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隨著(zhù)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(lái)戰場(chǎng)主要作戰平臺的各種戰斗車(chē)輛，其車(chē)載指揮控制平臺的設計得到了廣泛重視。 一個(gè)車(chē)載指控平臺的功能主要體現在以下幾個(gè)方面：監控、顯示車(chē)輛的技術(shù)狀態(tài)；車(chē)際間的指控、通信；車(chē)輛的定位、導航；各種文電處理等。本文將介紹一個(gè)基于ARM和MiniGUI的車(chē)載指控系統人機接口部分的設計，這個(gè)系統初步實(shí)現了上述車(chē)載指控平臺的主要功能。 1 軟硬件的選型 受車(chē)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(gè)領(lǐng)域得到非常廣泛應用的架構，這里采用它是一個(gè)很好的選擇。該課題選擇在國內有著(zhù)較廣泛市場(chǎng)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(chǎng)合。為了降低整機成本，該芯片內置了各16 KB的指令和數據緩存、MMU、UART、ADC、LCD控制器，I2C總線(xiàn)接口、IIS總線(xiàn)接口、USB主從設備支持、觸摸屏接口等，這種設計提高了系統的集成度，也給系統開(kāi)發(fā)提供了極大的便利。 系統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。車(chē)載指控平臺對實(shí)時(shí)性要求不高，因此這里選擇嵌入式Linux作為操作系統。嵌入式Linux具有源碼開(kāi)放、成本低、應用軟件豐富等特點(diǎn)，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(hù)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(gè)專(zhuān)門(mén)面向嵌入式系統的圖形用戶(hù)界面支持系統，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(gè)應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，它介于內核和應用程序之間，在此將利用MiniGUI來(lái)完成用戶(hù)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(kāi)發(fā)板可供選用。該項目選用杭州立宇泰公司的ARM SYS2410開(kāi)發(fā)板作為開(kāi)發(fā)的硬件平臺。 該開(kāi)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(gè)引出腳，引出了CPU上的大部分I／0端口，這樣做為后續的開(kāi)發(fā)工作提供了便利。 2．1 鍵盤(pán)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(gè)數字鍵，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。因為鍵的數目較多，將這些鍵設計成一個(gè)行列式鍵盤(pán)矩陣(見(jiàn)圖1)。 結合開(kāi)發(fā)板的電路結構，鍵盤(pán)矩陣的列輸入端口使用GPE5～GPElO六個(gè)通用I／0口線(xiàn)，行輸出端口采用GPEll～GPEl4四個(gè)通用I／0口線(xiàn)，在行線(xiàn)和列線(xiàn)的交點(diǎn)接入按鍵開(kāi)關(guān)。 鍵盤(pán)掃描的原理是，按照有規律的時(shí)間間隔察看鍵盤(pán)矩陣，以確定是否有鍵按下。鍵盤(pán)掃描可以采取專(zhuān)用芯片，也可以采用軟件方法實(shí)現，該項目采用軟件方法。 2．2 顯示驅動(dòng)電路 指揮控制終端輸入／輸出設備的第二個(gè)重點(diǎn)就是顯示設備。ARM芯片內置有LCD控制器，可以方便地實(shí)現顯示功能。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(kāi)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(zhuān)用的AD芯片，如ADV7120，ADV7123等。 3 軟件設計 軟件設計需要完成兩個(gè)方面的工作：一是驅動(dòng)程序編寫(xiě)；二是GUI編程。 3．1 鍵盤(pán)矩陣驅動(dòng)程序的編寫(xiě) 開(kāi)發(fā)板對自己所提供的硬件一般都提供相應的驅動(dòng)程序，自行開(kāi)發(fā)的外設電路一般需要自己編寫(xiě)驅動(dòng)程序。設備驅動(dòng)程序是Linux內核的重要部分，操作系統只有通過(guò)驅動(dòng)程序才能夠控制外設的硬件行為。 在系統內部，I／0設備的存取是通過(guò)一系列的入口點(diǎn)來(lái)進(jìn)行的，字符型設備提供以下入口點(diǎn)：open，close，read，write，ioctl；它們分別對應打開(kāi)設備、關(guān)閉設備、讀設備、寫(xiě)設備以及其他操作。這些入口點(diǎn)的定義是通過(guò)一個(gè)重要的數據結構file_operations來(lái)完成的。 