近年來，面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法（OOP）已成為人們構(gòu)造程序的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，很多采用OOP方法設(shè)計(jì)的程序成為程序設(shè)計(jì)的典范，Windows應(yīng)用程序就是一例。借鑒Windows應(yīng)用程序界面設(shè)計(jì)思想，將面向?qū)ο蟮姆椒ㄒ肟乇卧藱C(jī)界面的設(shè)計(jì)，使人機(jī)交互程序變得清晰簡潔，同時(shí)大大提高了在不同功用控保單元上的可移植性。 1 變電站自動化系統(tǒng)控保單元人機(jī)界面功能分析 1.1 控保單元 1.1.1 控保單元簡介 變電站綜合自動化系統(tǒng)已經(jīng)從早期的集中式單CPU發(fā)展到今天的分層分布式多CPU系統(tǒng)。目前變電站綜合自動化的發(fā)展趨勢是將功能強(qiáng)大的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與全數(shù)字化的微機(jī)保護(hù)測控技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合起來，取代傳統(tǒng)的RTU，實(shí)現(xiàn)無人值班。目前國內(nèi)變電站綜合自動化發(fā)展的趨勢是將傳統(tǒng)上集中在一起的監(jiān)控 、保護(hù)功能分散到各個(gè)現(xiàn)場中分布實(shí)施。具體來說就是在變電站中按照電氣間隔劃分單元，每一個(gè)獨(dú)立控保裝置（如進(jìn)線、出線、變壓器、母聯(lián)、電容器等）分別安裝各自獨(dú)立的控保單元。這些分散的控保單元再通過通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控主機(jī)連起來，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，從而實(shí)現(xiàn)集中管理、分散控制。這種體系結(jié)構(gòu)符合變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)規(guī)范，調(diào)整擴(kuò)建簡單，設(shè)備布置整齊，運(yùn)行維護(hù)方便。 1.1.2 控保單元人機(jī)界面正面示圖 圖1控保單元操作界面圖圖1所示的某種典型控保單元操作界面可分為4個(gè)區(qū)域：區(qū)域A為液晶顯示區(qū)；區(qū)域B為鍵盤輸入?yún)^(qū)；區(qū)域C為控制命令輸入?yún)^(qū)；區(qū)域D為指示燈及揚(yáng)聲器輸出區(qū)。注意：為了防止誤操作，特意將控制命令鍵同鍵盤輸入?yún)^(qū)域B分開，單獨(dú)列為區(qū)域C，并且加密碼保護(hù)。 1.2 鍵盤 鍵盤作為控保單元人機(jī)交互系統(tǒng)的主要組成部分，擔(dān)負(fù)著傳遞用戶命令至控保單元的任務(wù)。按人機(jī)交互系統(tǒng)對其不同的響應(yīng)過程可將按鍵分為以下5類： （1） 數(shù)字鍵+小數(shù)點(diǎn)鍵+回退鍵 這些鍵用做單個(gè)或連續(xù)數(shù)字的輸入，并由交互系統(tǒng)軟件賦予其意義。 （2） 上/下移動選擇鍵 這兩個(gè)鍵用做菜單選擇、屏幕翻頁、選項(xiàng)選定等。 （3） 確認(rèn)鍵 此鍵用做選定操作項(xiàng)，類似于Windows中的［OK］鍵。 （4） 取消鍵 用做取消當(dāng)前操作項(xiàng)或菜單退回到上級目錄，類似于Windows中的［CANCEL］鍵。 （5） 命令鍵 這些鍵用做合分閘、遠(yuǎn)動就地切換、事故復(fù)位等重要命令的輸入。 1.3 液晶屏幕 液晶屏幕在控保單元人機(jī)交互系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著傳遞控保單元信息至用戶的任務(wù)。