一、 本項目的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景和必要性
人機界面產(chǎn)品的基本概念
人機界面（Human-Machine Interface），是人與機器進行交互的操作方式，即用戶與機器互相傳遞信息的媒介，其中包括信息的輸入和輸出。好的人機界面美觀易懂、操作簡單且具有引導(dǎo)功能，使用戶感覺愉快、興趣增強，從而提高設(shè)備的使用效率。HMI為英文Human-Machine Interface的縮寫 。
人機界面產(chǎn)品（以下簡稱HMI產(chǎn)品）是工業(yè)自動化系統(tǒng)中用來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，實現(xiàn)人與機器信息交互的數(shù)字設(shè)備；人機界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成。
人機界面產(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：即運行于HMI產(chǎn)品嵌入式硬件系統(tǒng)中的實時管理軟件和運行于PC機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行。
人機界面產(chǎn)品國、內(nèi)外研究及發(fā)展趨勢
人機界面產(chǎn)品的發(fā)展歷史：
人機界面產(chǎn)品的發(fā)展是隨著工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運而生的，同時隨著計算機軟硬件技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，人機界面產(chǎn)品也在不斷的發(fā)展和級別中，人機界面的發(fā)展大致可分為如下幾個階段：
· 20世紀(jì)80年代以前：由狀態(tài)指示燈和機械開關(guān)等組成的人機操縱界面屏
· 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界面產(chǎn)品
· 20世紀(jì)90年代：由8位單片機、多種輸入設(shè)備（如觸摸屏）和光柵圖形顯示設(shè)備、 個人計算機（PC），工作站等組成的智能人機交互設(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、32位微處理器）、嵌入式實時操作系統(tǒng)、液晶顯示單元、網(wǎng)絡(luò)單元等組成的新一代人智能機界面產(chǎn)品。
新一代智能人機界面產(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，僅支持一個串行接口設(shè)備，一般可稱為小型人機界面或文本
顯示器，易使用、價格低、常用于小型機械設(shè)備的電氣控制中，市場占有率巨大。
· 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，同時支持2個串行接口設(shè)備，無網(wǎng)絡(luò)接口。畫面組態(tài)軟件免費，一般可稱為“觸摸屏”，使用較復(fù)雜、價格中等、用于中型機械設(shè)備，市場占有率較大。
· 三類產(chǎn)品： 基于工業(yè)平板PC計算機的、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，一般稱為計算機控制單元，使用復(fù)雜、價格高、大型工業(yè)設(shè)備中使用，市場占有率低。
隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，未來的人機界面產(chǎn)品在功能上的高、中、低劃分將越來越不明顯，中低端的HMI產(chǎn)品的性能將越來越強，高端產(chǎn)品的價格也將越來越向中低端靠攏；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。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一步降低，HMI產(chǎn)品將向兩個方向發(fā)展，其一：以工業(yè)平板PC計算機為HMI硬件的高端產(chǎn)品，因為這種高端的產(chǎn)品在處理器速度、存儲容量、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，是未來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，由于其在體積和價格上的優(yōu)勢，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、加大存儲容量等）的進一步增強，將在低端的中、小型機械設(shè)備的人機交互應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。
雖然人機界面產(chǎn)品發(fā)展了很多年，但由于性能及價格等因素的限制，歐美日等發(fā)達國家在自動化領(lǐng)域大比例應(yīng)用基于微處理器的人機界面產(chǎn)品始于上世紀(jì)90代，而我國在自動化機械設(shè)備產(chǎn)品中大比例使用智能人機界面產(chǎn)品則始于本世紀(jì)初。隨著計算機技術(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化機械設(shè)備上的標(biāo)配產(chǎn)品，同時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交互的廣闊領(lǐng)域中。
當(dāng)前國、內(nèi)外人機界面產(chǎn)品市場情況：
由于人機界面產(chǎn)品是從自動化領(lǐng)域中發(fā)展應(yīng)用而來的，國際上各大工業(yè)自動化公司（西門子、施耐德、GE、三菱、OMRON等）都有自己的人機界面產(chǎn)品，且產(chǎn)品線主要集中在二、三類HMI產(chǎn)品。由于HMI產(chǎn)品在自動化領(lǐng)域里的應(yīng)用比例大幅度提高，無論從深度還是廣度方面都有了顯著的成長，2006年以來這些知名的自動化公司也開始涉足一類小型HMI產(chǎn)品的開發(fā)和銷售。
2003年我國臺灣自動化廠商的HMI產(chǎn)品開始進入大陸國內(nèi)市場，臺灣這些公司的產(chǎn)品主要集中在二類HMI產(chǎn)品的開發(fā)和銷售；我們國內(nèi)的自動化廠商由于自有研發(fā)能力和自動化水平的限制，直到2004年才開始HMI產(chǎn)品的仿制和開發(fā)，到2008年為止，國內(nèi)市場有不到十家公司真正開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的人機界面產(chǎn)品，且產(chǎn)品主要集中在一、二類HMI產(chǎn)品。目前由于價格、易用性等原因，2006年以來，國產(chǎn)和臺灣的HMI產(chǎn)品在中低端國內(nèi)市場的占有率遙遙領(lǐng)先于國際上的知名廠商。
