基于Linux和MiniGUI的某型指控終端人機(jī)接口設(shè)計(jì) - 全文

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(yīng)用。作為未來戰(zhàn)場(chǎng)主要作戰(zhàn)平臺(tái)的各種戰(zhàn)斗車輛，其車載指揮控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)得到了廣泛重視。
    一個(gè)車載指控平臺(tái)的功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：監(jiān)控、顯示車輛的技術(shù)狀態(tài)；車際間的指控、通信；車輛的定位、導(dǎo)航；各種文電處理等。本文將介紹一個(gè)基于ARM和MiniGUI的車載指控系統(tǒng)人機(jī)接口部分的設(shè)計(jì)，這個(gè)系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了上述車載指控平臺(tái)的主要功能。

l 軟硬件的選型
    受車輛內(nèi)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(gè)領(lǐng)域得到非常廣泛應(yīng)用的架構(gòu)，這里采用它是一個(gè)很好的選擇。該課題選擇在國(guó)內(nèi)有著較廣泛市場(chǎng)的SAMSUNG公司的S3C2410芯片作為CPU。S3C2410芯片主要應(yīng)用于手持設(shè)備或者其他對(duì)功耗、成本、性能有較高要求的場(chǎng)合。為了降低整機(jī)成本，該芯片內(nèi)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(shè)備支持、觸摸屏接口等，這種設(shè)計(jì)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?yàn)樵撔酒瑑?nèi)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(tái)對(duì)實(shí)時(shí)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(yīng)用軟件豐富等特點(diǎn)，因此Linux和ARM是許多低成本的應(yīng)用中首選的組合。
    作為指控終端，必然對(duì)用戶圖形界面有特殊的要求，該項(xiàng)目選擇飛漫公司的MiniGUI作為圖形引擎。MiniGUI是一個(gè)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(yīng)用程序定義了一組輕量級(jí)的窗口和圖形設(shè)備接口。利用這些接口，每個(gè)應(yīng)用程序可以建立多個(gè)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(nèi)核和應(yīng)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(shè)計(jì)
    ARMS3C2410芯片的應(yīng)用電路有許多成熟的設(shè)計(jì)范例；在設(shè)計(jì)階段，市面上也有很多的開發(fā)板可供選用。該項(xiàng)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(tái)。
    該開發(fā)板采取核心板和擴(kuò)展板分離的結(jié)構(gòu)，提供了大部分的外設(shè)接口電路，并且有200個(gè)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(xiàng)目的指揮控制終端功能可以分為6項(xiàng)。每項(xiàng)選中后，為便于輸入或選擇子條目，增加10個(gè)數(shù)字鍵，另外還需要確定鍵、取消鍵，再加上6個(gè)功能鍵，一共是24個(gè)鍵。因?yàn)殒I的數(shù)目較多，將這些鍵設(shè)計(jì)成一個(gè)行列式鍵盤矩陣(見圖1)。

結(jié)合開發(fā)板的電路結(jié)構(gòu)，鍵盤矩陣的列輸入端口使用GPE5～GPElO六個(gè)通用I／0口線，行輸出端口采用GPEll～GPEl4四個(gè)通用I／0口線，在行線和列線的交點(diǎn)接入按鍵開關(guān)。
    鍵盤掃描的原理是，按照有規(guī)律的時(shí)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(shí)現(xiàn)，該項(xiàng)目采用軟件方法。
2．2 顯示驅(qū)動(dòng)電路
    指揮控制終端輸入／輸出設(shè)備的第二個(gè)重點(diǎn)就是顯示設(shè)備。ARM芯片內(nèi)置有LCD控制器，可以方便地實(shí)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(chǎng)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(hào)轉(zhuǎn)換成VGA信號(hào)，這樣顯示器的選擇更加隨意，而且降低了成本。RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換成VGA信號(hào)可采用專用的AD芯片，如ADV7120，ADV7123等。