為了使操作簡單方便，液晶屏幕信息的顯示采用了分層菜單結(jié)構(gòu)，輔以上/下移動選擇鍵、確認(rèn)鍵、取消鍵就可完成整個(gè)菜單的完全檢索。菜單結(jié)構(gòu)是建立在“頁面”的基礎(chǔ)上的，所謂“頁面”，指的是液晶上顯示的一屏，由兩部分組成：靜態(tài)文本和動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)文本包括說明性的文字及提示信息等，由漢字和字符組成，在人機(jī)交互軟件中是用字符串來表示的；動態(tài)數(shù)據(jù)指實(shí)時(shí)刷新的數(shù)值或可由用戶修改的信息，在人機(jī)交互軟件中是用數(shù)值變量來表示的，液晶頁面根據(jù)其組成的不同可分為以下幾類： （1） 純文本頁面。如目錄，這類頁面不包括數(shù)據(jù)，因此顯示時(shí)只要刷新一次即可。 （2） 文本+實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頁面。如測量電量顯示頁面，這類頁面由于包含實(shí)時(shí)刷新的數(shù)據(jù)，顯示時(shí)，數(shù)據(jù)顯示部分須不斷刷新以保持實(shí)時(shí)有效，但用戶不能通過鍵盤對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改等操作。 （3） 文本+可修改數(shù)據(jù)頁面。如定值修改頁面，這類頁面包含的可修改數(shù)據(jù)可由用戶通過鍵盤的數(shù)字鍵進(jìn)行改動。 （4） 幫助信息頁面。如錯(cuò)誤操作警告等，這類頁面通常由純文本組成，但與以上3類頁面都不同的是頁面在顯示一段時(shí)間后會自動切換到引起該幫助信息的頁面。 2 以頁面為對象的控保單元人機(jī)交互設(shè)計(jì) 2.1 Windows應(yīng)用程序界面與控保單元界面相似之處 Windows應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程是典型的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，同時(shí)Windows應(yīng)用程序“窗口”界面與控保單元人機(jī)交互界面有很大相似之處：（1）窗口通過消息響應(yīng)機(jī)制響應(yīng)鍵盤或鼠標(biāo)等輸入設(shè)備的輸入信息，而在控保單元的某個(gè)頁面也是響應(yīng)鍵盤的輸入；（2）兩者都是在一簡單的while（）循環(huán)中響應(yīng)外部輸入的；（3）都用多層嵌套的switchcase語句來決定某一消息對應(yīng)進(jìn)行何種操作。由此，自然想到借鑒Windows應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)控保單元人機(jī)界面。當(dāng)然，在單片機(jī)上設(shè)計(jì)菜單不同于Windows環(huán)境下軟件的開發(fā)，因?yàn)樵S多Windows內(nèi)部的消息響應(yīng)機(jī)制以及由Windows封裝的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、對象和標(biāo)準(zhǔn)處理函數(shù)，在單片機(jī)系統(tǒng)中統(tǒng)統(tǒng)不存在。盡管如此，設(shè)計(jì)控保單元人機(jī)界面時(shí)仍然可以借鑒大量的Windows程序開發(fā)思路。 2.2 控保單元頁面 控保單元的頁面與Windows應(yīng)用程序中的窗口有很多相似之處。首先頁面處理的核心也是一個(gè)循環(huán)機(jī)制，它一直運(yùn)行并響應(yīng)外部有效按鍵輸入，直到得到切換窗口的鍵碼。這與Windows窗口消息循環(huán)機(jī)制有很大相似之處；當(dāng)然，基于單片機(jī)的頁面按鍵響應(yīng)機(jī)制不能借用Windows的消息響應(yīng)機(jī)制，而只能每得到一個(gè)按鍵響應(yīng)就處理一個(gè)。