基于嵌入式技術(shù)的靶場(chǎng)破片測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了增強(qiáng)靶場(chǎng)破片測(cè)速系統(tǒng)的便攜性和實(shí)時(shí)性，提出了一種基于嵌入式技術(shù)的靶場(chǎng)破片測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)硬件上采用ARM+FPGA的架構(gòu)，軟件上不僅采用Qt／Embedded設(shè)計(jì)了圖形界面，而且給出了嵌入式設(shè)備上Qt／Embedded程序的優(yōu)化方法。經(jīng)過多次野外破片測(cè)速試驗(yàn)檢測(cè)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)破片飛行速度、速度降、末速度、破片速度分布等參數(shù)的獲取。試驗(yàn)結(jié)果證明，系統(tǒng)能夠滿足靶場(chǎng)破片測(cè)速的大多數(shù)需要。
關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；破片測(cè)速；ARM；FPGA；Qt／Embedded

0 引言
    破片速度是戰(zhàn)斗部爆炸效能評(píng)估的一個(gè)重要參數(shù)。傳統(tǒng)的靶場(chǎng)破片測(cè)速系統(tǒng)多使用多路數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置好的參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)采集標(biāo)靶的試驗(yàn)波形，試驗(yàn)完成后再交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期處理和解讀以獲取破片速度等參數(shù)。但隨著軍事科技的日新月異，靶場(chǎng)破片測(cè)速系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的參數(shù)越來越多，參數(shù)設(shè)置的靈活性越來越強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性要求越來越高；另一方面，戰(zhàn)斗部爆炸試驗(yàn)在野外進(jìn)行，條件惡劣，大型設(shè)備攜帶不便，以往的PC機(jī)+數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)已經(jīng)越來越不能滿足靶場(chǎng)試驗(yàn)的要求。嵌入式系統(tǒng)具有功耗小、便攜性好、穩(wěn)定性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，近年來隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，把嵌入式技術(shù)引入靶場(chǎng)破片測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為靶場(chǎng)破片測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路。
    本文設(shè)計(jì)的靶場(chǎng)破片測(cè)速系統(tǒng)以ARM處理器為控制核心，利用了FPGA強(qiáng)大的多路并行處理能力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在基于嵌入式Linux的平臺(tái)上采用Qt／Embedded設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面。系統(tǒng)功能完善，操作直觀簡單，攜行方便，能夠滿足在野外進(jìn)行破片測(cè)速的大多數(shù)需要。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)使用ARM+FPGA的設(shè)計(jì)方式。
    ARM處理器選用Samsung公司推出的基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440。S3C2440主頻高達(dá)400 MHz，完全能夠勝任系統(tǒng)工作要求。S3C2440集成了SDRAM和FLASH控制器，提供了串口，觸摸屏接口，USB接口等多種接口，接口豐富、功能強(qiáng)大，是一款高性能，低價(jià)格的處理器，在嵌入式設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。
    FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)選用了Altera公司StratixⅡ系列的EP2S15芯片，該芯片器件密度可達(dá)到15600等效邏輯元(LE)，能提供419Kb片內(nèi)TriMatrix存儲(chǔ)器，多達(dá)12個(gè)DSP區(qū)塊共有48個(gè)(18×18 b)乘法器，用來實(shí)現(xiàn)高性能濾波器和其他DSP功能。支持多種高速外接存儲(chǔ)器接口，支持各種標(biāo)準(zhǔn)的I／O，高速差分I／O，具有強(qiáng)大的高速多通道并行處理能力。