3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)需要完成兩個(gè)方面的工作：一是驅(qū)動(dòng)程序編寫；二是GUI編程。
3．1 鍵盤矩陣驅(qū)動(dòng)程序的編寫
    開發(fā)板對(duì)自己所提供的硬件一般都提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，自行開發(fā)的外設(shè)電路一般需要自己編寫驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是Linux內(nèi)核的重要部分，操作系統(tǒng)只有通過驅(qū)動(dòng)程序才能夠控制外設(shè)的硬件行為。
    在系統(tǒng)內(nèi)部，I／0設(shè)備的存取是通過一系列的入口點(diǎn)來進(jìn)行的，字符型設(shè)備提供以下入口點(diǎn)：open，close，read，write，ioctl；它們分別對(duì)應(yīng)打開設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備、讀設(shè)備、寫設(shè)備以及其他操作。這些入口點(diǎn)的定義是通過一個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來完成的。
    鍵盤驅(qū)動(dòng)程序編制的要點(diǎn)有：
    (1)定義一個(gè)6×4的健值矩陣，作為輸出，按下一個(gè)按鍵，得到對(duì)應(yīng)的鍵值；
    (2)初始化時(shí)設(shè)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(shí)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(diǎn)，也就是file_operations結(jié)構(gòu)定義的read方法中，調(diào)用scan_kbd()。這樣，驅(qū)動(dòng)程序就可以定時(shí)掃描幾個(gè)I／O端口，獲取鍵值，然后通過putuser發(fā)送到用戶地址空間。
    設(shè)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(jìn)行。
    鍵盤驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)過編譯后，可以作為一個(gè)設(shè)備文件編譯入內(nèi)核，也可以采取模塊動(dòng)態(tài)加載的方式。
3．2 MiniGUl IAL引擎的實(shí)現(xiàn)
    通常，MiniGUI在使用前應(yīng)針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行配置和編譯，例如指定目標(biāo)操作系統(tǒng)、運(yùn)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?yàn)椴扇×俗孕性O(shè)計(jì)的鍵盤作為輸入設(shè)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(qū)動(dòng)程序，將底層的硬件操作與操作系統(tǒng)隔離，這樣做簡(jiǎn)化了在不同平臺(tái)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(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和鍵盤輸入引擎開發(fā)。前者負(fù)責(zé)從鍵盤接收原始輸入事件和數(shù)據(jù)，后者負(fù)責(zé)將原始的輸入事件和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MiniGUl抽象的鍵盤事件和數(shù)據(jù)。
    在代碼實(shí)現(xiàn)上，MiniGUI通過INPUT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示輸入引擎。該結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)INPUT結(jié)構(gòu)中的各個(gè)函數(shù)。新的IAL引擎編寫完成后，應(yīng)加入MiniGUI進(jìn)行配置，然后對(duì)MiniGUI進(jìn)行編譯。在工程實(shí)踐中，一種比較簡(jiǎn)便的方法是對(duì)MiniGUI已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的引擎進(jìn)行修改。
3．3 圖形界面設(shè)計(jì)
    MiniGUI是一個(gè)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(qū)動(dòng)編程等。嵌入式系統(tǒng)完成的功能一般比較單一，對(duì)于該系統(tǒng)而言，重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)人機(jī)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。 
 

MiniGUI中有三種窗口類型：主窗口、對(duì)話框和控件窗口。每一個(gè)MiniGUI應(yīng)用程序一般都要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)主窗口，作為應(yīng)用程序的主界面或開始界面。MiniGUI包含有許多控件類，如靜態(tài)框、按鈕、列表框、編輯框、進(jìn)度條等，這些控件類可以實(shí)現(xiàn)和Windows標(biāo)準(zhǔn)控件類似的效果。
    最重要的幾個(gè)函數(shù)是：
 
其中，WndProc是這個(gè)窗口的消息處理函數(shù)。在此，對(duì)消息循環(huán)進(jìn)行初立即可。例如：
 
 
    添加了鍵盤驅(qū)動(dòng)，修改了MiniGUI的輸入引擎后，應(yīng)用程序就可以響應(yīng)鍵盤消息，處理各種事件。除了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)控制的支持外，MiniGUI還提供了圖形設(shè)備接口(GDI)的支持。通過GDI，程序可以在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行圖形輸出，包括基本繪圖和文本輸出。利用這種手段，可以繪制指控終端需要的儀表、各種表格。
3．4 其他問題
    在該課題的開發(fā)過程中，還遇到了一些其他的問題，概述如下：
    (1)顯示的色彩深度問題。作為指控終端，該課題設(shè)計(jì)的顯示分辨率為640×480，如果是16位以上的色深，對(duì)ARM處理器將是一個(gè)比較大的負(fù)擔(dān)，會(huì)出現(xiàn)畫面的抖動(dòng)，不連貫。處理的方法是將色深設(shè)置為8位，這需要通過修改Linux的顯示驅(qū)動(dòng)來解決。
    (2)鍵盤的防抖問題。按鍵的抖動(dòng)問題是一類常見問題，可以通過軟件延時(shí)或者其他的手段進(jìn)行處理。
    (3)終端功能的進(jìn)一步豐富。該課題只實(shí)現(xiàn)了終端的人機(jī)界面，但是作為一個(gè)完整意義的終端，還應(yīng)該考慮終端之間的聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸，終端和工況采集裝置之間的硬件接口、數(shù)據(jù)交換等問題。這些需要進(jìn)一步開發(fā)利用ARM芯片上的其他外設(shè)，這是該課題下一步的目標(biāo)。

4 結(jié)語
    ARM作為一款性價(jià)比突出的嵌入式芯片，與圖形系統(tǒng)MiniGUI相結(jié)合，是嵌入式圖形界面編程的優(yōu)選。實(shí)驗(yàn)證明，本文所介紹的軟、硬件系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了在本文引言中提及的車載指控平臺(tái)的幾項(xiàng)功能。作為一類典型的車載嵌入式系統(tǒng)，車載指控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與方法同樣適用于其他嵌入式系統(tǒng)。

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM