基于Linux和MiniGUI的某型指控終端人機接口設計

0 引言
    隨著武器裝備信息化程度的提高，各種嵌入式信息裝備得到了廣泛應用。作為未來戰(zhàn)場主要作戰(zhàn)平臺的各種戰(zhàn)斗車輛，其車載指揮控制平臺的設計得到了廣泛重視。
    一個車載指控平臺的功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：監(jiān)控、顯示車輛的技術狀態(tài)；車際間的指控、通信；車輛的定位、導航；各種文電處理等。本文將介紹一個基于ARM和MiniGUI的車載指控系統(tǒng)人機接口部分的設計，這個系統(tǒng)初步實現(xiàn)了上述車載指控平臺的主要功能。

l 軟硬件的選型
    受車輛內部空間的限制，指揮控制終端必須做到小型化，嵌入式。ARM作為一種已經(jīng)在多個領域得到非常廣泛應用的架構，這里采用它是一個很好的選擇。該課題選擇在國內有著較廣泛市場的SAMSUNG公司的S3C2410芯片作為CPU。S3C2410芯片主要應用于手持設備或者其他對功耗、成本、性能有較高要求的場合。為了降低整機成本，該芯片內置了各16 KB的指令和數(shù)據(jù)緩存、MMU、UART、ADC、LCD控制器，I2C總線接口、IIS總線接口、USB主從設備支持、觸摸屏接口等，這種設計提高了系統(tǒng)的集成度，也給系統(tǒng)開發(fā)提供了極大的便利。
    系統(tǒng)軟件可以有很多選擇，因為該芯片內置MMU，因此可以支持Windows CE，Linux，Palm OS和VxWorks等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。車載指控平臺對實時性要求不高，因此這里選擇嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。嵌入式Linux具有源碼開放、成本低、應用軟件豐富等特點，因此Linux和ARM是許多低成本的應用中首選的組合。
    作為指控終端，必然對用戶圖形界面有特殊的要求，該項目選擇飛漫公司的MiniGUI作為圖形引擎。MiniGUI是一個專門面向嵌入式系統(tǒng)的圖形用戶界面支持系統(tǒng)，它為應用程序定義了一組輕量級的窗口和圖形設備接口。利用這些接口，每個應用程序可以建立多個窗口并在這些窗口中創(chuàng)建各種控件。在軟件體系中，它介于內核和應用程序之間，在此將利用MiniGUI來完成用戶圖形界面的編程。

2 硬件設計
    ARMS3C2410芯片的應用電路有許多成熟的設計范例；在設計階段，市面上也有很多的開發(fā)板可供選用。該項目選用杭州立宇泰公司的ARM SYS2410開發(fā)板作為開發(fā)的硬件平臺。
    該開發(fā)板采取核心板和擴展板分離的結構，提供了大部分的外設接口電路，并且有200個引出腳，引出了CPU上的大部分I／0端口，這樣做為后續(xù)的開發(fā)工作提供了便利。
2．1 鍵盤矩陣電路
    該項目的指揮控制終端功能可以分為6項。每項選中后，為便于輸入或選擇子條目，增加10個數(shù)字鍵，另外還需要確定鍵、取消鍵，再加上6個功能鍵，一共是24個鍵。因為鍵的數(shù)目較多，將這些鍵設計成一個行列式鍵盤矩陣(見圖1)。

結合開發(fā)板的電路結構，鍵盤矩陣的列輸入端口使用GPE5～GPElO六個通用I／0口線，行輸出端口采用GPEll～GPEl4四個通用I／0口線，在行線和列線的交點接入按鍵開關。
    鍵盤掃描的原理是，按照有規(guī)律的時間間隔察看鍵盤矩陣，以確定是否有鍵按下。鍵盤掃描可以采取專用芯片，也可以采用軟件方法實現(xiàn)，該項目采用軟件方法。
2．2 顯示驅動電路
    指揮控制終端輸入／輸出設備的第二個重點就是顯示設備。ARM芯片內置有LCD控制器，可以方便地實現(xiàn)顯示功能。但是ARM LCD控制器支持的是TTL電平的RGB分量顯示，而目前市場上較大尺寸的工控液晶屏大多是LVDS電平接口，因此需要接口電路。
    另一種解決方案是將ARM開發(fā)板TTL電平的RGB信號轉換成VGA信號，這樣顯示器的選擇更加隨意，而且降低了成本。RGB信號轉換成VGA信號可采用專用的AD芯片，如ADV7120，ADV7123等。

