基于Qt/Embedded的微波信號發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)

1引 言

嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至今已有30多年的歷史，嵌入式技術(shù)也經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。早期的嵌入式系統(tǒng)因資源極其有限，只有字符界面或者簡單的圖形界面。隨著技術(shù)的發(fā)展，硬件成本的大幅下降，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用要求越來越高，應(yīng)用范圍越來越廣。這樣字符界面和簡單的圖形界面不再能滿足一些嵌入式系統(tǒng)的要求。嵌入式系統(tǒng)對圖形用戶界面(GUI)的需求越來越迫切。

不同于在個人PC上的圖形用戶界面，對嵌入式系統(tǒng)上的GUI包括：輕型、占用資源少，可配置，高性能，高可靠性。

2 幾種成熟的基于Linux的嵌入式GUI

2.1 MicroWindows/NanoX

MicroWindows是一個開放源代碼的項(xiàng)目，起源于NanoGUI項(xiàng)目。他支持兩種應(yīng)用程序編程接口，Win32API的實(shí)現(xiàn)叫MicroWindows，類似Xlib API的實(shí)現(xiàn)叫Nano-X。

MicroWindows是一個基于典型客戶／服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的GUI系統(tǒng)，基本分成3層。最底層是面向圖形輸出和鍵盤、鼠標(biāo)或觸摸屏的驅(qū)動程序；中間層提供底層硬件的抽象接口，并進(jìn)行窗口管理，實(shí)際上是一個可移植的窗口引擎。他實(shí)現(xiàn)了畫線、區(qū)域填充、多邊形、剪切和多種顏色模式，這些實(shí)現(xiàn)是參考Xfree86而設(shè)計(jì)的；最高層分別提供兼容于Xwindow和Windows CE(Win 32子集)的API。

該項(xiàng)目的主要特色在于提供了類似X的客戶／服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)和相對完善的圖形功能，包括一些高級功能。比如Alpha混合、三維支持、TrueType字體支持等。該項(xiàng)目目前由美國Century Software公司主持開發(fā)。

2.2 MiniGUI

MiniGUI是原清華大學(xué)教師魏永明主持的一個自由軟件項(xiàng)目，其目標(biāo)是基于Linux的實(shí)時嵌入式系統(tǒng)提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。MiniGUI基于SVGALib和LinuXThread庫，采用簡化的類Windows風(fēng)格的圖形用戶界面，功能限制期不能用于更大的嵌入式系統(tǒng)。

2.3 Qt／Embedded

Qt／Embedded是跨平臺C++圖形用戶界面工具包，因其面向?qū)ο?、跨平臺、界面設(shè)計(jì)更美觀而得到廣泛應(yīng)用。基于Qt的X Window程序可以方便地移植到Qt／Embedded版本上。因此，自從Qt／Embedded以GPL條款發(fā)布以來，就有大量的嵌入式開發(fā)商轉(zhuǎn)到Qt／Embedded系統(tǒng)上。

3 Qt／Embedded框架結(jié)構(gòu)及編程關(guān)健技術(shù)

3.1 Qt／Embedded的開發(fā)環(huán)境及工具

使用Troll tech公司的X開發(fā)平臺自由軟件的自由版：Qt／Embedded 3.3.3。下載RPM包并安裝。Qt支持多種處理器，根據(jù)所選用的處理器進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲煤途幾g，即可得到如下創(chuàng)建應(yīng)用程序所需的軟件包和工具：

(1) Qt／Embedded函數(shù)庫。

(2) 虛擬幀緩沖qvfb(virtual frame buffer)：在X窗口用來運(yùn)行和測試Qt／Embedded應(yīng)用程序的系統(tǒng)程序。有了他，就可以不必在控制臺和X11之間來回切換了。

(3) designer：Qt下用于設(shè)計(jì)窗口組件的工具。

(4) tmake：Makefile文件的自動生成器。

(5) moc：用于Qt C++擴(kuò)展的meta-object編譯器。

(6) uic：從XML文件生成代碼的用戶界面編譯器。

(7) 其他工具，再加上g++，就可以進(jìn)行基于Qt／Em-bedded的應(yīng)用程序開發(fā)、編譯和調(diào)試了。

3.2 Qt／Embedded的框架結(jié)構(gòu)

圖1是Qt／Embedded的框架結(jié)構(gòu)。相對于Linux上Qt的另外一個版本Qt／X11，Qt／Embedded并不依賴于XServer。這使Qt／Embedded相對于Qt／X11節(jié)省了不少的內(nèi)存。代替X server和Xlib庫的是Qt／Embedded庫。根據(jù)應(yīng)用的需要，可以對其進(jìn)行配置，編譯后庫的大小從700 kB～7 MB左右，典型應(yīng)用的庫大小大約為2～3 MB。如果事先知道應(yīng)用和相關(guān)的具體組件，還可以將應(yīng)用程序、組件和Qt／Embedded庫靜態(tài)連接，從而更能節(jié)約內(nèi)存和CPU。FrameBuffer是一種驅(qū)動程序接口，這種接口將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)。用戶可以將他看成顯示內(nèi)存的一種影像，將其映射到進(jìn)程地址空間后，就可以直接進(jìn)行讀寫操作，而寫操作可以立即反映到屏幕上。該驅(qū)動程序的設(shè)備文件一般是／dev／fb0，／dev／fb1等。

