一、 本項目的技術和產業(yè)發(fā)展背景和必要性
人機界面產品的基本概念
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功能，使用戶感覺愉快、興趣增強，從而提高設備的使用效率。HMI為英文Human-Machine Interface的縮寫 。
人機界面產品（以下簡稱HMI產品）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、直流調速器、儀表等工業(yè)控制設備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）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)字設備；人機界面產品由硬件和軟件兩部分組成。
人機界面產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產品的性能高低，是HMI產品的核心單元。根據(jù)HMI產品的等級不同，中央處理單元可分別選用8位、16位、32位的處理器。
HMI產品的軟件一般分為兩部分：即運行于HMI產品嵌入式硬件系統(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產品的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI 產品的串行、USB等通訊接口，把編制好的“工程文件”下載到HMI產品的中央處理器中運行。
人機界面產品國、內外研究及發(fā)展趨勢
人機界面產品的發(fā)展歷史：
人機界面產品的發(fā)展是隨著工業(yè)自動化技術的發(fā)展應運而生的，同時隨著計算機軟硬件技術和大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，人機界面產品也在不斷的發(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80年代以前：由狀態(tài)指示燈和機械開關等組成的人機操縱界面屏
· 20世紀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品
· 20世紀90年代：由8位單片機、多種輸入設備（如觸摸屏）和光柵圖形顯示設備、 個人計算機（PC），工作站等組成的智能人機交互設備。
· 21世紀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、網絡單元等組成的新一代人智能機界面產品。
新一代智能人機界面產品的分類：
· 一類產品：薄膜鍵盤輸入的HMI產品，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、常用于小型機械設備的電氣控制中，市場占有率巨大。
· 二類產品：觸摸屏輸入的HMI產品，顯示屏尺寸為5.7ˊ～12.1寸，同時支持2個串行接口設備，無網絡接口。畫面組態(tài)軟件免費，一般可稱為“觸摸屏”，使用較復雜、價格中等、用于中型機械設備，市場占有率較大。
· 三類產品： 基于工業(yè)平板PC計算機的、具有多種通訊接口（如網絡接口）、多功能的HMI產品，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，使用復雜、價格高、大型工業(yè)設備中使用，市場占有率低。
隨著超大規(guī)模集成電路技術和計算機技術的飛速發(fā)展，未來的人機界面產品在功能上的高、中、低劃分將越來越不明顯，中低端的HMI產品的性能將越來越強，高端產品的價格也將越來越向中低端靠攏；5.7寸以上的HMI產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硬件的高端產品，因為這種高端的產品在處理器速度、存儲容量、通訊接口種類和數(shù)量、組網能力、軟件資源共享上都有較大的優(yōu)勢，是未來HMI產品的高端發(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、網絡鏈接功能、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、小型機械設備的人機交互應用中得到廣泛應用。
雖然人機界面產品發(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)達國家在自動化領域大比例應用基于微處理器的人機界面產品始于上世紀90代，而我國在自動化機械設備產品中大比例使用智能人機界面產品則始于本世紀初。隨著計算機技術、液晶顯示設備、集成電路、網絡通訊技術的發(fā)展，HMI產品已經逐漸成為了主流自動化機械設備上的標配產品，同時HMI產品的應用行業(yè)范圍也已經從開始的傳統(tǒng)工業(yè)延伸到了交通、物流、市政、醫(yī)療設備、智能家居等需要人機交互的廣闊領域中。
當前國、內外人機界面產品市場情況：
由于人機界面產品是從自動化領域中發(fā)展應用而來的，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品，且產品線主要集中在二、三類HMI產品。由于HMI產品在自動化領域里的應用比例大幅度提高，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產品的開發(fā)和銷售。
2003年我國臺灣自動化廠商的HMI產品開始進入大陸國內市場，臺灣這些公司的產品主要集中在二類HMI產品的開發(fā)和銷售；我們國內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產品的仿制和開發(fā)，到2008年為止，國內市場有不到十家公司真正開發(fā)了自主知識產權的人機界面產品，且產品主要集中在一、二類HMI產品。目前由于價格、易用性等原因，2006年以來，國產和臺灣的HMI產品在中低端國內市場的占有率遙遙領先于國際上的知名廠商。
當前國內、外人機界面產品中使用的技術情況：（以一、二類HMI產品為例）
從上面可以看出，國內小型人機界面產品（一類HMI產品）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)自動化設備對處理速度、大存儲容量及組網鏈接的要求。
我們經過分析研究發(fā)現(xiàn)，這種不足，完全是由于國內的一類HMI產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)自動化設備對人機界面產品功能的要求。但這種低成本的人機界面產品又是市場占有率最大的HMI產品，是其它高成本人機界面產品不可替代的，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內核處理器的第二代小型人機界面產品設計方案，通過核心處理器的性能提供，大幅提高了HMI產品的處理速度和存儲容量，滿足工業(yè)自動化設備對低成本HMI產品的高速、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)設計了大量看、廉價、高性能、低功耗的RISC處理器的相關技術和軟件，適用于多種領域，如嵌入控制、DSP、多媒體、移動通訊等。ARM芯片從上世紀90年代問世以來，在32位RISC 微處理器開發(fā)領域不斷取得突破，其結構已經從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體制造商出售知識產權，而自己從不介入芯片的生產銷售，加上其設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體廠家和整機廠商的大力支持，在32位嵌入式應用領域獲得了巨大的成功，目前已經占有75%以上的32位RISC嵌入式產品市場。在低功耗、低成本的嵌入式應用領域確立了市場領導地位。現(xiàn)在設計、生產ARM芯片的國際大公司已經超過50多家，國內中興通訊和華為通訊等公司也已經購買ARM公司的芯核用于通訊專用芯片的設計。此外，ARM芯片還獲得了許多實時操作系統(tǒng)(RTOS：Real Time Operating System)供應商的支持，比較知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks Mucleus、EPOC、uCOS、BeOS等。
基于ARM內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，但當產品開發(fā)完成后，32位ARM處理器產品的硬件生產成本并不比基于8位單片機處理器的HMI產品高；而性能上卻遠高于基于單片機的HMI產品，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)產品的國際市場。另外，由于ARM內核芯片的強大加密功能使得產品的知識產權能得到有效的保護（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擾），也有利于公司產品市場的開發(fā)、占有和保護。
二、本HMI產品的技術特點及創(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
隨著自動化技術和微處理器技術的發(fā)展，用戶對人機界面產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，提高我們產品在市場同類產品中的競爭力，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品。
2、 首次在小型人機界面中同時支持雙串口設備鏈接
第一代小型人機界面產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產品實時雙串口設備的通訊鏈接功能。
3、 預留以太網擴展接口以備增加工業(yè)設備網絡鏈接功能
同樣、基于ARM微處理器的強大功能和網絡技術在自動化領域的普及發(fā)展，為了今后小型HMI產品聯(lián)網功能的擴充，我們在產品設計中預留了以太網接口。
4、 首次在小型人機界面中設置多達3Mb畫面Flash存儲容量
第一代小型HMI產品一般只有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
本小型人機界面產品的技術方案是結合當前ARM內核處理器技術發(fā)展情況，綜合分析比較國內外同類產品性能，并總結我們現(xiàn)有小型人機界面（基于8位處理器）產品開發(fā)和市場開發(fā)的基礎上提出的，克服了上一代同類產品的不足，能進一步滿足小型人機界面產品使用者對產品功能越來越多的要求。本產品在性能上達到了國際同類先進產品的水平，超過了國內目前現(xiàn)有同類產品性能水平。