鍵盤(pán)驅動(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，得到對應的鍵值； (2)初始化時(shí)設置所用到的I／O端口的讀／寫(xiě)模式，行線(xiàn)為寫(xiě)，列線(xiàn)為讀； (3)定義鍵盤(pán)掃描函數scan_kbd()。它的算法是：初始化時(shí)所有的行線(xiàn)置低電平，如果沒(méi)有鍵按下，列線(xiàn)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結構定義的read方法中，調用scan_kbd()。這樣，驅動(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(guò)putuser發(fā)送到用戶(hù)地址空間。 設置I／O模式，讀／寫(xiě)I／0端口的位，可以通過(guò)頭文件S3C2410．h中專(zhuān)門(mén)定義的宏set_gpio_ctrl，write_gpio_bit，read_gpio_bit來(lái)進(jìn)行。 鍵盤(pán)驅動(dòng)程序經(jīng)過(guò)編譯后，可以作為一個(gè)設備文件編譯入內核，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 通常，MiniGUI在使用前應針對目標系統的特點(diǎn)進(jìn)行配置和編譯，例如指定目標操作系統、運行模式、圖形引擎和輸入引擎、字體類(lèi)型、字符集、所支持的控件類(lèi)等。該課題中，因為采取了自行設計的鍵盤(pán)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(lài)于硬件的抽象接口，其作用類(lèi)似于操作系統的驅動(dòng)程序，將底層的硬件操作與操作系統隔離，這樣做簡(jiǎn)化了在不同平臺上移植的難度。開(kāi)發(fā)特定的鍵盤(pán)輸入，主要是完成兩部分工作：鍵盤(pán)驅動(dòng)程序設計和鍵盤(pán)輸入引擎開(kāi)發(fā)。前者負責從鍵盤(pán)接收原始輸入事件和數據，后者負責將原始的輸入事件和數據轉換成MiniGUl抽象的鍵盤(pán)事件和數據。 在代碼實(shí)現上，MiniGUI通過(guò)INPUT數據結構來(lái)表示輸入引擎。該結構中指定了若干函數指針，編寫(xiě)特定的輸入引擎，主要就是編碼實(shí)現INPUT結構中的各個(gè)函數。新的IAL引擎編寫(xiě)完成后，應加入MiniGUI進(jìn)行配置，然后對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MiniGUI已經(jīng)實(shí)現的引擎進(jìn)行修改。 3．3 圖形界面設計 MiniGUI是一個(gè)圖形用戶(hù)界面支持系統，通常的GUI編程概念均適用于MiniGUI編程，如窗口和事件驅動(dòng)編程等。嵌入式系統完成的功能一般比較單一，對于該系統而言，重點(diǎn)在于實(shí)現人機接口部分，因此只需要輪詢(xún)用戶(hù)的按鍵輸入即可。如圖2所示。 MiniGUI中有三種窗口類(lèi)型：主窗口、對話(huà)框和控件窗口。每一個(gè)MiniGUI應用程序一般都要創(chuàng )建一個(gè)主窗口，作為應用程序的主界面或開(kāi)始界面。MiniGUI包含有許多控件類(lèi)，如靜態(tài)框、按鈕、列表框、編輯框、進(jìn)度條等，這些控件類(lèi)可以實(shí)現和Windows標準控件類(lèi)似的效果。 最重要的幾個(gè)函數是： 其中，WndProc是這個(gè)窗口的消息處理函數。在此，對消息循環(huán)進(jìn)行初立即可。例如： 添加了鍵盤(pán)驅動(dòng)，修改了MiniGUI的輸入引擎后，應用程序就可以響應鍵盤(pán)消息，處理各種事件。除了對標準控制的支持外，MiniGUI還提供了圖形設備接口(GDI)的支持。通過(guò)GDI，程序可以在計算機屏幕上進(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(wèn)題 在該課題的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，還遇到了一些其他的問(wèn)題，概述如下： (1)顯示的色彩深度問(wèn)題。作為指控終端，該課題設計的顯示分辨率為640×480，如果是16位以上的色深，對ARM處理器將是一個(gè)比較大的負擔，會(huì )出現畫(huà)面的抖動(dòng)，不連貫。處理的方法是將色深設置為8位，這需要通過(guò)修改Linux的顯示驅動(dòng)來(lái)解決。 (2)鍵盤(pán)的防抖問(wèn)題。按鍵的抖動(dòng)問(wèn)題是一類(lèi)常見(jiàn)問(wèn)題，可以通過(guò)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)現了終端的人機界面，但是作為一個(gè)完整意義的終端，還應該考慮終端之間的聯(lián)網(wǎng)、數據傳輸，終端和工況采集裝置之間的硬件接口、數據交換等問(wèn)題。這些需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用ARM芯片上的其他外設，這是該課題下一步的目標。 4 結語(yǔ) ARM作為一款性?xún)r(jià)比突出的嵌入式芯片，與圖形系統MiniGUI相結合，是嵌入式圖形界面編程的優(yōu)選。實(shí)驗證明，本文所介紹的軟、硬件系統較好地實(shí)現了在本文引言中提及的車(chē)載指控平臺的幾項功能。作為一類(lèi)典型的車(chē)載嵌入式系統，車(chē)載指控系統的設計原理與方法同樣適用于其他嵌入式系統。 |
