為了滿足礦用通訊控制系統操作的易用性，主控制器的人機界面設計是本次設計的一個重點。人機界面設計包括控制器面板的設計及各個接口布局的設計，設計不但要保證電氣性能，還要考慮整體美觀性、現場操作和安裝的方便性，最終確保系統整體的功能性和美觀性的完美統一。由于大屏幕的彩色液晶顯示器都需要高壓背光電路，不能滿足本質安全的要求。因此本系統的控制器采用320x240點陣的液晶顯示器，其背光電路采用高亮LED，驅動電壓低，滿足本質安全要求。
    用戶界面采用全中文的圖形化界面，并具備如下特點：1)操作方式簡單，一般人員即可操作；2)彈出式的故障提示界面；3)所有提示和狀態顯示均使用中文。

1 液晶顯示模塊
    由于本設計中LPC2292微處理器的I／O端口要完成鍵盤輸入、LED指示輸出、LCD屏幕控制等很多功能，為了節約I／O資源，很多功能都采用了對微處理器I／O端口分時復用的方法，這樣在不影響系統整體性能的基礎上充分地利用了有限的資源。為了實現LPC2292的D0～D15端口對鍵盤、LED指示輸出、LCD屏幕控制等多種功能的分時輸入／輸出操作，對于鍵盤輸入的讀取，采用了Altera公司的CPLD芯片EPM7128作為以上器件的數據傳輸控制通道。
    由于目前最常用的單色LCD控制器SED1335的數據傳輸速度相對于LPC2292顯得十分緩慢，經過初期的計算和實際測量，刷新一屏320x240點的圖片最快需要130ns左右，故EPM7128對LCD模塊還起到數據緩沖譯碼的作用。
    對于常用的LCD，由于它的引線較多，如果直接由CPU去控制LCD的顯示，會造成CPU負擔過重，用戶使用起來很不方面。為了解決這種矛盾，本課題運用北京三春暉電子科技發展有限公司出品的液晶顯示模塊——SG320240FPD。SG320240FPD顯示模塊將LCD液晶顯示驅動電路和分壓電路集成在一塊板子上，是一種集顯示、控制與驅動為一體的顯示器件，很好地解決了CPU的負擔問題。中文液晶顯示模塊SG320240FPD可實現漢字、ASCII碼、位圖形的同屏顯示。液晶顯示模塊方框圖如圖1所示。

    SG320240FPD液晶的核心器件是SED1335控制器芯片。SED1335是SEIKO EPSON公司出品的液晶顯示控制器，其具有較強功能的I／O緩沖器，指令功能豐富，4位數據并行發送，最大驅動能力為640x256點陣。
    從圖1可以看出，DB為數據總線，可以直接連在CPU數據總線上；CS為片選信號，低電平有效；AO為I／O緩沖器數據選擇信號，為1時寫指令代碼或讀數據，為0時，寫數據或讀狀態字；RD、WR分別為讀操作信號和寫操作信號，低電平有效。LPC2292的控制信號通過EPM7128采用I／O設備訪問形式控制液晶控制器SED1335。然后，SED1335通過SEG驅動器向液晶顯示器提供顯示數據，通過COM驅動器向液晶顯示器提供行掃描信號。在COM和SEG的配合下，實現RAM矩陣內容的液晶顯示。
    驅動器模塊是專用芯片與液晶顯示器的接口，其作用是提高驅動能力、實現偏壓極性的轉換。它包括COM驅動器、SEG驅動器及COM的移位寄存器。
    COM驅動器由控制電路、電壓變換電路、電壓選擇電路、COMS驅動電路等子模塊組成。COM移位寄存器與COM驅動器相配合，向液晶顯示屏提供行掃描信號。COM移位寄存器實現0行～31行行掃描，電壓變換電路和電壓選擇電路實現行驅動，控制電路實現對COM Driver的控制，CO-MS獨立完成第32行掃描。
    SEG驅動器闈向液晶顯示屏提供顯示數據，該模塊由控制電路、電壓變換電路和電壓選擇電路實現對顯示數據鎖存電路輸出RAM數據的驅動。

2 LCD7920的硬件驅動
    由于LCD7920的控制器SED1335和LPC2292的外部總線連接時沒有采用直接連接的方式，而是采用了通過可編程邏輯器件擴展I／O口進行間接連接的方式，SED1335的基本操作需要專門編寫相應的操作函數，包括液晶屏復位函數、寫指令代碼、寫數據或參數、讀命令地址、讀數據或參數和SED1335_write函數(寫一條完整的指令)。
    從軟件角度看，SED1335需要的控制信號包括：復位信號RST、讀信號RD、寫信號WE、地址信號A0(命令或數據方式控制)、片選信號AEN和數據信號D0～D7。其中，RST、RD、WE、A0和CS信號由CPLD擴展的輸出端口LCD_CMD控制，D0～D7由CPLD擴展的雙向端口LCD_DATA控制。另外，為了控制數據信號LD0～LD7的方向，還在CPLD內部設置了DataOut信號。當DataOut=0時數據由CPU通過LCD_DATA向SED1335輸入；當Data-Out=1時SED1335通過LCD_DATA向CPU輸出的數據。下面將具體分析寫指令信號的全過程。
    首先，要知道在寫指令的過程中，復位信號RES置高電平不起作用，讀信號RD置高電平也不起作用，寫信號WE置為低電平，片選信號AEN置為低電平。由于寫指令是要數據由LCD_DATA向SED1335輸出，因此DataOut信號為低電平。于是寫指令的時序圖如圖2所示。

