触摸屏VS触摸式人机界面

1.人机界面的定义

人机界面最简单的定义是，在人与机器之间，通过某种界面，人能够对机器设备下达指令，机器设备则能够透过此界面，将执行状况与系统状况反馈给使用者，换言之，正确地在人机之间传达信息和指令，就是人机界面的主要定义。

人机界面可连接可编程序控制器（PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器设备信息交互，人机界面由硬件和软件两部分组成。

人机界面或称为人机接口（Human-Machine Interface，HMI）是一个涵盖多重科技的领域，包括人因工程、人体工学、计算机科学、人工智慧、认知心理学、哲学、社会学、人类学、设计学与工程学等学科，因此不能完全以IT科技的角度观察与研究，甚至其中认知心理学的重要性可能比计算机科学重要。

从严格意义上来说，人机界面与人们常说的“触摸屏”是有本质上的区别的。因为“触摸屏”仅是人机界面产品中可能用到的硬件部分，是一种替代鼠标及键盘部分功能、安装在显示屏前端的输入设备。而人机界面产品则是一种包含硬件和软件的人机交互设备。在工业应用中，人们常把具有触摸输入功能的人机界面产品简称为“触摸屏”，但这是不科学的，具有触摸输入功能的人机界面应称为“触摸式人机界面”。

人机界面产品包含硬件和相应的专用画面组态软件，一般情况下，不同厂商的人机界面硬件使用不同的画面组态软件，连接的主要设备是PLC。而组态软件是运行于PC硬件平台、Windows操作系统下的一个通用工具软件产品，组态软件和PC或工控机一起也可以组成人机界面产品。通用的组态软件支持的设备种类非常多，如各种PLC、PC板卡、仪表、变频器、模块等设备，而且由于PC的硬件平台性能强大（主要反应在速度和存储容量上），通用组态软件的功能也强很多，适用于大型的监控系统中。

2.人机界面设计

由于受传统观念的影响，很长一段时间里，人机界面一直不为软件开发人员所重视，认为这纯粹是为了取悦用户而进行的低级活动，没有任何实用价值。评价一个应用软件质量高低的唯一标准，就是看它是否具有强大的功能，能否顺利帮助用户完成他们的任务。近年来，随着计算机硬件技术的迅猛发展，计算机的存储容量、运行速度和可靠性等技术性能指标有了显著的提高，计算机硬件的生产成本却大幅度下跌，个人计算机日益普及。新一代的计算机用户，在应用软件的可操作性以及软件操作的舒适性等方面对应用软件提出了更高的要求，除期望所用的软件拥有强大的功能外，更期望应用软件能尽可能地为他们提供一个轻松、愉快、感觉良好的操作环境。这表明，人机界面的质量已成为一个大问题，友好的人机界面设计已经成为应用软件开发的一个重要组成部分。

（1）人机界面的风格

人机界面的风格是指在计算机系统的用户界面上控制输入的方法，人机界面的风格经过了以下4代的演变：

1）命令语言。在图形显示、鼠标、高速工作站等技术出现之前，现实可行的人机界面方式只能是命令和询问方式，通信完全以正文形式并通过用户命令和用户对系统询问的响应来完成。这种方式使用灵活，便于用户发挥其创造性，对熟练的用户有很高的工作效率，但对一般用户来说要求高，易出错，并难以学习，错误处理能力也较弱。

2）菜单选项。这种方式与命令行方式相比不易出错，可以大大缩短用户的培训时间，减少用户的击键次数，可以使用对话管理工具，错误处理能力有了显著提高。但使用起来仍然乏味，可能出现菜单层次过多及菜单选项复杂的情形，必须逐级进行选择，不能一步到位，导致交互速度显得太慢。

3）面向窗口的点选界面。此类界面亦称WIMP界面，即窗口（Windows）、图标（I-cons）、菜单（Menus）、指示器（Pointing Device）四位一体形成桌面（Desktop）。这种方式能同时显示不同种类的信息，使用户可在几个工作环境中切换而不丢失几个工作之间的联系，用户可通过下拉式菜单方便执行控制型和对话型任务，引入图标、按钮和滚动杆技术，大大减少键盘输入，对不精于打字的用户无疑提高了交互效率。

4）自然语言使用。自然语言与应用软件进行通信，把第3代界面技术与超文本、多任务概念结合起来，使用户可同时执行多个任务（以用户的观点）。随着文字、图形、语音的识别与输入技术的进一步发展，多媒体技术在人机界面开发领域内的进一步发展，自然语言风格的人机界面将得以迅速地发展，最终走向实用化。