    系統(tǒng)使用該芯片64 MB SDRAM作為系統(tǒng)內(nèi)存，64 MB FLASH用于Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，為系統(tǒng)運(yùn)行提供了充足的存儲(chǔ)空間。
    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    在圖1中，系統(tǒng)采用了32個(gè)標(biāo)靶用于破片測(cè)速，一個(gè)標(biāo)靶對(duì)應(yīng)FPGA的一個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)32 b計(jì)數(shù)器。戰(zhàn)斗部爆炸后，破片擊穿標(biāo)靶時(shí)產(chǎn)生的脈沖將作為起停信號(hào)，控制FPGA中相應(yīng)通道的計(jì)數(shù)。所有通道中最早觸發(fā)的通道為基準(zhǔn)通道，相應(yīng)通道計(jì)數(shù)器值為0。從基準(zhǔn)通道被觸發(fā)時(shí)刻起，除基準(zhǔn)通道外所有通道計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到本通道收到觸發(fā)信號(hào)或者最長計(jì)數(shù)時(shí)間時(shí)停止計(jì)數(shù)。停止計(jì)數(shù)時(shí)的通道計(jì)數(shù)值即為本通道的觸發(fā)計(jì)數(shù)值。
    FPGA設(shè)置了32通道通斷寄存器、32通道輸入觸發(fā)器、通道觸發(fā)計(jì)數(shù)器等多個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，用于保存標(biāo)靶的通斷、觸發(fā)狀態(tài)及各個(gè)通道的觸發(fā)計(jì)數(shù)值；設(shè)置了最長記錄時(shí)間寄存器等多個(gè)控制寄存器用于控制FPGA的動(dòng)作。經(jīng)過處理，F(xiàn)PGA將標(biāo)靶的通斷、觸發(fā)狀態(tài)及最終觸發(fā)計(jì)數(shù)值寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器中。[!--empirenews.page--]
    ARM處理器與FPGA通過總線方式實(shí)現(xiàn)通信。FPGA作為一個(gè)外部存儲(chǔ)器掛載在ARM的存儲(chǔ)器總線上，這樣ARM處理器通過存儲(chǔ)器指令可直接訪問FPGA，從而通過讀寫FPGA的數(shù)據(jù)和控制寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的控制和對(duì)數(shù)據(jù)的讀取。
    ARM與FPGA接口如圖2所示。

    為了便于交互，系統(tǒng)配置了一塊5．7英寸帶觸摸屏的LCD顯示屏作為顯示控制設(shè)備，并且提供了USB口實(shí)現(xiàn)與主機(jī)通信。
    通過試驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮ARM的強(qiáng)大處理能力和FPGA的并行處理能力，成功達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    在設(shè)計(jì)具體應(yīng)用程序前首先要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁減。嵌入式Linux內(nèi)核，是一種完全開源、功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)內(nèi)核，與時(shí)下流行的Wi-nce等嵌入式操作系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)之一就在于內(nèi)核的可裁減性，使用者完全能夠根據(jù)自己的需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁減，刪減去不必要的功能，完成自定義設(shè)計(jì)。本文經(jīng)過裁減后的內(nèi)核大小僅有1．2 MB，大大減少了對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的占用。
    GUI為用戶提供了與應(yīng)用系統(tǒng)交互的可視化通道，在嵌入式軟件系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。針對(duì)嵌入式設(shè)備資源有限的特點(diǎn)，嵌入式GUI要求提供這樣一種交互接口，即它占用資源少且反應(yīng)迅速，具備高度的可移植性和可裁減性。目前國內(nèi)主流的嵌入式GUI系統(tǒng)有MINIGUI，MICRO WINDOW，Qt／Embedded等幾種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。綜合比較各種GUI系統(tǒng)的優(yōu)劣，從GUI系統(tǒng)的封裝性、可移植性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的便捷性考慮，最終選取Qt／Embedded進(jìn)行GUI的設(shè)計(jì)。
    Qt／Embedded(以下簡稱Qt／E)是由著名的Trolltech公司專門針對(duì)pda等嵌入式移動(dòng)手持設(shè)備開發(fā)的開放源碼的一套應(yīng)用程序包和開發(fā)庫，具有可視化強(qiáng)，界面美觀，類庫完善豐富，封裝性好的優(yōu)點(diǎn)。與其他嵌入式GUI系統(tǒng)相比，Qt／E開發(fā)方便，尤其是Qt／E提供了一種類型安全的基于signal和slot的真正組件化編程機(jī)制，簡化了編寫過程，有助于開發(fā)人員把握核心功能，使程序編寫更加靈活；Qt／E程序可移植性強(qiáng)，具有極好的跨平臺(tái)特性，完全可以“一處編寫，處處編譯”。許多基于計(jì)算機(jī)Qt的X Window程序在交叉編譯后都可以非常方便地移植為Qt／E版本，這樣完全可以在主機(jī)上完成程序開發(fā)，查看效果后經(jīng)交叉編譯直接在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行，大大簡化了開發(fā)流程，節(jié)約了開發(fā)時(shí)間。

3 嵌入式GUI程序?qū)崿F(xiàn)
3．1 Qt／E具體程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)在試驗(yàn)前需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，尤為重要的是完成標(biāo)靶的分組設(shè)置：在同一方向上的兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)靶分為一組，靶間距事先確定，同一破片將先后通過同組標(biāo)靶，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，控制對(duì)應(yīng)通道計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)起停。破片測(cè)速完成后，F(xiàn)PGA獲得的通道觸發(fā)計(jì)數(shù)值除以FPGA計(jì)數(shù)頻率即為通道的觸發(fā)時(shí)刻值。用同一標(biāo)靶組內(nèi)兩個(gè)相鄰標(biāo)靶之間的間距除以相鄰標(biāo)靶之間觸發(fā)時(shí)刻值的差值，即可得到破片在兩個(gè)標(biāo)靶之間的平均飛行速度。每個(gè)標(biāo)靶組可測(cè)得一組破片穿過本標(biāo)靶組時(shí)的速度值，通過進(jìn)一步的計(jì)算，可獲得破片的速度分布、速度降等參數(shù)。
    根據(jù)系統(tǒng)測(cè)速過程，系統(tǒng)軟件的工作流程如圖4所示。

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    按照系統(tǒng)應(yīng)用要求，將GUI設(shè)計(jì)分為：參數(shù)設(shè)置模塊、系統(tǒng)測(cè)試模塊、結(jié)果查看模塊和存儲(chǔ)管理模塊四個(gè)模塊。參數(shù)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)對(duì)破片測(cè)速系統(tǒng)所需要的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括標(biāo)靶分組、標(biāo)靶間距、標(biāo)靶類型、最長計(jì)數(shù)時(shí)間。在設(shè)置過程中，GUI自動(dòng)對(duì)所設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，如果參數(shù)設(shè)置不正確，將產(chǎn)生錯(cuò)誤提示。系統(tǒng)測(cè)試模塊負(fù)責(zé)在試驗(yàn)前對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。通過人為給出觸發(fā)信號(hào)可在LCD上可視化的查看系統(tǒng)是否正常工作，通道可否正常觸發(fā)，F(xiàn)PGA可否正常計(jì)數(shù)等。結(jié)果查看模塊負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示。在試驗(yàn)完成，獲得測(cè)試數(shù)據(jù)后，經(jīng)過運(yùn)算，就可以表格和分布圖兩種方式給出破片的觸發(fā)時(shí)刻值和速度值，快速直觀。存儲(chǔ)管理模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)參數(shù)及測(cè)試數(shù)據(jù)的保存和