當(dāng)前國內(nèi)、外人機界面產(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，國內(nèi)小型人機界面產(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、功能簡單，存儲容量小，接口類型單一；雖然我們在產(chǎn)品的多樣化方面已做出了努力，如開發(fā)了基于8位單片機處理器的雙串口文本顯示器、POP手持文本顯示器等，但仍無法滿足工業(yè)自動化設(shè)備對處理速度、大存儲容量及組網(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。雖然8位單片機價格低廉，功能靈活，容易開發(fā)，卻越來越無法滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化設(shè)備對人機界面產(chǎn)品功能的要求。但這種低成本的人機界面產(chǎn)品又是市場占有率最大的HMI產(chǎn)品，是其它高成本人機界面產(chǎn)品不可替代的，有著巨大的市場前景，特別在小型、低價格機械設(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界面產(chǎn)品設(shè)計方案，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容量，滿足工業(yè)自動化設(shè)備對低成本HMI產(chǎn)品的高速、多功能、大容量存儲需求。
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)計了大量看、廉價、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、移動通訊等。ARM芯片從上世紀(jì)90年代問世以來，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，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)計的芯核具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點，因此獲得眾多的半導(dǎo)體廠家和整機廠商的大力支持，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。在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場領(lǐng)導(dǎo)地位。現(xiàn)在設(shè)計、生產(chǎn)ARM芯片的國際大公司已經(jīng)超過50多家，國內(nèi)中興通訊和華為通訊等公司也已經(jīng)購買ARM公司的芯核用于通訊專用芯片的設(shè)計。此外，ARM芯片還獲得了許多實時操作系統(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)核處理器芯片價格的持續(xù)下降，我們決定采用ARM處理器芯片來實現(xiàn)小型人機界面的高速處理功能。目前，市場上低端ARM芯片的價格和高端8位單片機價格已基本持平，雖然在ARM處理器產(chǎn)品的開發(fā)階段對開發(fā)人員的要求較高，人員費用也較高，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位單片機處理器的HMI產(chǎn)品高；而性能上卻遠高于基于單片機的HMI產(chǎn)品，由于性價比的大幅提高，市場的適用面也更加廣闊，特別有利于開發(fā)產(chǎn)品的國際市場。另外，由于ARM內(nèi)核芯片的強大加密功能使得產(chǎn)品的知識產(chǎn)權(quán)能得到有效的保護（POP文本顯示器在市場份額不斷加大的同時，也遭受了無良盜版的侵?jǐn)_），也有利于公司產(chǎn)品市場的開發(fā)、占有和保護。
二、本HMI產(chǎn)品的技術(shù)特點及創(chuàng)新點
1、 首次在小型人機界面中采用高性能32位ARM處理器單元
隨著自動化技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，用戶對人機界面產(chǎn)品的性能和功能要求也越來越高，原先基于8位單片機芯片的小型人機界面產(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法滿足用戶的要求。而近年來被廣泛應(yīng)用的32位ARM微處理器芯片，其強大的處理能力和豐富的擴展功能卻能方便地實現(xiàn)上述要求。為此，為了滿足用戶市場新的需求，提高我們產(chǎn)品在市場同類產(chǎn)品中的競爭力，我們決定研發(fā)基于32位ARM微處理器的第二代小型人機界面產(chǎn)品。
2、 首次在小型人機界面中同時支持雙串口設(shè)備鏈接
第一代小型人機界面產(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展能力方面都無法實現(xiàn)用戶對HMI產(chǎn)品雙串口實時通訊連接的要求，因此我們利用ARM微處理器的強大接口擴展功能，首次實現(xiàn)了小型HMI產(chǎn)品實時雙串口設(shè)備的通訊鏈接功能。
3、 預(yù)留以太網(wǎng)擴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微處理器的強大功能和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在自動化領(lǐng)域的普及發(fā)展，為了今后小型HMI產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)功能的擴充，我們在產(chǎn)品設(shè)計中預(yù)留了以太網(wǎng)接口。
4、 首次在小型人機界面中設(shè)置多達3Mb畫面Flash存儲容量
第一代小型HMI產(chǎn)品一般只有1Mb畫面存儲容量，在實際使用中，常常無法滿足部分用戶對大數(shù)量畫面容量的要求。同樣，由于8位單片機性能和擴展成本的考慮，第一代小型HMI產(chǎn)品無法簡單有效解決容量問題，但ARM微處理器的強大擴展能力卻可以方便的解決存儲容量問題。
5、 功能更強大的畫面
組態(tài)軟件（工具軟件）
由于有了ARM微處理器強大處理能力的支持，我們可以進一步豐富小型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，如時鐘記錄功能，動畫功能，配方功能，工業(yè)現(xiàn)場組網(wǎng)功能等。
6、 基于高性能實時操作系統(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，滿足用戶對工業(yè)產(chǎn)品高實時處理能力和高可靠性的要求。與此同時，通過對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能力。
三、小結(jié)
本小型人機界面產(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，綜合分析比較國內(nèi)外同類產(chǎn)品性能，并總結(jié)我們現(xiàn)有小型人機界面（基于8位處理器）產(chǎn)品開發(fā)和市場開發(fā)的基礎(chǔ)上提出的，克服了上一代同類產(chǎn)品的不足，能進一步滿足小型人機界面產(chǎn)品使用者對產(chǎn)品功能越來越多的要求。本產(chǎn)品在性能上達到了國際同類先進產(chǎn)品的水平，超過了國內(nèi)目前現(xiàn)有同類產(chǎn)品性能水平。