（2）人机界面设计目标

人机界面设计所需要达成的目标，不仅仅是单一的命令与回馈，反而相当复杂，主要分为4个方面：

1）发挥计算机本身应有的功能。

2）提高计算机的使用效率与发挥效能。

3）确保使用中的计算机或系统在对使用者友好的情况下，能更经济与安全，延长使用周期。

4）符合使用者的生理、心理需求，提高使用满意度。

仔细审查前述的定义与目标，可以发现两者之间充满着模糊地带，如果是一般的IT科技，输入与输出即具有绝对性，但是人机界面在使用者与计算机之间，却没有标准反应模式。以最重要的视觉而论，在界面上计算机呈现的信号，让人正确的看到那个信号，但是这个信号的意义，观看者却需要靠他个人的经验、知识和周围的环境，来解释所看见的影像。

换言之，设计再精良的计算机系统，如果没有考虑到使用对象的需求，往往也被归类为失败的人机界面，例如，将一台显示许多数学符号的工程计算机给刚学会基本运算的人使用，原本设计精良的功能反而成为干扰人找到正确数字的障碍，结果其计算速度还不如一台普通的计算机。故人机界面的设计，很明显不能只从计算机的功能方面去构思。

了解人是设计人机界面的第一个步骤，了解人类极限而不是考验人类极限的观念诞生，成为了人机界面设计的基本守则。了解作为使用者的人，基本上由生理结构与人体计测方法开始，首先为了解人体骨骼生理结构、活动方式与测量标准、测量方法等，接着为认识神经系统、骨骼与肌肉、运动控制、反应时间的测量与模型等，了解运动与体力活动在不同情境下的极限。

人类感官能力，即在视、听、触、嗅、味、本体觉、运动觉、平衡觉的生理运作中，视觉最为重要，主要就是指视觉的认知能力，包括对视距长短、视野大小、变色能力、明暗适应力、视觉暂留、阅读与感知速度等的了解。次要的为听觉，亦需了解听觉系统的生理运作，包括音响度、音高、音色的知觉现象等与语音界面的关系。

探究人类认知能力，了解认知心理学的研究理论与成果，包括记忆、注意力、思考、问题解决、知识的议题与信息处理论，这部分实际上是认知心理学，是大脑思考的逆向工程：用以实验为主的方法，尝试大脑的算法（Algorithms）与资料结构（Datastructures）。认知心理学习惯用历程（Processes）与交涉（Representations）及演算法与资料结构。

（3）导入人性的人机界面设计

在人机界面设计中，有许多方法可以突破人机界面设计闭门造车的窘境，让设计出来的人机界面符合前述的以人为本的概念。不过单一方法因各有优缺点，故通常必须以3个以上的方式进行交叉评估。

1）启发式评估（Heuristic Evaluation）。启发式评估可以让研发团队简单快速地在人机界面产品中找出使用性问题。在启发式评估的过程中，评估人员对照研究人员提供的使用性准则清单，以检视人机界面产品形式与操作流程，并找出其中违反使用性准则的项目。优点为可发现个别的使用性问题，可以列出专家使用者的需求，缺点是因为并未包括真正的使用者来思考，所以无法发现令专家意想不到的需求。

2）观察法（Observation）。适用于操作分析及追根究底的研究阶段，通常需要3位或更多的使用者，优点是具有生态学的效果，且可明确地指示使用者的工作，缺点是如果没有实验者在掌控，则结果将难以控制。

3）访谈（Interviews）与问卷调查（Questionnaires）法。访谈适用于操作分析阶段，一般需要5位受测者，优点为这是一种柔性的、深入的看法与经验调查，缺点是需花费相当长的时间且结果非常难分析比较。问卷适用于操作分析及事后检讨的研究，最少要有30位受测者，优点为可发现受测者的主观偏好，且容易反复进行，缺点是为了避免误解，需要先前测试工作。

4）记录实际使用法（Loggingactualuse）。需20位以上受测者，记录完整使用结果，以链接分析（Linkanalysis）、布局分析（Layoutanalysis）、工作层级分析（Hierarchicaltaskanaly-sis）等方式，优点为可发现高的惯用性或不惯用的形态，缺点为分析内容需大量资料，也许侵犯到使用者的隐私。

5）使用者直接回馈法（Userfeedback）。需要上百位受测者长时间地参与，适用于事后检讨的研究，优点为可持续追踪使用者的要求与观点是否改变，缺点是需要特定组织固定性地执行发问与回收资料等工作。