3 軟件設計
    軟件設計需要完成兩個方面的工作：一是驅動程序編寫；二是GUI編程。
3．1 鍵盤矩陣驅動程序的編寫
    開發(fā)板對自己所提供的硬件一般都提供相應的驅動程序，自行開發(fā)的外設電路一般需要自己編寫驅動程序。設備驅動程序是Linux內核的重要部分，操作系統(tǒng)只有通過驅動程序才能夠控制外設的硬件行為。
    在系統(tǒng)內部，I／0設備的存取是通過一系列的入口點來進行的，字符型設備提供以下入口點：open，close，read，write，ioctl；它們分別對應打開設備、關閉設備、讀設備、寫設備以及其他操作。這些入口點的定義是通過一個重要的數(shù)據(jù)結構file_operations來完成的。
    鍵盤驅動程序編制的要點有：
    (1)定義一個6×4的健值矩陣，作為輸出，按下一個按鍵，得到對應的鍵值；
    (2)初始化時設置所用到的I／O端口的讀／寫模式，行線為寫，列線為讀；
    (3)定義鍵盤掃描函數(shù)scan_kbd()。它的算法是：初始化時所有的行線置低電平，如果沒有鍵按下，列線都將讀到高電平。否則，任何鍵的閉合將造成該列成為低電平。
    (4)在read入口點，也就是file_operations結構定義的read方法中，調用scan_kbd()。這樣，驅動程序就可以定時掃描幾個I／O端口，獲取鍵值，然后通過putuser發(fā)送到用戶地址空間。
    設置I／O模式，讀／寫I／0端口的位，可以通過頭文件S3C2410．h中專門定義的宏set_gpio_ctrl，write_gpio_bit，read_gpio_bit來進行。
    鍵盤驅動程序經(jīng)過編譯后，可以作為一個設備文件編譯入內核，也可以采取模塊動態(tài)加載的方式。
3．2 MiniGUl IAL引擎的實現(xiàn)
    通常，MiniGUI在使用前應針對目標系統(tǒng)的特點進行配置和編譯，例如指定目標操作系統(tǒng)、運行模式、圖形引擎和輸入引擎、字體類型、字符集、所支持的控件類等。該課題中，因為采取了自行設計的鍵盤作為輸入設備，因此最重要的配置是輸入引擎(input abstract lay-er，IAL)。
  抽象層是一組不依賴于硬件的抽象接口，其作用類似于操作系統(tǒng)的驅動程序，將底層的硬件操作與操作系統(tǒng)隔離，這樣做簡化了在不同平臺上移植的難度。開發(fā)特定的鍵盤輸入，主要是完成兩部分工作：鍵盤驅動程序設計和鍵盤輸入引擎開發(fā)。前者負責從鍵盤接收原始輸入事件和數(shù)據(jù)，后者負責將原始的輸入事件和數(shù)據(jù)轉換成MiniGUl抽象的鍵盤事件和數(shù)據(jù)。
    在代碼實現(xiàn)上，MiniGUI通過INPUT數(shù)據(jù)結構來表示輸入引擎。該結構中指定了若干函數(shù)指針，編寫特定的輸入引擎，主要就是編碼實現(xiàn)INPUT結構中的各個函數(shù)。新的IAL引擎編寫完成后，應加入MiniGUI進行配置，然后對MiniGUI進行編譯。在工程實踐中，一種比較簡便的方法是對MiniGUI已經(jīng)實現(xiàn)的引擎進行修改。
3．3 圖形界面設計
    MiniGUI是一個圖形用戶界面支持系統(tǒng)，通常的GUI編程概念均適用于MiniGUI編程，如窗口和事件驅動編程等。嵌入式系統(tǒng)完成的功能一般比較單一，對于該系統(tǒng)而言，重點在于實現(xiàn)人機接口部分，因此只需要輪詢用戶的按鍵輸入即可。如圖2所示。