摘 要:在此详细介绍了某型车载指挥控制终端人机接口部分软、硬件的选型、设计与实现过程,并对开发过程中出现的其他问题提出了解决方案。该终端采用ARM作为处理器,Linux作为操作系统,通过MiniGUI实现图形界面。试验表明,该终端性价比高,实现简单,对同类终端的设计有借鉴意义。
关键词:指挥控制终端; Linux; MiniGUI;ARM
中图分类号:TN21; TP368.1 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2010)14-0025-03
Design of Man-machine Interface Based on Linux and MiniGUI for Command and Control Terminal
CHEN Xi-chun, HUANG Bo
(Shijiazhuang Mechanized Infantry Academy, Shijiazhuang 050083, China)
Abstract: With the innovation of information technology, the information terminal with the function of command and control will play a more and more important role in the future battle field. The selection of software and hardware, the design of the system, and the function realization fora certain vehicle-mounted command and control terminal system are described in detail. The solution to some problems that emerge in the development of the system is proposed. In the terminal, ARM is adopted as processor, the embedded Linux as operating system and GUI is realized with MiniGUI. The expriment result shows that this terminal is of high efficiency, low cost, easy to develop, and great significance for reference in the design of other terminals of its kind.
Keywords: command and control terminal; Linux; MiniGUI; ARM
0 引 言
随着武器装备信息化程度的提高,各种嵌入式信息装备得到了广泛应用。作为未来战场主要作战平台的各种战斗车辆,其车载指挥控制平台的设计得到了广泛重视。
一个车载指控平台的功能主要体现在以下几个方面:监控、显示车辆的技术状态;车际间的指控、通信;车辆的定位、导航;各种文电处理等。本文将介绍一个基于ARM和MiniGUI的车载指控系统人机接口部分的设计,这个系统初步实现了上述车载指控平台的主要功能。
1 软硬件的选型
受车辆内部空间的限制,指挥控制终端必须做到小型化,嵌入式。ARM作为一种已经在多个领域得到非常广泛应用的架构,这里采用它是一个很好的选择[1] 。该课题选择在国内有着较广泛市场的SAMSUNG公司的S3C2410芯片作为CPU。S3C2410芯片主要应用于手持设备或者其他对功耗、成本、性能有较高要求的场合。为了降低整机成本,该芯片内置了各16 KB的指令和数据缓存、MMU、UART、ADC、LCD控制器,I2C总线接口、IIS总线接口、USB主从设备支持、触摸屏接口等[2] ,这种设计提高了系统的集成度,也给系统开发提供了极大的便利。
系统软件可以有很多选择,因为该芯片内置MMU,因此可以支持Windows CE,Linux,Palm OS和VxWorks等多种主流嵌入式操作系统。车载指控平台对实时性要求不高,因此这里选择嵌入式Linux作为操作系统。嵌入式Linux具有源码开放、成本低、应用软件丰富等特点[3] ,因此Linux和ARM是许多低成本的应用中首选的组合。
作为指控终端,必然对用户图形界面有特殊的要求,该项目选择飞漫公司的MiniGUI作为图形引擎。MiniGUI是一个专门面向嵌入式系统的图形用户界面支持系统,它为应用程序定义了一组轻量级的窗口和图形设备接口。利用这些接口,每个应用程序可以建立多个窗口并在这些窗口中创建各种控件[4] 。在软件体系中,它介于内核和应用程序之间,在此将利用MiniGUI来完成用户图形界面的编程。
2 硬件设计
ARM S3C2410芯片的应用电路有许多成熟的设计范例;在设计阶段,市面上也有很多的开发板可供选用。该项目选用杭州立宇泰公司的ARM SYS2410开发板作为开发的硬件平台。
该开发板采取核心板和扩展板分离的结构,提供了大部分的外设接口电路,并且有200个引出脚,引出了CPU上的大部分I/O端口[5] ,这样做为后续的开发工作提供了便利。
2.1 键盘矩阵电路
该项目的指挥控制终端功能可以分为6项。每项选中后,为便于输入或选择子条目,增加10个数字键,另外还需要确定键、取消键,再加上6个功能键,一共是24个键。因为键的数目较多,将这些键设计成一个行列式键盘矩阵(见图1)。
图1 键盘矩阵电路
结合开发板的电路结构,键盘矩阵的列输入端口使用GPE5~GPE10六个通用I/O口线,行输出端口采用GPE11~GPE14四个通用I/O口线,在行线和列线的交点接入按键开关。
键盘扫描的原理是,按照有规律的时间间隔察看键盘矩阵,以确定是否有键按下。键盘扫描可以采取专用芯片,也可以采用软件方法实现[6] ,该项目采用软件方法。
2.2 显示驱动电路
指挥控制终端输入/输出设备的第二个重点就是显示设备。ARM芯片内置有LCD控制器,可以方便地实现显示功能。但是ARM LCD控制器支持的是TTL电平的RGB分量显示,而目前市场上较大尺寸的工控液晶屏大多是LVDS电平接口,因此需要接口电路。
另一种解决方案是将ARM开发板TTL电平的RGB信号转换成VGA信号,这样显示器的选择更加随意,而且降低了成本。RGB信号转换成VGA信号可采用专用的AD芯片,如ADV7120,ADV7123等[7] 。
3 软件设计
软件设计需要完成两个方面的工作:一是驱动程序编写;二是GUI编程。
3.1 键盘矩阵驱动程序的编写
开发板对自己所提供的硬件一般都提供相应的驱动程序,自行开发的外设电路一般需要自己编写驱动程序。设备驱动程序是Linux内核的重要部分,操作系统只有通过驱动程序才能够控制外设的硬件行为。
在系统内部,I/O设备的存取是通过一系列的入口点来进行的,字符型设备提供以下入口点:open,close,read,write,ioctl;它们分别对应打开设备、关闭设备、读设备、写设备以及其他操作。这些入口点的定义是通过一个重要的数据结构file_operations来完成的[8] 。
键盘驱动程序编制的要点有:
(1) 定义一个6×4的健值矩阵,作为输出,按下一个按键,得到对应的键值;
(2) 初始化时设置所用到的I/O端口的读/写模式,行线为写,列线为读;
(3) 定义键盘扫描函数scan_kbd()。它的算法是:初始化时所有的行线置低电平,如果没有键按下,列线都将读到高电平。否则,任何键的闭合将造成该列成为低电平。
(4) 在read入口点,也就是file_operations结构定义的read方法中,调用scan_kbd()。这样,驱动程序就可以定时扫描几个I/O端口,获取键值,然后通过put_user发送到用户地址空间。
设置I/O模式,读/写I/O端口的位,可以通过头文件S3C2410.h中专门定义的宏set_gpio_ctrl,write_gpio_bit,read_gpio_bit来进行。
键盘驱动程序经过编译后,可以作为一个设备文件编译入内核,也可以采取模块动态加载的方式。
3.2 MiniGUI IAL引擎的实现
通常,MiniGUI在使用前应针对目标系统的特点进行配置和编译,例如指定目标操作系统、运行模式、图形引擎和输入引擎、字体类型、字符集、所支持的控件类等。该课题中,因为采取了自行设计的键盘作为输入设备,因此最重要的配置是输入引擎(input abstract layer,IAL)。
抽象层是一组不依赖于硬件的抽象接口,其作用类似于操作系统的驱动程序,将底层的硬件操作与操作系统隔离,这样做简化了在不同平台上移植的难度[9-10] 。开发特定的键盘输入,主要是完成两部分工作:键盘驱动程序设计和键盘输入引擎开发。前者负责从键盘接收原始输入事件和数据,后者负责将原始的输入事件和数据转换成MiniGUI抽象的键盘事件和数据。
在代码实现上,MiniGUI通过INPUT数据结构来表示输入引擎。该结构中指定了若干函数指针,编写特定的输入引擎,主要就是编码实现INPUT结构中的各个函数。新的IAL引擎编写完成后,应加入MiniGUI进行配置,然后对MiniGUI进行编译[11] 。在工程实践中,一种比较简便的方法是对MiniGUI已经实现的引擎进行修改。
3.3 图形界面设计
MiniGUI是一个图形用户界面支持系统,通常的GUI编程概念均适用于MiniGUI编程,如窗口和事件驱动编程等。嵌入式系统完成的功能一般比较单一,对于该系统而言,重点在于实现人机接口部分,因此只需要轮询用户的按键输入即可。如图2所示。
图2 程序流程图
MiniGUI中有三种窗口类型:主窗口、对话框和控件窗口。每一个MiniGUI应用程序一般都要创建一个主窗口,作为应用程序的主界面或开始界面。MiniGUI包含有许多控件类,如静态框、按钮、列表框、编辑框、进度条等,这些控件类可以实现和Windows标准控件类似的效果。
最重要的几个函数是:
HWND GUIAPI CreateMainWindowIndirect (PDLGTEMPLATE pDlgTemplate, HWND hOwner, WNDPROC WndProc);
其中,WndProc是这个窗口的消息处理函数。在此,对消息循环进行初立即可。例如:
static int WndProc (HWND hDlg, int message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
switch (message) {
case MSG_CREATE:
…
case MSG_PAINT:
…
case MSG_KEYUP:
switch (wParam) {
case SCANCODE_X:
…
case SCANCODE_F:
…
} }
return DefaultMainWinProc(hDlg, message, wParam, lParam); }
添加了键盘驱动,修改了MiniGUI的输入引擎后,应用程序就可以响应键盘消息,处理各种事件。
除了对标准控制的支持外,MiniGUI还提供了图形设备接口(GDI)的支持。通过GDI,程序可以在计算机屏幕上进行图形输出,包括基本绘图和文本输出。利用这种手段,可以绘制指控终端需要的仪表、各种表格。
3.4 其他问题
在该课题的开发过程中,还遇到了一些其他的问题,概述如下:
(1) 显示的色彩深度问题。作为指控终端,该课题设计的显示分辨率为640×480,如果是16位以上的色深,对ARM处理器将是一个比较大的负担,会出现画面的抖动,不连贯。处理的方法是将色深设置为8位,这需要通过修改Linux 的显示驱动来解决。
(2) 键盘的防抖问题。按键的抖动问题是一类常见问题,可以通过软件延时或者其他的手段进行处理。可参考文献[ 6] 。
(3) 终端功能的进一步丰富。该课题只实现了终端的人机界面,但是作为一个完整意义的终端,还应该考虑终端之间的联网、数据传输,终端和工况采集装置之间的硬件接口、数据交换等问题。这些需要进一步开发利用ARM芯片上的其他外设,这是该课题下一步的目标。
4 结 语
ARM作为一款性价比突出的嵌入式芯片,与图形系统MiniGUI相结合,是嵌入式图形界面编程的优选。实验证明,本文所介绍的软、硬件系统较好地实现了在本文引言中提及的车载指控平台的几项功能。作为一类典型的车载嵌入式系统,车载指控系统的设计原理与方法同样适用于其他嵌入式系统。
参考文献
[1]杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社,2003.
[2]Samsung Electronics. S3C2410A User′s Manual[M]. South Korea: Samsung Electronics, 2003.
[3]刘峥嵘,张智超,许振山,等.嵌入式Linux应用开发详解[M].北京:机械工业出版社,2005.
[4]魏永明,钟书毅,潘为国.Linux/μClinux + MiniGUI:嵌入式系统开发原理、工具及过程[M].北京:北京飞漫软件技术有限公司,2005.
[5]杭州立宇泰电子有限公司.ARMSYS2410开发套件硬件用户手册[M].杭州:杭州立宇泰电子有限公司,2007.
[6]陈赜.ARM9嵌入式技术及Linux高级实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
[7]陈桂,田学隆,陈南西.ARM嵌入式平台的VGA接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2007(4):25-28.
[8][美]Corbot.Linux设备驱动程序[M].魏永明,耿月,钟书毅,译.北京:中国电力出版社,2006.
[9]北京飞漫软件技术有限公司.MiniGUI用户手册[M].北京:北京飞漫软件技术有限公司,2007.
[10]北京飞漫软件技术有限公司.MiniGUI编程指南[M].北京:北京飞漫软件技术有限公司,2007.
[11]邹韵,田学隆.如何用MiniGUI设计小键盘输入[J].单片机与嵌入式系统应用,2007(1):78-81.