讀取，以進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析。系統(tǒng)擁有脫機(jī)設(shè)置功能，即可在試驗(yàn)前未連接標(biāo)靶的情況下，脫機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完畢后可保存所有設(shè)置參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)，只要選擇保存的參數(shù)就可直接載入脫機(jī)設(shè)置的參數(shù)，極大增強(qiáng)了系統(tǒng)工作的靈活性。
3．2 Qt／E程序優(yōu)化
    嵌入式設(shè)備的顯著特點(diǎn)是CPU主頻不高，資源有限。因?yàn)檫@個(gè)局限性，許多在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行流暢的Qt／E程序在嵌入式設(shè)備上反應(yīng)滯后，在極端情況下甚至?xí)霈F(xiàn)短暫的界面凍結(jié)現(xiàn)象。為了提高嵌入式GUI的反應(yīng)速度，對(duì)Qt／E應(yīng)用程序設(shè)計(jì)就提出了更高的要求。本文在界面設(shè)計(jì)中，針對(duì)GUI運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，對(duì)Qt／E程序進(jìn)行了一些優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后，界面的反應(yīng)速度明顯改善。
3．2．1 采用靜態(tài)鏈接代替動(dòng)態(tài)鏈接
    與靜態(tài)鏈接相比，動(dòng)態(tài)鏈接的優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)態(tài)庫可被多個(gè)進(jìn)程復(fù)用，從而減少了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存的使用。但是動(dòng)態(tài)鏈接的這種優(yōu)越性是有代價(jià)的，由于進(jìn)程在初始化時(shí)要加載并且初始化大量的動(dòng)態(tài)庫，當(dāng)需要加載的動(dòng)態(tài)庫比較多或者動(dòng)態(tài)庫比較龐大時(shí)，直接的影響就是降低進(jìn)程啟動(dòng)速度；另外一個(gè)影響是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)因?yàn)楹瘮?shù)的鏈接也要耗費(fèi)一些時(shí)間。
    嵌入式Qt／E程序如果使用動(dòng)態(tài)鏈接就面臨這個(gè)問題。一般來說，為了保證程序的基本功能，即使經(jīng)過裁減后，Qt／E動(dòng)態(tài)庫也有將近10 MB大小，這些動(dòng)態(tài)庫在嵌入式平臺(tái)上的加載將耗費(fèi)大量時(shí)間。針對(duì)這個(gè)問題，一種解決方法是采用prelink預(yù)鏈接的方法先確定每一個(gè)動(dòng)態(tài)庫在內(nèi)存的加載位置，從而省去動(dòng)態(tài)庫重定位這一過程。但是這種方法的步驟比較繁瑣，使用上存在一些限定要求，在這里并不推薦。
    由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為專用系統(tǒng)，僅有一個(gè)GUI程序，可采取對(duì)Qt／E庫靜態(tài)鏈接的方式來提高啟動(dòng)和運(yùn)行速度。具體過程是，在用configure配置Qt／E庫編譯選項(xiàng)時(shí)使用-static選項(xiàng)把Qt／E庫源文件編譯成靜態(tài)庫，在編譯Qt／E程序時(shí)選擇鏈接庫為靜態(tài)庫。經(jīng)過測(cè)試，采用靜態(tài)鏈接的方式，由于在進(jìn)程初始化時(shí)不用再去加載Qt／E的動(dòng)態(tài)庫，極大提高了進(jìn)程的啟動(dòng)速度；在運(yùn)行過程中，由于節(jié)省了函數(shù)鏈接時(shí)間，程序的運(yùn)行速度有所提高；同時(shí)雖然Qt／E程序本身變得龐大，但是由于不用再安裝Qt／E動(dòng)態(tài)庫，故占用的FLASH空間有限。
3．2．2 使用基礎(chǔ)控件代替復(fù)合控件