（4）人机界面的设计原则

人机界面设计的好坏与设计者的经验有直接关系，有些原则对几乎所有良好的人机界面的设计都是适用的，一般地可从可交互性、信息、显示、数据输入等方面考虑。

1）在同一人机界面中，所有的菜单选择、命令输入、数据显示和其他功能应保持风格的一致性。风格一致的人机界面会给人一种简洁、和谐的美感。

2）对所有可能造成损害的动作，坚持要求用户确认，例如，提问“你肯定……？”等，对大多数动作应允许恢复（UNDO），对用户出错采取宽容的态度。

3）人机界面应能对用户的决定做出及时的响应，提高对话、移动和思考的效率，最大可能地减少击键次数，缩短鼠标移动距离，避免使用户产生无所适从的感觉。

4）人机界面应该提供上下文敏感的求助系统，让用户及时获得帮助，尽量用简短的动词和动词短语提示命令。

5）合理划分并高效使用显示屏。仅显示与上下文有关的信息，允许用户对可视环境进行维护，如放大、缩小图像。用窗口分隔不同种类的信息，只显示有意义的出错信息，避免因数据过于费解造成用户烦恼。

6）保证信息显示方式与数据输入方式的协调一致，尽量减少用户输入的动作，隐藏当前状态下不可选用的命令，允许用户自选输入方式，能够删除无现实意义的输入，允许用户控制交互过程。

上述原则都是进行人机界面设计应遵循的最基本的原则，除此之外还有许多设计原则应当考虑，比如如何正确地使用颜色等。

（5）人机界面的设计过程

人机界面的设计过程可分为以下几个步骤：

1）创建系统功能的外部模型设计，模型主要是考虑软件的数据结构、总体结构和过程性描述，人机界面设计一般只作为附属品，只有对用户的情况（包括年龄、性别、心理情况、文化程度、个性、种族背景等）有所了解，才能设计出有效的人机界面；根据终端用户对未来系统的假想（简称系统假想）设计用户模型，最终使之与系统实现后得到的系统映像（系统的外部特征）相吻合，用户才能对系统感到满意并能有效地使用它；建立用户模型时要充分考虑系统假想给出的信息，系统映像必须准确地反映系统的语法和语义信息。总之，只有了解用户、了解任务才能设计出好的人机界面。

2）确定为完成此系统功能，人和计算机应分别完成的任务。任务分析有两种途径：一种是从实际出发，通过对原有处于手工或半手工状态下的应用系统的剖析，将其映射为在人机界面上执行的一组类似的任务；另一种是通过研究系统的需求规格说明，导出一组与用户模型和系统假想相协调的用户任务。逐步求精和面向对象分析等技术同样适用于任务分析。逐步求精技术可把任务不断划分为子任务，直至对每个任务的要求都十分清楚，而采用面向对象分析技术可识别出与应用有关的所有客观的对象以及与对象关联的动作。(www.xing528.com)

3）考虑人机界面设计中的典型问题。设计任何一个人机界面，一般必须考虑系统响应时间、用户求助机制、错误和警告信息以及命令方式4个方面。系统响应时间过长是交互式系统中用户抱怨最多的问题，除了响应时间的绝对长短外，用户对不同命令在响应时间上的差别亦很在意，若过于悬殊用户将难以接受；用户求助机制宜采用集成式，避免叠加式系统导致用户求助某项指南而不得不浏览大量无关信息；错误和警告信息必须选用用户明了、含义准确的术语描述，同时还应尽可能提供一些有关错误恢复的建议，显示出错信息时，若再辅以听觉（铃声）、视觉（专用颜色）刺激，则效果更佳；命令方式最好是菜单与键盘命令并存，供用户选用。

借助CASE工具构造人机界面原型，设计模型的软件模型一旦确定，即可构造一个软件原形，此时仅有人机界面部分，此原形交由用户评审，根据反馈意见修改后再交给用户评审，直至与用户模型和系统假想一致为止。一般可借助于人机界面工具箱或人机界面开发系统提供的现成的模块或对象创建各种人机界面基本成分的工作。

（6）人机界面设计的评价

怎样评价一个人机界面设计质量的优劣，目前还没有一个统一的标准。一般地，评价可以从以下几个主要方面进行考虑：

1）用户对人机界面的满意程度。

2）人机界面的标准化程度。

3）人机界面的适应性和协调性。

4）人机界面的应用条件。

5）人机界面的性能价格比。

目前人们习惯于用“界面友好性”这一抽象概念来评价一个人机界面的好坏，但“界面友好”与“界面不友好”恐怕无人能定一个确切的界线，一般认为一个友好的人机界应该至少具备以下特征：