    根據寫指令的時序圖，對于液晶模塊低層驅動的CPLD數字電路設計如圖3所示。

    從圖3可知，首先在0x83000004地址空間中，A1高電平保持不變，A0、A2、A3、A4、A5、A6和地址使能信號AEN分別經過非門變成高電平。接著，它們在全部經過與非門轉變為低電平，設為X。從時序圖中，可以看出RD一直保持高電平，它和X相“或”后，輸出為高電平CS—LCD2RD。由于CS—LCD2RD低電平有效，所以讀指令不起作用。同理，X和WE相“或”后，輸出為低電平CS—LCD2WE，然后CS—LCD2WE與74273的CLK位相連，即CLK位為低電平。八重D觸發器74273的STR管腳信號是由RTS復位信號決定，為高電平。根據八重D觸發器74273的真值表，STR為高電平，CLK為低電平，輸出和輸入相等。下一步輸出信號通過74245總線收發器，74245的OE管腳由Dataout信號決定。由于是寫代碼指令，Dataout=0，數據由CPU通過LCD_DATA向SED1335輸入。由于OE管腳為低電平，根據74245真值表，輸入輸出保持不變。LD0～LD7就等于輸入信號，把它接到SG320240FPD的D0～D7管腳，SED1335讀取CPU數據完畢。SED1335其他操作的分析過程與寫指令類似，這里不詳細作介紹。

3 GUI軟件的實現
    嵌入式(GUI，Graphic User Interface)系統是在嵌入式系統中為特定的硬件設備或環境而設計的圖形用戶界面系統。
     顯示任務與鍵盤任務的關系最密切，它們組成了最基本的人機接口，每一次鍵盤操作都伴隨著畫面的更新。由鍵盤操作更新的畫面內容稱為“畫面的靜態部分”，因為這部分畫面內容在沒有鍵盤操作時是固定不變。
    還有某些任務也需要顯示任務提供服務，更新畫面的指定部分的內容，如實時時鐘顯示、皮帶工作狀態和各種現場物理參數的動態顯示等。這部分西面內容的數據由不同的任務提供，與鍵盤操作無關，把各種不是鍵盤操作更新的畫面內容稱為“畫面的動態部分”。不管是“畫面的靜態部分”，還是“畫面的動態部分”，都是調用GUI接口函數來實現的。顯示任務的優先級設定較低，其主要作用是初始化系統畫面，顯示按鍵操作的效果和采樣波形。
    在液晶顯示屏上的畫面主要是：主信息窗口，當前皮帶運行狀態顯示，坐標方格線和命令按健。因此，這里需要的畫圖功能分別是畫點函數、畫線函數和字符顯示函數。
    在畫面顯示前，要初始化液晶顯示屏(包括設置顯示方式和清屏)，這個功能由函數GUI_Init()來實現。該函數可以強制刷新主界面，并且清屏。畫線功能由函數LCD_Line()來實現，其函數原型為“void LCD_Line(uint16 StartX，uint16StartY，uint16 EndX，uint16 EndY，uint8 Color，uint8 Layer)”。其各參數的定義為：StartX為線起點所在的行位置；StartY為線起點所在的列位置；EndX為線終點所在的行位置；EndY為線終點所在的列位置；color為顯示顏色(對于黑白色LCD，為0時，滅；為1時，顯示)；Layer為當前畫的線所在圖層，其部分代碼如下所示。


    菜單的反色顯示處理由函數LCD_Fill()來實現，這里的反色處理是指當操作者選擇主信息窗口的設置、狀態、紀錄或操作等任意菜單時，選定菜單會呈現與周圍環境有差異的顏色。
    字符顯示功能由函數LCD_DispCh()來實現。其函數原型為 “void LCD_DispCh(uint16 X，uint16 Y，uint8 Chineselndex)”。其中X為指定顯示位置的X坐標；Y為指定顯示位置的Y坐標；ChineseIndex為定義的漢字索引變量。由于本設計的液晶顯示基本上采甩漢字，為了顯示漢字，必須有漢字的點陣碼。本系統通過提取漢字的點陣數據。及運行造字程序編制特殊字符的點陣數據，創建了顯示字庫。用點陣數據生成顯示字庫時，依次對每個字符用一個字節進行編碼，漢字／字符提取程序可根據需顯示的字符的編碼，得到相應的點陣數據在字庫中的偏移地址，計算出存放首地址后，取出點陣數據填充到外部的RAM中的相應位置。每屏要顯示的菜單制成表，根據表號，就可以提取出所要顯示的字符編號。

4 人機接口界面的調試
    為了進一步測試系統性能，在實驗室環境使用了標準的超5類網線(非屏蔽的雙絞線，線路電阻約為9．8Ω／100 m)串聯起來進行了完整的500 m距離測試，發現人機接口模塊可以正常地顯示出礦井下智能設備的工作狀態，它接收其他任務的操作指令，完成顯示畫面內容的動態更新。顯示界面如圖4所示。

    從圖4中可以看到，最上面一行為主信息窗口，包括應用菜單和實時時鐘。中間一行為當前皮帶運行狀態，第一個是MCCS的主控制器，通過7芯通信線纜(包括+12 V電源，GND，CANH，CANL，NF+，NF-和SKR 7路信號)與智能設備相連，被監視設備運行異常，系統按事先編制的邏輯進行控制輸出。系統能在線自檢，通過圖形界面顯示故障設備的位置和故障情況。

5 結束語
    人機接口采用圖形化方式實現，全中文界面，專用操作按鈕和鍵盤，簡潔方便、通俗易懂。液晶屏在將來可以改進成TFT液晶(薄膜場效應晶體管)，不但可以提高顯示屏的反應速度，同時可以做到高分辨率的顯示屏幕信息。并且人機接口界面可以擴展為智能化的設計，有自己獨立的CPU，屬于單獨的模塊，會大大提高了主控制器CPU的利用率。