低硬體資源的人機互動界面系統設計與實作

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姓名

蔡世璋(Shi-zhang Tsai) 查詢紙本館藏

畢業系所

資訊工程學系在職專班

論文名稱

低硬體資源的人機互動界面系統設計與實作
(Design and Implementation of a Hardware-constrained Human-Machine Interaction System)

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摘要(中)

現今圖形人機系統(GUI)都是架構在作業系統上。應用程式一般透過作業系統提供的繪圖函式庫繪製出使用者互動介面。此一方法通常需要大量的硬體計算資源，即使是一個簡單的應用功能，也需要借助完整的作業系統和函式庫的支援，不但耗費硬體成本，也增加系統耗電。本研究基於低階嵌入式系統使用的微控制器(MCU)為平台，開發一套無須作業系統的圖形使用者介面的嵌入式中介軟體。此一中介軟體包含兩個核心模組：圖形LCD顯示控制、以及基本的點、線、圓、矩形等基本繪圖模組及觸控手勢辨識模組。前者提供工業人機介面系統開發者藉以快速設計出豐富2D視覺化元件(visual gauge)，後者則整合觸控面板控制和手勢辨識，但本專題最終目的是要設計出透過MIAT實驗室一套方法論[1][2]以實驗板提供給GUI基本的畫點、畫線、畫圓、畫矩形…等的架構，此方法可加速GUI在顯示時的速度也可大幅降低佔用硬體資源，且配合液晶顯示器模組(Liquid Crystal display Module，LCM)上的觸控面板來操控人機互動式介面，但最終的GUI介面可透過遠端Server編輯圖形佈署至為Client端的實驗板上力求方便、快速及美觀性。

摘要(英)

Most of the GUI(Graphical User Interfaces) are being built on dedicated host operating systems, and applications generally rely on the graphics middleware of their operating systems to draw and map out user interfaces. This method usually requires a lot of computational hardware resources and RTOS-level supporting even for a simple GUI application, this is not only inefficient, but also increase the system power consumption.Our study aims to develop a HMI embedded middleware with no requirement of operation system, build on directly bare-metal microcontroller platform. This middleware consists of two core modules: GUI module and touch gesture module. In the GUI module, we implement the graphic LCD display control and fundamental 2D graphics functions, which provide the HMI developer to quickly design rich 2D visual gauges. For touch gesture module, we integrate the touch panel control and gesture recognition functions. The MIAT design methodology is applied to design the embedded HMI middleware. According the hierarchical and modular design paradigm, we implemented an efficient GUI and touch gesture API for Cortex-M3 microcontroller. A HMI prototype system integrating the proposed middleware is realized. It reveal that our system can accelerate substantially the GUI display and touch-based human-machine interaction and simultaneously reduce the hardware resources.

關鍵字(中)

★ 工業HMI
★ 人機互動界面系統

關鍵字(英)

★ Human-Machine

論文目次

摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章、緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 3
1.3 論文架構 3
第二章、人機互動式介面技術回顧 5
2.1 LCD顯示器 5
2.2 TFT-LCD控制 7
2.3 觸控 9
觸控晶片 11
2.4 觸控手勢辨識 14
異常座標點濾除 14
異常尺度調整 14
座標點插補 15
手勢分類器 16
2.5 圖形使用者介面軟體架構 16
2.6 即時監控人機互動介面技術回顧 18
2.6.1 遠端參數控制設定 19
2.6.2 遠端互動監測應用 21
2.6.3 遠端互動控制應用 24
2.6.4 遠端互動場景應用 27
2.7 uIP乙太網路 27
2.7.1 uIP特性 28
2.7.2 uIP文件結構 29
2.7.3 uIP架構 30
2.8 GRAFCET 32
第三章、嵌入式GUI設計 36
3.1 mGUI架構 36
3.2 LCD驅動原理流程 38
3.3 mGUI繪圖函式中介軟體 42
3.3.1 mGUI Canvas的方法 43
3.3.2 mGUI Canvas實例 44
3.2 視覺化元件 49
第四章、結合觸控手勢的HMI系統設計 52
4.1 觸控訊號處理 52
4.2 觸控手勢辨識 54
4.3 觸控與視覺化元件的互動 55
4.4 影像操作的觸控人機介面 57
第五章、智慧聯網HMI系統整合與驗證 60
5.1 HMI實驗平台 60
5.1.1 實驗平台架構圖 64
5.2 uIP移植 65
5.3 雲端server之網頁設計 68
5.3.1 ASP.NET介紹 68
5.3.2 網頁設計第一步 69
5.3.3 ASP.NET網頁設計流程 69
5.4智慧聯網HMI應用 70
5.5 HMI系統性能評估 71
第六章、結論與未來展望 74
6.1 結論 74
6.2 未來展望 75
參考文獻 77

參考文獻

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指導教授

陳慶瀚

審核日期

2013-7-26

推文