基于狀態機的LCD多級菜單設計

1　概述

　　液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）由于其體積和功耗等因素，非常適合嵌入式環境的使用。近年來，隨著微處理器性能的提高，嵌入式系統實現的功能越來越強大，產生的數據量也越來越大。相對應地，需要顯示的數據量也隨之增大。嵌入式環境下使用LCD顯示器，由于條件限制，體積較小，且顯示的內容有限。而且，傳統的LCD顯示模式總是不加選擇地顯示所有監控的信息，在監控的信息量非常龐大時會導致不能及時顯示用戶所需求的信息。多級菜單顯示則是將信息分類顯示的一種顯示方式，該方式根據用戶的選擇，對顯示信息加以篩選并分級顯示，這樣既保證用戶獲取其所需的信息，又能保障信息顯示的實時性。

2　多級菜單的結構

　　設計多級菜單的目的在于將需要顯示的信息分門歸類，方便用戶篩選。所以在設計菜單時需要根據整個系統的功能和要求來設定菜單的級數，以及各級子菜單的個數。整個多級菜單的拓撲結構為樹型結構，主菜單為根節點，子菜單為枝節點，最后一級菜單為葉節點，如圖1所示。

圖1　多級菜單的結構圖

3　多級菜單的程序設計

3.1　循環方式

　　循環方式的設計思路：預先定義一個包含6個結構元素的結構體、5個字符型和1個指針型。第1個字符變量存放當前界面的索引號；第2個字符變量存放按下“down（向下）”鍵時需要跳轉到的索引號；第3個字符變量存放按下“up（向上）”鍵時需要跳轉到的索引號；第4個字符變量存放按下“enter（進入）”鍵時需要跳轉的索引號；第5個字符變量存放按下“esc（退出）”鍵時需要跳轉的索引號；第6個變量為函數指針變量，存放當前索引號下需要執行的函數的入口地址。

　　將所有需要顯示的界面其所對應的執行函數和按鍵索引號以結構體的形式列表存儲。具體實現如下：
typedef struct{
uchardown_index;
ucharup_index;
ucharenter_index;
ucharesc_index;
void (*operate)();
}Key_index_struct;

　　假設菜單分3級，共10個界面，則有：
Key_index_struct const Key_tab[10]={
{0, 0, 0, 1, 0,(*main_menu)},
{1, 2, 3, 4, 0,(*sub_menu1)},
{2, 3, 1, 5, 0,(*sub_menu2)},
{3, 1, 2, 7, 0,(*sub_menu3)},
{4, 4, 4, 4, 1,(*sub_menu1_1)},
{5, 6, 6, 5, 2,(*sub_menu2_1)},
{6, 5, 5, 5, 2,(*sub_menu2_2)},
{7, 8, 9, 7, 3,(*sub_menu3_1)},
{8, 9, 7, 8, 3,(*sub_menu3_2)},
{9, 7, 8, 9, 3,(*sub_menu3_3)},
};
void Lcd_display(void){
switch(Key_status){
case enter:
Key_fun=Key_tab[Key_fun].enter_index;
break;
case down:
Key_fun=Key_tab[Key_fun].down_index;
break;
case up:
Key_fun=Key_tab[Key_fun].up_index;
break;
case esc:
Key_fun=Key_tab[Key_fun].esc_index;
break;
default:
return;
break;
}
Key_fun_Pt=Key_tab[Key_fun].operate;
(*Key_fun_Pt)();//執行當前按鍵的操作
}

　　當微處理器掃描鍵盤檢測到有按鍵按下時，根據按鍵按下的類型，返回在當前界面下其所對應的跳轉索引號，并執行相應的函數。

　　由于每個界面的繪制都是由一個獨立函數實現的，從循環方式的實現過程中發現，每發生一次按鍵按下操作都需要重新繪制整個屏幕。如果核心處理器是低速主頻的處理器，在界面切換的時候會閃爍。而且，每一個界面都有固定不變的索引號，在增加或刪除界面的時候需要重新修改整個列表，降低了程序的可移植性。

3.2　查詢方式

　　查詢方式是通過結構體對自身的遞歸調用實現菜單的多級嵌套。

　　結構體通過對自身的兩次調用構建雙向列表。一個菜單界面即為一個節點，節點的前驅和后繼分別存放其父節點和子節點的入口地址。

　　菜單參數的結構體定義如下：
typedef struct Lcd_menu_content{
uchar *lpIcon;//顯示圖標
uchar *lpText;//顯示文本信息
uchar nTextCount; //菜單對應的文本信息的個數
}Lcd_menu_content;

　　每個界面對應一個節點，節點都定義成如下結構體的變量：
typedef struct Lcd_menu{
struct Lcd_menu*lpfather;//父級
struct Lcd_menu*lpson;//大兒子
uchar nSonCount;//父級的兒子個數
Lcd_menu_content lpIconAndText;
uchar Flag_return;//返回標志
void (*operate)();//處理函數入口地址
}Lcd_menu;

　　由圖1可知，多級菜單的拓撲結構為樹型拓撲結構，即每一個節點只有一個父節點和若干個子節點。所以，對整個叉樹進行遍歷即可準確地查找到菜單界面所在的節點。
　　結構體實現的鏈表如圖2所示。

圖2　結構體鏈表

　　查詢方式與循環方式相比，由于減少了查表次數，因而改善了MPU的效率；但查詢方式占用MPU處理時間過長，不適應需要高速處理數據的應用。而且，在查詢方式中增加或刪除節點對程序改動較大，也不適合移植。

3.3　狀態機方式

　　狀態機是由事件驅動，在各個狀態之間跳轉。采用狀態機方式時，只需要提供驅動事件（在此設計中驅動事件為有效的按鍵按下），然后根據按鍵掃描返回的鍵值，決定所要跳轉的下一狀態。

　　如圖3所示，系統啟動初始化是顯示Main_menu界面，當按鍵檢測有返回值(即有按鍵按下)時，根據按下的按鍵所代表的操作跳轉到指定的狀態。例如：按下Up或者是down鍵時，只是在Main_menu界面內高亮顯示不同區域；按下Enter時，則要根據原來按下的Up和down鍵來選擇需要跳轉的方向，假設在按下Enter之前僅按下一次down鍵，則key_v的值為2（key_v的值默認為1，即默認選中子菜單的第一項），就跳轉為Sub_menu2界面；按下Esc鍵時，為從子菜單返回到上一級菜單，如果已經是主菜單了則返回的還是主菜單。

圖3　多級菜單的狀態圖

　　由于使用的是狀態機的方式，只有發生一次有效的按鍵，狀態才會發生一次跳轉。而且，僅當Enter和Esc鍵按下時，才會切換界面。所以即便是在高速MPU應用中，也不會出現屏幕閃爍的效果。

　　從圖3中可以看出，當要發生狀態跳轉時，目的狀態只能是當前狀態幾個分支預測中的一個，從而不需要遍歷整個列表，能夠適應高速數據處理的場合。

　　多級菜單的程序流程如圖4所示。系統上電初始化后顯示主菜單，鍵盤掃描可以通過主程序中循環查詢或者中斷掃描來實現，最終根據鍵盤返回的鍵值選擇下一狀態。

　　圖5為基于狀態機的多級菜單的實現。

圖4　多級菜單的程序流程圖


圖5　多級菜單的實現

結語

　　以上三種多級菜單的實現方式均具有很強的實用性。循環方式和查詢方式下，程序結構簡單易用，而狀態機方式下程序可移植性強。狀態機程序設計不僅可以用在人機接口設計中，還可用于嵌入式通信協議等其他場合中。