一、 本項(xiàng)目的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景和必要性
人機(jī)界面產(chǎn)品的基本概念
人機(jī)界面（Human-Machine Interface），是人與機(jī)器進(jìn)行交互的操作方式，即用戶與機(jī)器互相傳遞信息的媒介，其中包括信息的輸入和輸出。好的人機(jī)界面美觀易懂、操作簡(jiǎn)單且具有引導(dǎo)功能，使用戶感覺愉快、興趣增強(qiáng)，從而提高設(shè)備的使用效率。HMI為英文Human-Machine Interface的縮寫 。
人機(jī)界面產(chǎn)品（以下簡(jiǎn)稱HMI產(chǎn)品）是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中用來(lái)連接可編程序控制器（PLC:Programmable Logic Controller）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設(shè)備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器信息交互的數(shù)字設(shè)備；人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成。
人機(jī)界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括中央處理單元、顯示單元、輸入單元、通訊接口單元、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理單元的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI產(chǎn)品的核心單元。根據(jù)HMI產(chǎn)品的等級(jí)不同，中央處理單元可分別選用8位、16位、32位的處理器。
HMI產(chǎn)品的軟件一般分為兩部分：即運(yùn)行于HMI產(chǎn)品嵌入式硬件系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)管理軟件和運(yùn)行于PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)下的工程畫面
組態(tài)軟件（如JB－HMI畫面組態(tài)軟件）。使用者都必須先使用HMI產(chǎn)品的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機(jī)和HMI 產(chǎn)品的串行、USB等通訊接口，把編制好的“工程文件”下載到HMI產(chǎn)品的中央處理器中運(yùn)行。
人機(jī)界面產(chǎn)品國(guó)、內(nèi)外研究及發(fā)展趨勢(shì)
人機(jī)界面產(chǎn)品的發(fā)展歷史：
人機(jī)界面產(chǎn)品的發(fā)展是隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，人機(jī)界面產(chǎn)品也在不斷的發(fā)展和級(jí)別中，人機(jī)界面的發(fā)展大致可分為如下幾個(gè)階段：
· 20世紀(jì)80年代以前：由狀態(tài)指示燈和機(jī)械開關(guān)等組成的人機(jī)操縱界面屏
· 20世紀(jì)80年代：由數(shù)碼管、字符顯示終端和鍵盤等組成的字符人機(jī)界面產(chǎn)品
· 20世紀(jì)90年代：由8位單片機(jī)、多種輸入設(shè)備（如觸摸屏）和光柵圖形顯示設(shè)備、 個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC），工作站等組成的智能人機(jī)交互設(shè)備。
· 21世紀(jì)2000年以后：基于超大規(guī)模集成微處理器（16位單片機(jī)、32位微處理器）、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、液晶顯示單元、網(wǎng)絡(luò)單元等組成的新一代人智能機(jī)界面產(chǎn)品。
新一代智能人機(jī)界面產(chǎn)品的分類：
· 一類產(chǎn)品：薄膜鍵盤輸入的HMI產(chǎn)品，顯示尺寸小于5.7寸，畫面組態(tài)軟件免費(fèi)，僅支持一個(gè)串行接口設(shè)備，一般可稱為小型人機(jī)界面或文本
顯示器，易使用、價(jià)格低、常用于小型機(jī)械設(shè)備的電氣控制中，市場(chǎng)占有率巨大。
· 二類產(chǎn)品：觸摸屏輸入的HMI產(chǎn)品，顯示屏尺寸為5.7ˊ～12.1寸，同時(shí)支持2個(gè)串行接口設(shè)備，無(wú)網(wǎng)絡(luò)接口。畫面組態(tài)軟件免費(fèi)，一般可稱為“觸摸屏”，使用較復(fù)雜、價(jià)格中等、用于中型機(jī)械設(shè)備，市場(chǎng)占有率較大。
· 三類產(chǎn)品： 基于工業(yè)平板PC計(jì)算機(jī)的、具有多種通訊接口（如網(wǎng)絡(luò)接口）、多功能的HMI產(chǎn)品，界面顯示屏的尺寸大于10.4寸，畫面
組態(tài)軟件收費(fèi)，一般稱為計(jì)算機(jī)控制單元，使用復(fù)雜、價(jià)格高、大型工業(yè)設(shè)備中使用，市場(chǎng)占有率低。
隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，未來(lái)的人機(jī)界面產(chǎn)品在功能上的高、中、低劃分將越來(lái)越不明顯，中低端的HMI產(chǎn)品的性能將越來(lái)越強(qiáng)，高端產(chǎn)品的價(jià)格也將越來(lái)越向中低端靠攏；5.7寸以上的HMI產(chǎn)品將全部是彩色顯示屏，屏的壽命也將更長(zhǎng)。由于核心微處理器單元的成本、大規(guī)模集成電路成本和液晶顯示器硬件成本的進(jìn)一步降低，HMI產(chǎn)品將向兩個(gè)方向發(fā)展，其一：以工業(yè)平板PC計(jì)算機(jī)為HMI硬件的高端產(chǎn)品，因?yàn)檫@種高端的產(chǎn)品在處理器速度、存儲(chǔ)容量、通訊接口種類和數(shù)量、組網(wǎng)能力、軟件資源共享上都有較大的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)HMI產(chǎn)品的高端發(fā)展方向。其二：小尺寸的（顯示尺寸小于5.7寸）HMI產(chǎn)品，由于其在體積和價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，隨著其功能（如增加IO功能、網(wǎng)絡(luò)鏈接功能、多串口功能等）和性能（如采用32位高性能微處理器、加大存儲(chǔ)容量等）的進(jìn)一步增強(qiáng)，將在低端的中、小型機(jī)械設(shè)備的人機(jī)交互應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。
雖然人機(jī)界面產(chǎn)品發(fā)展了很多年，但由于性能及價(jià)格等因素的限制，歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家在自動(dòng)化領(lǐng)域大比例應(yīng)用基于微處理器的人機(jī)界面產(chǎn)品始于上世紀(jì)90代，而我國(guó)在自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品中大比例使用智能人機(jī)界面產(chǎn)品則始于本世紀(jì)初。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、液晶顯示設(shè)備、集成電路、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，HMI產(chǎn)品已經(jīng)逐漸成為了主流自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備上的標(biāo)配產(chǎn)品，同時(shí)HMI產(chǎn)品的應(yīng)用行業(yè)范圍也已經(jīng)從開始的傳統(tǒng)工業(yè)延伸到了交通、物流、市政、醫(yī)療設(shè)備、智能家居等需要人機(jī)交互的廣闊領(lǐng)域中。
當(dāng)前國(guó)、內(nèi)外人機(jī)界面產(chǎn)品市場(chǎng)情況：
由于人機(jī)界面產(chǎn)品是從自動(dòng)化領(lǐng)域中發(fā)展應(yīng)用而來(lái)的，國(guó)際上各大工業(yè)自動(dòng)化公司（西門子、施耐德、GE、三菱、OMRON等）都有自己的人機(jī)界面產(chǎn)品，且產(chǎn)品線主要集中在二、三類HMI產(chǎn)品。由于HMI產(chǎn)品在自動(dòng)化領(lǐng)域里的應(yīng)用比例大幅度提高，無(wú)論從深度還是廣度方面都有了顯著的成長(zhǎng)，2006年以來(lái)這些知名的自動(dòng)化公司也開始涉足一類小型HMI產(chǎn)品的開發(fā)和銷售。
2003年我國(guó)臺(tái)灣自動(dòng)化廠商的HMI產(chǎn)品開始進(jìn)入大陸國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，臺(tái)灣這些公司的產(chǎn)品主要集中在二類HMI產(chǎn)品的開發(fā)和銷售；我們國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化廠商由于自有研發(fā)能力和自動(dòng)化水平的限制，直到2004年才開始HMI產(chǎn)品的仿制和開發(fā)，到2008年為止，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有不到十家公司真正開發(fā)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的人機(jī)界面產(chǎn)品，且產(chǎn)品主要集中在一、二類HMI產(chǎn)品。目前由于價(jià)格、易用性等原因，2006年以來(lái)，國(guó)產(chǎn)和臺(tái)灣的HMI產(chǎn)品在中低端國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占有率遙遙領(lǐng)先于國(guó)際上的知名廠商。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)、外人機(jī)界面產(chǎn)品中使用的技術(shù)情況：（以一、二類HMI產(chǎn)品為例）
