基于ARM和MiniGUI的車載指控系統(tǒng)人機接口部分的設計

　　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(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(nèi)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(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(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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(diào)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(nèi)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。

　　MiniGUI中有三種窗口類型：主窗口、對話框和控件窗口。每一個MiniGUI應用程序一般都要創(chuàng)建一個主窗口，作為應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、進度條等，這些控件類可以實現(xiàn)和Windows標準控件類似的效果。

　　最重要的幾個函數(shù)是：

　　其中，WndProc是這個窗口的消息處理函數(shù)。在此，對消息循環(huán)進行初立即可。例如：

　　添加了鍵盤驅動，修改了MiniGUI的輸入引擎后，應用程序就可以響應鍵盤消息，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GDI，程序可以在計算機屏幕上進行圖形輸出，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處理器將是一個比較大的負擔，會出現(xiàn)畫面的抖動，不連貫。處理的方法是將色深設置為8位，這需要通過修改Linux的顯示驅動來解決。

　　(2)鍵盤的防抖問題。按鍵的抖動問題是一類常見問題，可以通過軟件延時或者其他的手段進行處理。

　　(3)終端功能的進一步豐富。該課題只實現(xiàn)了終端的人機界面，但是作為一個完整意義的終端，還應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。這些需要進一步開發(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

　　ARM作為一款性價比突出的嵌入式芯片，與圖形系統(tǒng)MiniGUI相結合，是嵌入式圖形界面編程的優(yōu)選。實驗證明，本文所介紹的軟、硬件系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了在本文引言中提及的車載指控平臺的幾項功能。作為一類典型的車載嵌入式系統(tǒng)，車載指控系統(tǒng)的設計原理與方法同樣適用于其他嵌入式系統(tǒng)。