1）操作简单，易学，易掌握。

2）界面美观，操作舒适。

3）快速反应，响应合理。

4）用语通俗，语义一致。

需指出，一个人机界面设计质量的优劣，最终还得由用户来判定，因为软件是供用户使用的，软件的使用者才是最有发言权的人。

3.人机界面（HMI）产品的组成及基本功能

人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通信接口、存储单元等，如图3-1所示。其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC中Windows操作系统下的画面组态软件（如JB-HMI画面组态软件），如图3-2所示。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC和HMI产品的串行通信口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。

图3-1 人机界面硬件构成

人机界面的基本功能如下：

1）设备工作状态显示，如指示灯、按钮、文字、图形、曲线等。

2）简单的逻辑和数值运算、数据、文字输入操作，打印输出。

3）生产配方存储，设备生产数据记录。

4）可连接多种工业控制设备组网。

人机界面选型指标如下：

1）显示屏尺寸、色彩和分辨率。

2）HMI的处理器速度性能。

3）输入方式（触摸屏或薄膜键盘）。

4）画面存储容量，注意厂商标注的容量单位是字节（B），还是位（bit）。

5）通信口种类及数量，是否支持打印功能。

4.工业人机界面分类

工业人机界面按结构分类如下：

1）薄膜键盘输入的人机界面，显示尺寸小于5.7in，画面组态软件免费，属于初级产品，如POP－HMI小型人机界面。

2）触摸屏输入的人机界面，显示屏尺寸为5.7～12.1in，画面组态软件免费，属于中级产品。

图3-2 人机界面软件构成

3）基于平板PC的、多种通信口的、高性能人机界面，显示尺寸大于10.4in，画面组态软件收费，属于高端产品。

工业人机界面按品牌分类如下：

1）EVIEW。EVIEW人机界面产品是我国最早、最专业的工业级人机界面品牌之一，自2002年进入我国市场以来，以其专业的品质、卓越的性能、合理的价格得到了市场的最大认可，产品销量及市场占有率居同行业之首，EVIEW品牌曾被业界权威媒体工控网评为“工控TOP10”第一名、美国Control Engineering杂志评选的“中国最有影响的人机界面品牌”第一名、年度“最佳人机界面产品”奖。

2）HMITECH（纵横科技）。纵横科技公司始终以人机界面产品应用和研究开发为重点，以提供软硬一体化系统级解决方案为核心。基于高可靠嵌入式PC-based工业自动化先进核心技术，融合PC-based eAutomation和传统PLC产品应用优势，不断地为专属行业用户群提供最佳系统级解决方案和技术服务，打造全球人机界面领导品牌，并以业界领先的软硬一体化系统级解决方案赢得用户的信赖。产品均通过ISO国际质量管理体系认证，被中国自动化经营管理论坛评选为2010（第九届）自动化年度专家样板工程。

3）WEINVIEW（威纶通）。WEINVIEW人机界面在行业内率先采用符合先进环保标准的无铅零件和制造工艺，用实际行动为企业道德印上金牌品质保证，一路保持行业领先。

4）福州维控。维控公司作为国内第一家提出“可定制化的人机界面”口号的厂商，一直在不断努力，为用户打造最切合自身需求的人机界面产品，维控公司除了提供通用的人机界面产品与服务，也为有特殊需求的用户定制各种特种用途的人机界面。

5）MEISSEN（迈森）。MEISSEN作为后起的人机界面，在基于X86架构及ARM架构的人机界面领域独树一帜，支持市面上绝大多数的操作系统，MEISSEN倡导现场嵌入式人机界面与远程桌面人机界面同一个开发环境，缩短开发人机交互界面的周期，MEISSEN同时也是首款支持3D图形交互的人机界面，P2P外网穿透技术与以太网或3G网络的结合，使MEISSEN人机界面成为服务器，用户可以使用移动设备（拥有操作系统的移动设备，如iPhone、iPad等）或PC通过Web直接监视设备的运行，MEISSEN作为人机交互的中间媒介，将会越来越被人们所应用。

6）世龙电子人机界面。世龙电子公司的液晶显示控制系列产品主要用于工业的平板显示控制，分为总线和串口两大类，包括50多个型号，主要采用单片机对控制器进行控制，其价格便宜，且配有开发制作显示工程的上位机软件，便于开发。用户单片机通过RS232串口接收控制命令和数据，也可通过上位机开发软件，通过USB口或串口进行联机调试和下载。同时终端提供了较大的图片存储空间，可以同时显示各种中西文体和各种图形图片。