每個交叉處的電容變化，來判定觸摸點的位置。當觸摸的時候就會影響到相鄰電極的耦合，從而改變交叉處的電容量。且電容觸摸屏無需校準，采用電容觸摸屏驅(qū)動芯片OTT2001A芯片來檢測電容觸摸并通過IIC接口輸出數(shù)據(jù)，OTT2001A只需要經(jīng)過簡單的初始化就可以正常使用了。初始化流程如圖3-4所示。

本次設計采用查詢方式來判斷觸摸屏是否被按下，函數(shù)里使用了一個靜態(tài)變量來提高效率，當無觸摸的時候，盡量減少對CPU的占用，當有觸摸的時候，又保證能迅速檢測到，并根據(jù)橫屏豎屏計算觸摸屏的信息。

OTT2001A的輸出坐標，默認是以：x坐標最大值是2700.Y坐標最大是的分辨率輸出的，也就是輸出范圍為：x：0～2700.Y：0～1500;MCU在取到坐標后，必須根據(jù)LCD分辨率做一個換算，才能得到真實的LCD坐標

觸摸屏程序的主要目的在于使得用戶能夠通過對屏幕觸摸實現(xiàn)對電機控制函數(shù)得調(diào)用電機控制函數(shù)。得到觸摸點得坐標后可以通過觸摸點的不同范圍，調(diào)用不同的電機運動函數(shù)

3.電機控制模塊

快速成型系統(tǒng)采用的電機為步進電機，步進電機是一種開環(huán)控制電機，在自動控制系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色，是其主要執(zhí)行元件。開發(fā)板可以通過定時器產(chǎn)生脈沖信號和方向信號與電機控制器相連來控制步進電機的運動。

開發(fā)板利用定時器中斷模式來產(chǎn)生脈沖信號，以x軸電機為例，采用TIM2定時器，首先要開啟定時器時鐘，通過查閱數(shù)據(jù)手冊可得PA5可做TIM2-CHl通道。

首先對引腳進行初始化，采用推挽復用模式，通過設置ARR和PSC兩個寄存器來設置脈沖周期，然后使能OHl通道并設置定時器為PWM輸出模式，最后使能定時器，可修改TIM14-CCRl來改變輸出脈沖的占空比，對程序燒錄完成后即可從PA5引腳中用示波器看到脈沖信號。通過置位函數(shù)和清零函數(shù)來設置方向引腳的高低電平從而改變電機運動的方向。

四、總結與提升

本文基于stm32f4開發(fā)板進行三維打印人機交互研究，首先概述了該研究課題的研究背景和研究現(xiàn)狀，然后全文圍繞開發(fā)板的硬件連接和軟件設計進行介紹，擺脫了上位機的控制，使得用戶通過開發(fā)板觸摸屏即可實現(xiàn)對快速成型系統(tǒng)進行操作，方便，簡單，極大地降低了用戶使用成本。

在前期的理論研究指導下，論文在人機交互實踐設計上取得了一定的實踐成果，但受到我們知識面廣度和深度的局限，本研究課題同時存在許多不足之處，有待進一步的補充和完善，主要有以下幾個方面：只是實現(xiàn)了對電機方向的控制，并沒有實現(xiàn)對電機運行距離的精確控制。程序設計在交互方式的設計上略顯生硬，沒有實現(xiàn)更為自然的交互方式，界面的操作的人性化程度還不夠。設計符合用戶體驗的應用，就要對界面的人機工程學進行仔細的研究。根據(jù)人機工程學的研究就可以使得我們的界面設計更加理性科學，從而提高界面的可用性和用戶的滿意度，而這方面的調(diào)研顯然還不夠，需要日后不斷完善。

3D打印發(fā)展不到五十年，人機交互也在不斷發(fā)展，使用戶更自然地融入，接受，使用科技創(chuàng)新帶來的成果，是人機交互的根本宗旨?？傊?，人機交互是個永遠前進發(fā)展的課題，技術瓶頸逐一撐破，科學發(fā)展不斷深化，更為進步的交互形式正在破繭而出。