基于QT／E的ARM／DSP嵌入式系統(tǒng)的直流電機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：以嵌入式微處理器ARM&DSP主從控制模式下設(shè)計(jì)直流電機(jī)控制系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹基于QT／Embedded設(shè)計(jì)的直流電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面，包括串口通訊和電機(jī)控制。搭建基于嵌入式操作系統(tǒng)Linux的開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C++語(yǔ)言進(jìn)行應(yīng)用程序界面的開(kāi)發(fā)，根據(jù)基于串口的應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)主從控制器間的數(shù)據(jù)通信。并完成Linux操作系統(tǒng)的移植，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
關(guān)鍵詞：S3C2440；TMS320F2812：Linux；QT／Embedded；直流電機(jī)；圖形化用戶界面

0 引言
    嵌入式技術(shù)在機(jī)器人控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它集中了機(jī)械工程、自動(dòng)化控制以及人工智能等多門(mén)學(xué)科的最新科研成果，已經(jīng)成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)與重心。而機(jī)器人控制系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一就是電機(jī)控制技術(shù)。本課題基于嵌入式系統(tǒng)處理器ARM&DSP主從控制模式的硬件平臺(tái)，利用Linux操作系統(tǒng)，對(duì)直流電機(jī)的控制進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了基于QT的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，以圖形的方式給用戶提供操作接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)更加直觀的狀態(tài)顯示和靈活的控制。

1 控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的主控制器由基于32位ARM。
    920T的RISC處理器Samsung S3C2440嵌入式開(kāi)發(fā)板構(gòu)成，內(nèi)部運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制以及與從控制器DSP的通訊等任務(wù)，主控制器通過(guò)串行通信接口(UART)實(shí)現(xiàn)與從控制器的數(shù)據(jù)通信，包括發(fā)送特定數(shù)據(jù)格式的控制指令和接收DSP控制器返回的傳感器數(shù)據(jù)。利用Linux操作系統(tǒng)搭建平臺(tái)并開(kāi)發(fā)基于QT的圖形界面，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口，完成對(duì)電機(jī)和傳感器的控制和傳感器數(shù)據(jù)的顯示。從控制器采用32位定點(diǎn)控制器TMS320F2812，主要完成對(duì)電機(jī)的控制，以及反饋給主控制器ARM9當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 串行通信設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)中主控制器ARM9與從控制器TMS320F2812之間的通訊采用串行通信接口，即UART口。TMS320F2812的SCI模塊利用中斷進(jìn)行控制，其接收和發(fā)送是雙緩沖的，二者可獨(dú)立地工作于全雙工模式。串口通過(guò)兩個(gè)可以復(fù)用和具有優(yōu)先級(jí)的I／O引腳SCITXD和SCIKXD分別用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，RS-232與DSP中的TTL電平之間需要配驅(qū)動(dòng)和隔離電路可以組成一個(gè)簡(jiǎn)單的通信接口。在ARM9和DSP之間采用了符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片MAX3232進(jìn)行串行通信，MAX3232芯片功耗低、集成度高，具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道。TMS320F2812串行接口電路如圖2所示。

    在TMS320F2812的串行通信接口工作時(shí)，其功能可以通過(guò)軟件可編程實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)事件管理器模塊中的通用定時(shí)器，PWM單元以及捕獲單元對(duì)電機(jī)的方向和速度進(jìn)行控制。

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3 QT圖形界面的設(shè)計(jì)
3．1 QT／Embedded
    大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)都需要與人進(jìn)行交流，而且形成了軟硬件完全定制開(kāi)發(fā)的、基于圖形化顯示、觸摸屏控制的人機(jī)接口產(chǎn)品。QT／  Embedded是一個(gè)跨平臺(tái)應(yīng)用程序和UI開(kāi)發(fā)框架，支持豐富的圖形控件，提供美觀的界面開(kāi)發(fā)，完全滿足人機(jī)交互產(chǎn)品的界面顯示需求。QT／  Embedded的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    QT應(yīng)用程序由C++語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。QT的API分為控件、框架和工具三個(gè)部分，其高效的工作性能與其信號(hào)和槽的機(jī)制是密不可分的。QT／  Embedded開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

    在宿主機(jī)上建立QT開(kāi)發(fā)環(huán)境，安裝交叉編譯工具，包括編譯器、鏈接器、庫(kù)函數(shù)等，應(yīng)用程序在宿主機(jī)上運(yùn)行，而產(chǎn)生的目標(biāo)代碼是針對(duì)特定的硬件平臺(tái)。并且使用QtCreator跨平臺(tái)的Qt集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，有助于提高開(kāi)發(fā)的效率。QT應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)是在宿主機(jī)上調(diào)試通過(guò)后，移植到目標(biāo)板上。
3．2 串口通信界面
    串口通信界面提供串口屬性設(shè)置、串口數(shù)據(jù)通信的接口函數(shù)以及DSP反饋給ARM9的電機(jī)狀態(tài)信息。串口通信界面如圖5所示。通過(guò)點(diǎn)擊界面中‘Edit Parameter’按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)串口各種參數(shù)的配置。正確配置好參數(shù)，點(diǎn)擊‘ConneCt’按鍵即可連接串口，準(zhǔn)備通信。電機(jī)狀態(tài)可以點(diǎn)擊‘Receive’獲得。‘Motor’菜單可打開(kāi)電機(jī)控制界面，其控制也是通過(guò)生效的串口傳輸。[!--empirenews.page--]