一個(gè)頁面生命周期流程表示如圖2：  圖2表示的流程實(shí)際上也是控保單元人機(jī)界面程序的入口程序main（）的主體部分，只需在前面加上液晶、通訊模塊的初始化及全局變量的初始化就構(gòu)成了main（）程序。流程圖中的幾個(gè)重要模塊說明如下： 初始化并顯示頁面包括以下幾個(gè)操作： （1） 調(diào)用一清屏函數(shù)ClearPage（），清除上次頁面的遺留物； （2） 顯示當(dāng)前頁面內(nèi)容。如前所說，頁面由靜態(tài)文本和動態(tài)數(shù)據(jù)兩部分組成，因此這里也分兩步顯示頁面內(nèi)容： a.調(diào)用DisplayTxt（unsigned char＊）函數(shù)顯示當(dāng)前頁面的靜態(tài)文本，靜態(tài)文本在屏幕上是逐行分布的，舉例來說，一個(gè)256＊128點(diǎn)陣的液晶屏幕，顯示一個(gè)漢字需16＊16，英文字符需8＊16，因此，整個(gè)屏幕可以分成8行，每行可顯示16個(gè)漢字或32個(gè)英文字符。調(diào)用8次DisplayTxt函數(shù)就可完成頁面的靜態(tài)文本的顯示 。DisplayTxt函數(shù)所帶的行參就是指向某一行文本的指針。 b.顯示當(dāng)前頁面的動態(tài)數(shù)據(jù)。首先頁面應(yīng)刷新保存在緩沖區(qū)內(nèi)的當(dāng)前頁面的動態(tài)數(shù)據(jù)，此步驟調(diào)用Refr eshData（STRUCT＊），傳遞參數(shù)是一個(gè)指向頁面結(jié)構(gòu)的指針。該函數(shù)負(fù)責(zé)從控保單元的數(shù)據(jù)采集CPU得到實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)，并保存在本地緩沖區(qū)以備顯示。然后頁面調(diào)用DisplayData（）顯示動態(tài)數(shù)據(jù)。 鍵盤掃描循環(huán)是一無條件的while（）循環(huán)，它通過鍵盤掃描函數(shù)ScanKeyboard（）返回鍵碼并進(jìn)行相應(yīng)的操作，直到接收到的按鍵會導(dǎo)致頁面切換為止，這時(shí)，根據(jù)當(dāng)前頁面的一個(gè)指針?biāo)傅男马撁?，程序結(jié)束當(dāng)前頁面，轉(zhuǎn)而進(jìn)入新頁面的生命周期。循環(huán)中，除了包含鍵掃描函數(shù)ScanKeyboard（）外，如果該頁面有動態(tài)數(shù)據(jù)，還應(yīng)包含刷新數(shù)據(jù)的函數(shù)RefreshData（STRUCT＊），以保持?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。 處理按鍵是用一個(gè)兩層嵌套的switch-case語句來實(shí)現(xiàn)的。如前面1.2節(jié)所述，將按鍵分為5類，而每一類按鍵又根據(jù)當(dāng)前頁面不同類型分別進(jìn)行處理。 默認(rèn)處理一般可設(shè)為不響應(yīng)。 3 頁面操作的具體實(shí)現(xiàn) 3.1 按鍵處理 按鍵處理函數(shù)是整個(gè)應(yīng)用程序的核心，在這里，程序定義某一頁面下對何按鍵作何處理。下面分析一下每種按鍵的處理。 3.1.1 數(shù)字鍵+小數(shù)點(diǎn)鍵+回退鍵 這些鍵只有在有可修改數(shù)據(jù)的頁面下才會響應(yīng)，因此對它們只有一種處理，即將輸入數(shù)字鍵翻譯成對應(yīng)的數(shù)值。 3.1.2 上/下移動選擇鍵 不同的頁面下，這兩個(gè)鍵的響應(yīng)處理也不同，分為： （1） 切換到新的頁面。例如，顯示測量電量時(shí)，一屏顯示不下，需多屏顯示時(shí)，在顯示其中某一屏?xí)r按上/下移動選擇鍵，將顯示相連的屏幕。 （2） 操作條目的移動。菜單的當(dāng)前操作條目是用反色顯示的方法表示的，上/下移動選擇鍵使反色顯示區(qū)移動到用戶選擇的操作條目。 （3） 可選項(xiàng)的選擇?？蛇x項(xiàng)指的是界面提供給用戶通過上/下選擇鍵選定的值，例如界面提供通訊速率的幾種選擇，上/下選擇鍵使用戶在這些可選速率之間切換，直到選中所需通訊速率。 3.1.3 確認(rèn)鍵 確認(rèn)鍵的響應(yīng)有以下幾種可能： （1） 切換到新的頁面。 （2） 切換當(dāng)前條目的狀態(tài)。在設(shè)置參數(shù)時(shí)，選中條目有修改態(tài)和查詢態(tài)兩種狀態(tài)，用確認(rèn)鍵使設(shè)置值在反色和正常之間切換，來代表修改態(tài)和查詢態(tài)之間的切換。 （3） 確認(rèn)當(dāng)前的輸入。 3.1.4 取消鍵 取消鍵只有一種響應(yīng)處理：退出當(dāng)前頁面，進(jìn)入新的頁面顯示（通常是返回到當(dāng)前頁面的前一頁面）。 3.2 頁面結(jié)構(gòu) 上述頁面顯示流程的分析以及按鍵處理的分析，給出了一個(gè)頁面生命周期內(nèi)的所有活動以及這些活動所需的頁面屬性。下面我們就根據(jù)上述頁面顯示流程的分析以及按鍵處理的分析，定義頁面結(jié)構(gòu)。由上述的分析，頁面活動分顯示和響應(yīng)按鍵兩大部分，因此頁面結(jié)構(gòu)也分與之相關(guān)的兩部分。如下所示： 上面只定義了部分與顯示有關(guān)的變量，與按鍵響應(yīng)有關(guān)的變量也只定義了有關(guān)取消鍵的變量。這是因?yàn)楸疚牡哪康闹皇墙o出借鑒Windows程序的頁面設(shè)計(jì)框架思路，具體到頁面結(jié)構(gòu)中各變量的具體定義，只需根據(jù)前面流程的分析以及按鍵處理的分析用到了那些頁面的屬性，加入對應(yīng)的頁面變量即可。而按鍵處理隨實(shí)際情況而定，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)風(fēng)格也因人而異，所以具體定義頁面結(jié)構(gòu)變量由讀者需要而定。 4 完成控保單元整個(gè)人機(jī)界面設(shè)計(jì) 上一節(jié)完成了以頁面為中心的控保單元人機(jī)界面主流程，并給出了頁面結(jié)構(gòu)的定義。要完成控保單元整個(gè)人機(jī)界面設(shè)計(jì)，還缺少基本的顯示、鍵掃描、通訊接口函數(shù)。不同于Windows應(yīng)用程序可以利用大量現(xiàn)成的Windows API函數(shù)，在控保單元人機(jī)界面的設(shè)計(jì)中，這些底層接口函數(shù)都需自己設(shè)計(jì)。另外在接口函數(shù)基礎(chǔ)上的一些頁面方法（函數(shù)）也需自己設(shè)計(jì)。由于接口函數(shù)隨硬件而異，頁面方法隨用戶需要而定，下面只按功能列出它們： （1） 有關(guān)按鍵處理的功能模塊。應(yīng)包括按鍵掃描模塊、輸入轉(zhuǎn)換模塊（將輸入一串?dāng)?shù)字鍵翻譯成一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)）。 （2） 有關(guān)顯示功能模塊。應(yīng)包括文本顯示模塊、數(shù)值顯示模塊等。 （3） 通訊模塊。應(yīng)包括通訊接口模塊、轉(zhuǎn)換模塊（將數(shù)據(jù)打包傳送給通訊接口及將接受到的數(shù)據(jù)包還原 ）。 5 結(jié)束語 上文將面向?qū)ο蟮姆椒☉?yīng)用于控保單元人際界面設(shè)計(jì)的全過程，尤其借鑒了Windows應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)思路，雖然基于單片機(jī)的人際界面程序不可能實(shí)現(xiàn)Windows應(yīng)用程序的核心——消息響應(yīng)機(jī)制，但是仍然大大提高了界面友好性及程序的可移植性，顯示了面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計(jì)的優(yōu)越性。