從上面可以看出，國(guó)內(nèi)小型人機(jī)界面產(chǎn)品（一類HMI產(chǎn)品）在性能上存在一些不足，主要表現(xiàn)在處理速度慢、功能簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)容量小，接口類型單一；雖然我們?cè)诋a(chǎn)品的多樣化方面已做出了努力，如開發(fā)了基于8位單片機(jī)處理器的雙串口文本顯示器、POP手持文本顯示器等，但仍無(wú)法滿足工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備對(duì)處理速度、大存儲(chǔ)容量及組網(wǎng)鏈接的要求。
我們經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，這種不足，完全是由于國(guó)內(nèi)的一類HMI產(chǎn)品采用的處理器大多是性能較低的8位單片機(jī)。雖然8位單片機(jī)價(jià)格低廉，功能靈活，容易開發(fā)，卻越來(lái)越無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備對(duì)人機(jī)界面產(chǎn)品功能的要求。但這種低成本的人機(jī)界面產(chǎn)品又是市場(chǎng)占有率最大的HMI產(chǎn)品，是其它高成本人機(jī)界面產(chǎn)品不可替代的，有著巨大的市場(chǎng)前景，特別在小型、低價(jià)格機(jī)械設(shè)備的電氣控制中。
鑒于此，并隨著32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)處理器技術(shù)的發(fā)展和處理器芯片價(jià)格的下降，我們提出了一種基于32位ARM內(nèi)核處理器的第二代小型人機(jī)界面產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，通過核心處理器的性能提供，大幅提高了HMI產(chǎn)品的處理速度和存儲(chǔ)容量，滿足工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備對(duì)低成本HMI產(chǎn)品的高速、多功能、大容量存儲(chǔ)需求。
ARM 是Advanced RISC Machines的縮寫，是微處理器行業(yè)的一家著名企業(yè)，改企業(yè)設(shè)計(jì)了大量看、廉價(jià)、高性能、低功耗的RISC處理器的相關(guān)技術(shù)和軟件，適用于多種領(lǐng)域，如嵌入控制、DSP、多媒體、移動(dòng)通訊等。ARM芯片從上世紀(jì)90年代問世以來(lái)，在32位RISC 微處理器開發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。由于ARM公司自成立以來(lái)，一直以IP(Intelligence Property)提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而自己從不介入芯片的生產(chǎn)銷售，加上其設(shè)計(jì)的芯核具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此獲得眾多的半導(dǎo)體廠家和整機(jī)廠商的大力支持，在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占有75%以上的32位RISC嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)。在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位。現(xiàn)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)ARM芯片的國(guó)際大公司已經(jīng)超過50多家，國(guó)內(nèi)中興通訊和華為通訊等公司也已經(jīng)購(gòu)買ARM公司的芯核用于通訊專用芯片的設(shè)計(jì)。此外，ARM芯片還獲得了許多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS：Real Time Operating System)供應(yīng)商的支持，比較知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks Mucleus、EPOC、uCOS、BeOS等。
基于ARM內(nèi)核處理器芯片價(jià)格的持續(xù)下降，我們決定采用ARM處理器芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)小型人機(jī)界面的高速處理功能。目前，市場(chǎng)上低端ARM芯片的價(jià)格和高端8位單片機(jī)價(jià)格已基本持平，雖然在ARM處理器產(chǎn)品的開發(fā)階段對(duì)開發(fā)人員的要求較高，人員費(fèi)用也較高，但當(dāng)產(chǎn)品開發(fā)完成后，32位ARM處理器產(chǎn)品的硬件生產(chǎn)成本并不比基于8位單片機(jī)處理器的HMI產(chǎn)品高；而性能上卻遠(yuǎn)高于基于單片機(jī)的HMI產(chǎn)品，由于性價(jià)比的大幅提高，市場(chǎng)的適用面也更加廣闊，特別有利于開發(fā)產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)。另外，由于ARM內(nèi)核芯片的強(qiáng)大加密功能使得產(chǎn)品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)能得到有效的保護(hù)（POP文本顯示器在市場(chǎng)份額不斷加大的同時(shí)，也遭受了無(wú)良盜版的侵?jǐn)_），也有利于公司產(chǎn)品市場(chǎng)的開發(fā)、占有和保護(hù)。
二、本HMI產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)
1、 首次在小型人機(jī)界面中采用高性能32位ARM處理器單元
隨著自動(dòng)化技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)人機(jī)界面產(chǎn)品的性能和功能要求也越來(lái)越高，原先基于8位單片機(jī)芯片的小型人機(jī)界面產(chǎn)品在數(shù)據(jù)處理速度、數(shù)據(jù)顯示刷新速度、接口能力等方面都無(wú)法滿足用戶的要求。而近年來(lái)被廣泛應(yīng)用的32位ARM微處理器芯片，其強(qiáng)大的處理能力和豐富的擴(kuò)展功能卻能方便地實(shí)現(xiàn)上述要求。為此，為了滿足用戶市場(chǎng)新的需求，提高我們產(chǎn)品在市場(chǎng)同類產(chǎn)品中的競(jìng)爭(zhēng)力，我們決定研發(fā)基于32位ARM微處理器的第二代小型人機(jī)界面產(chǎn)品。
2、 首次在小型人機(jī)界面中同時(shí)支持雙串口設(shè)備鏈接
第一代小型人機(jī)界面產(chǎn)品中由于核心處理單元性能的限制，在處理速度和接口擴(kuò)展能力方面都無(wú)法實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)HMI產(chǎn)品雙串口實(shí)時(shí)通訊連接的要求，因此我們利用ARM微處理器的強(qiáng)大接口擴(kuò)展功能，首次實(shí)現(xiàn)了小型HMI產(chǎn)品實(shí)時(shí)雙串口設(shè)備的通訊鏈接功能。
3、 預(yù)留以太網(wǎng)擴(kuò)展接口以備增加工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)鏈接功能
同樣、基于ARM微處理器的強(qiáng)大功能和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的普及發(fā)展，為了今后小型HMI產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)功能的擴(kuò)充，我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)中預(yù)留了以太網(wǎng)接口。
4、 首次在小型人機(jī)界面中設(shè)置多達(dá)3Mb畫面Flash存儲(chǔ)容量
第一代小型HMI產(chǎn)品一般只有1Mb畫面存儲(chǔ)容量，在實(shí)際使用中，常常無(wú)法滿足部分用戶對(duì)大數(shù)量畫面容量的要求。同樣，由于8位單片機(jī)性能和擴(kuò)展成本的考慮，第一代小型HMI產(chǎn)品無(wú)法簡(jiǎn)單有效解決容量問題，但ARM微處理器的強(qiáng)大擴(kuò)展能力卻可以方便的解決存儲(chǔ)容量問題。
5、 功能更強(qiáng)大的畫面
組態(tài)軟件（工具軟件）
由于有了ARM微處理器強(qiáng)大處理能力的支持，我們可以進(jìn)一步豐富小型HMI畫面組態(tài)軟件的功能，把一些大、中型人機(jī)界面畫面組態(tài)軟件中的功能移植到小型HMI畫面組態(tài)軟件里，如時(shí)鐘記錄功能，動(dòng)畫功能，配方功能，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)功能等。
6、 基于高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的ARM處理器高速執(zhí)行軟件
由于采用高性能的RTOS操作系統(tǒng)，可以提高ARM微處理器程序的執(zhí)行速度、可靠性和穩(wěn)定性，滿足用戶對(duì)工業(yè)產(chǎn)品高實(shí)時(shí)處理能力和高可靠性的要求。與此同時(shí)，通過對(duì)RTOS操作系統(tǒng)功能的裁剪及底層執(zhí)行軟件的優(yōu)化，使執(zhí)行程序占用處理器內(nèi)存的容量最小化，從而提供了用戶最大容量的存儲(chǔ)能力。
三、小結(jié)
本小型人機(jī)界面產(chǎn)品的技術(shù)方案是結(jié)合當(dāng)前ARM內(nèi)核處理器技術(shù)發(fā)展情況，綜合分析比較國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品性能，并總結(jié)我們現(xiàn)有小型人機(jī)界面（基于8位處理器）產(chǎn)品開發(fā)和市場(chǎng)開發(fā)的基礎(chǔ)上提出的，克服了上一代同類產(chǎn)品的不足，能進(jìn)一步滿足小型人機(jī)界面產(chǎn)品使用者對(duì)產(chǎn)品功能越來(lái)越多的要求。本產(chǎn)品在性能上達(dá)到了國(guó)際同類先進(jìn)產(chǎn)品的水平，超過了國(guó)內(nèi)目前現(xiàn)有同類產(chǎn)品性能水平。