    加快界面反應(yīng)速度最直接有效的方法就是減少界面中的控件數(shù)，這里的控件數(shù)，準(zhǔn)確地說，指的是QWidget等基礎(chǔ)控件的數(shù)量。在實(shí)際程序設(shè)計(jì)過程中，一個(gè)有效設(shè)計(jì)方法是對(duì)一些復(fù)合控件盡可能使用基礎(chǔ)控件代替。Qt／E中提供了許多功能強(qiáng)大的復(fù)合控件，這些復(fù)合控件通常是由多個(gè)基礎(chǔ)控件復(fù)合而成的，雖然操作方便，但是資源消耗也比較多，從而影響了整個(gè)界面的運(yùn)行。以表格的繪制為例，如果表格使用復(fù)合控件QTableWidget實(shí)現(xiàn)，表格的每一個(gè)表項(xiàng)都作為一個(gè)子控件存在。每一次刷新表格都需要調(diào)用每個(gè)子控件的paintEvent()函數(shù)，子控件越多，函數(shù)調(diào)用次數(shù)相應(yīng)的也越多，極大地占用了CPU時(shí)間，極端情況下甚至?xí)捎趐aintEvent事件過多而堵塞事件隊(duì)列，影響界面的正常運(yùn)行。而如果用基礎(chǔ)控件QWidget實(shí)現(xiàn)表格，只需調(diào)用一次基礎(chǔ)控件的paintEvent()就可以在paintEvent()函數(shù)中自定義實(shí)現(xiàn)表格的繪制，雖然書寫代碼量可能會(huì)大一些，但是函數(shù)調(diào)用次數(shù)少，并且可以做到對(duì)表格每一個(gè)局部刷新區(qū)域的有效控制，避免許多無用操作，在嵌入式平臺(tái)上，反應(yīng)速度明顯加快。
3．2．3 采用延遲刷新方法
    當(dāng)不可避免要用到復(fù)合控件時(shí)，如果用到的復(fù)合控件構(gòu)成復(fù)雜、刷新耗時(shí)，為了盡可能降低這些復(fù)合控件對(duì)整體界面運(yùn)行的影響，可借鑒雙緩沖繪圖的思想，用延遲刷新的方法來控制這些復(fù)合控件的刷新。
    傳統(tǒng)的雙緩沖繪圖是在內(nèi)存中開辟一塊緩沖區(qū)，將緩沖區(qū)看作一幅位圖，先用背景色填充這幅位圖，然后在這幅位圖上繪制用戶圖形，最后顯示這幅位圖到窗口中。
    由于在后臺(tái)已完成了界面繪制，采用雙緩沖繪圖，可有效消除閃爍。參考雙緩沖繪圖的做法，為了解決耗時(shí)復(fù)合控件和整個(gè)界面在刷新時(shí)的矛盾，本文的思路是當(dāng)界面，需要刷新時(shí)先不刷新復(fù)合控件，而是在背景上用一幅畫布替代復(fù)合控件區(qū)域，當(dāng)界面刷新完畢后，再進(jìn)行復(fù)合控件的刷新。經(jīng)過測(cè)試，這種方法特別適合于復(fù)合控件變化較小而整個(gè)界面需要刷新的情況。具體做法是在確定了耗時(shí)復(fù)合控件后，當(dāng)需要刷新界面時(shí)，構(gòu)造一幅畫布QPixmap，利用QPixmap：：grabWindow()函數(shù)在畫布上繪制出該復(fù)合控件所占區(qū)域圖形，由于這個(gè)函數(shù)只是對(duì)窗口像素點(diǎn)進(jìn)行繪制，并不調(diào)用控件的paintEvent()函數(shù)，而嵌入式設(shè)備的分辨率一般不高，因而花費(fèi)時(shí)間有限；對(duì)復(fù)合控件利用setUp-dateEnable(false)函數(shù)禁用復(fù)合控件刷新功能后，調(diào)用QApplieation：：proeessEvent()完成界面除復(fù)合控件外所有控件的刷新繪制，并且為了消除閃爍，在父窗口的paintEvent()函數(shù)中調(diào)用QPainter：：drawPixmap()函數(shù)將畫布QPixmap繪制于背景的復(fù)合控件區(qū)域上。這時(shí)，就可看到界面的刷新效果。由于耗時(shí)復(fù)合控件的禁止刷新，整個(gè)刷新過程將會(huì)快速完成；最后再調(diào)用復(fù)合控件的setUpdateEnable(true)重新使能復(fù)合控件的刷新功能。更進(jìn)一步的方法是，只有當(dāng)耗時(shí)復(fù)合控件變化時(shí)才調(diào)用復(fù)合控件的setUpdateEnable(true)允許刷新操作，其余時(shí)刻均在背景上使用QPixmap繪制代替。采用這種方法相當(dāng)于把耗時(shí)復(fù)合控件的刷新延遲，而先讓界面其他控件完成刷新操作，從而快速顯示界面的刷新效果。

4 結(jié)語
    系統(tǒng)綜合利用了ARM和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，在基于ARM+FPGA的平臺(tái)上設(shè)計(jì)出靶場(chǎng)破片測(cè)速系統(tǒng)；在架構(gòu)于Linux的平臺(tái)上設(shè)計(jì)了基于Qt／E的嵌入式交互程序，并且針對(duì)嵌入式設(shè)備的不足，提出Qt／E程序的優(yōu)化意見和方法。系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)檢測(cè)，能夠順利完成靶場(chǎng)測(cè)速任務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰、條理嚴(yán)整、程序健壯，這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和對(duì)Qt／E程序的優(yōu)化思想對(duì)同類設(shè)計(jì)具有較大的參考意義。