3.3 Qt編程關(guān)鍵技術(shù)

Qt是面向?qū)ο蟮腃++工具包，其應(yīng)用程序設(shè)計(jì)遵循面向?qū)ο蟮木幊谭椒?。不同于Xt處理事件采用回調(diào)函數(shù)的方式，Qt采用更靈活的signal／slot(信號／槽)機(jī)制。Qt是這樣處理事件的：QApplication的事件循環(huán)體從事件隊(duì)列中拾取本地窗口系統(tǒng)事件或其他事件，譯成Qevent()，并送給Qobject：：event()，最后送給QWidget：：event()分別對事件處理。事件的產(chǎn)生來自于所在的窗口系統(tǒng)，也可以是QApplication類成員函數(shù)發(fā)送的消息，如：sendEvent()。

Qt應(yīng)用程序中，首先在main()函數(shù)中創(chuàng)建QApplication對象，QApplication對象負(fù)責(zé)圖像用戶界面應(yīng)用程序的控制流和主設(shè)置，通過調(diào)用該對象的exec()函數(shù)，進(jìn)入事件循環(huán)處理，對來自窗口系統(tǒng)或其他的事件進(jìn)行處理和調(diào)度，直到收到exit()或quit()結(jié)束。

Qt利用signal／slot機(jī)制實(shí)現(xiàn)對象之間的通信。當(dāng)某一個對象1狀態(tài)改變時，發(fā)出signal，通知所有與該信號相連對象的slot，從而引發(fā)對應(yīng)的slot的動作。Signal／slo機(jī)制真正實(shí)現(xiàn)了封裝的概念。Slot除了可以接收signa之外，與其他函數(shù)沒有什么不同。Signal和slot并沒有構(gòu)成一一對應(yīng)的關(guān)系，同一個signal可以連接任意個slot，多個signal也可以和同一個slot相連。雖然signal／slot機(jī)制比回調(diào)函數(shù)速度方面有所減慢，但并不明顯，特別是在嵌人式系統(tǒng)中，所用的signal和slot不多的場合，這種速度上的損失可以承受。但這種機(jī)制所帶來的簡明性、靈活性確實(shí)給應(yīng)用帶來了很多便利。

4 微波信號發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)

圖2是應(yīng)用Qt／Embedded在微波合成掃源上開發(fā)的圖形用戶界面。該項(xiàng)目采用研華PCM-4335PC／104主板，Cyrix 300 MHz的處理器(x86系列)，8 MB內(nèi)存16 MB的DOM，嵌入式Linux系統(tǒng)。液晶顯示模塊的分辨率為640×240。

4.1 微波信號發(fā)生器原理

我們所開發(fā)的信號發(fā)生器是一種微波合成掃頻信號源。圖3是其原理圖。

時基標(biāo)準(zhǔn)為頻率發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)信號10 MHz，整機(jī)的頻率穩(wěn)定度由該標(biāo)準(zhǔn)頻率決定。頻率合成器采用頻率合成技術(shù)使標(biāo)準(zhǔn)頻率產(chǎn)生15～40 MHz的離散IF信號。微波輸出組件產(chǎn)生2～20 GHz的微波輸出信號。外圍設(shè)備接口電路包括前面板、后面板、GPIB硬件、液晶模塊、鍵盤控制等。調(diào)制掃描及微電路控制部分提供各種控制信號，完成功率電平穩(wěn)幅(ALC)、模擬掃頻、脈沖調(diào)制等功能。

4.2 點(diǎn)頻功能的實(shí)現(xiàn)算法

頻率合成器作用是給微波掃頻信號提供一定分辨力的頻率參考信號，并對微波信號輸出頻率進(jìn)行逐點(diǎn)鎖定，以得到高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的掃頻輸出信號。圖4是他的原理圖。

輸出點(diǎn)頻信號和掃頻信號是微波合成掃源的基本功能。而點(diǎn)頻輸出又是掃頻輸出的基礎(chǔ)(掃頻信號的輸出可以利用點(diǎn)頻通過程序控制的方法實(shí)現(xiàn))。下面是點(diǎn)頻功能的實(shí)現(xiàn)算法。

(1) 用戶在前面板上設(shè)置需要設(shè)定的頻率f0。

(2) 判斷f0屬于哪個頻段，求出YTO的輸出頻率fYTO。并對YTO進(jìn)行預(yù)置頻率。

(3) 根據(jù)fYTO和f0算出YTO鑒相器參考頻率，由此推出取樣環(huán)和小數(shù)分頻環(huán)的分頻系數(shù)，并將分頻系數(shù)置人對應(yīng)的數(shù)據(jù)鎖存器。

4.3 試驗(yàn)測試

我們選用中國電子科技集團(tuán)公司第41研究所AV4032微波頻譜分析儀和功率計(jì)等儀器對微波信號發(fā)生器的輸出信號做測試，測試的結(jié)果如表1所示。

從測試結(jié)果來看，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語

嵌入式產(chǎn)品正在成為新的技術(shù)熱點(diǎn)，上層應(yīng)用程序是產(chǎn)品的直接功能體現(xiàn)。Qt／Embedded因其面向?qū)ο?、跨平臺、界面設(shè)計(jì)更美觀、程序設(shè)計(jì)簡明和靈活而得到越來越多的廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合微波信號發(fā)生器人機(jī)界面設(shè)計(jì)介紹了Linux下基于Qt／Embedded的設(shè)計(jì)。使用Qt／Embedded設(shè)計(jì)的微波信號發(fā)生器頻率切換時間達(dá)到了45 ms。單邊帶相位噪聲為-75 dBc／Hz，功率準(zhǔn)確度為0.52 dB。其他指標(biāo)也完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。