    設(shè)計(jì)串口配置的界面時(shí)，首先定義結(jié)構(gòu)體serial config，具體如下：

    在設(shè)置好串口參數(shù)后，點(diǎn)擊‘Connet’后發(fā)送控件QPushButton信號(hào)clicked()，調(diào)用自定義槽函數(shù)setup_serial()，實(shí)現(xiàn)對(duì)QT控件中各個(gè)參數(shù)的讀取，并根據(jù)參數(shù)配置對(duì)應(yīng)的串口。其中，由控件portNameComboBox的成員函數(shù)currentText()獲得設(shè)置的串口號(hào)，由此讀取串口名稱，并賦值給屬性serial．dev。設(shè)置串口名稱代碼段如下：

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    類似地讀取串口通信的其他相應(yīng)參數(shù)。接下來(lái)，需要打開(kāi)串口，代碼段如下：

    其中，使用open函數(shù)打開(kāi)串口，獲得串口設(shè)備文件的文件描述符fd_serial。
    槽函數(shù)setup_serial()中，完成參數(shù)讀取并打開(kāi)串口操作后，通過(guò)調(diào)用自定義的子函數(shù)set baudrate(int)用來(lái)設(shè)置波特率，而子函數(shù)set Parms(int)則是設(shè)置其他參數(shù)。其中主要使用了針對(duì)Linux串口通信的termios數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)串口進(jìn)行配置。由于使用串口對(duì)電機(jī)進(jìn)行讀取或控制，不允許等待，所以對(duì)于打開(kāi)的任何串口，都需要將其設(shè)置為非阻塞工作方式。程序中通過(guò)fcntl(fd serial，F(xiàn)_SETFL，O_NONBLOCK)實(shí)現(xiàn)把Linux下默認(rèn)為阻塞讀的緩沖設(shè)置為非阻塞讀。

    設(shè)計(jì)電機(jī)狀態(tài)讀取部分時(shí)，首先定義了結(jié)構(gòu)體motor_status：

    當(dāng)電機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)擊界面上‘Receive’，自定義的槽函數(shù)receive data()會(huì)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)狀態(tài)的讀取。制定的DSP反饋給ARM9的數(shù)據(jù)包的格式如表1所示，數(shù)據(jù)格式大小為16位的char型數(shù)組。在槽函數(shù)中，使用read(fd_serial，buff16)函數(shù)通過(guò)串口讀取這16位帶有電機(jī)狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，并賦值給數(shù)組buff[]。

    將字符數(shù)組buff[]各個(gè)字段傳遞給對(duì)應(yīng)motor_status屬性，并分別發(fā)送自定義信號(hào)。用于顯示電機(jī)狀態(tài)的控件QLabel是QWidget的子類，其槽函數(shù)setText(QString)接收信號(hào)并將其顯示。比如，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)的過(guò)程是：發(fā)射自定義信號(hào)speed_changed(QString)，觸發(fā)QL-abel類型控件label_DiskSpced_value的槽函數(shù)setText(OString)，將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示在界面上。該信號(hào)和槽函數(shù)連接的語(yǔ)句為connect(this,SIGNAL(speed_changed(Qstring))，ui->label DiskSpeed value，SLOT(setText(QString))，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)顯示。[!--empirenews.page--]
3．3 電機(jī)控制界面
    電機(jī)控制界面提供了對(duì)電機(jī)控制指令的配置，電機(jī)控制界面如下圖6所示。

    點(diǎn)擊‘Edit’鍵可對(duì)參數(shù)進(jìn)行編輯，之后點(diǎn)擊‘Send’，通過(guò)串口傳輸生效。
    先定義了電機(jī)參數(shù)結(jié)構(gòu)motor config：

    點(diǎn)擊‘Send’后發(fā)送控件QPushButton的信號(hào)clicked()，它會(huì)觸發(fā)自定義的槽函數(shù)send_data()，實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口傳遞給DSP控制指令。定義DSP接收的電機(jī)控制的數(shù)據(jù)格式，如表2所示，需要大小為13位的char型數(shù)組存儲(chǔ)電機(jī)控制信息。槽函數(shù)send_data()中，按照格式賦值給
char型buff[]數(shù)組，然后通過(guò)函數(shù)write(fd_serial，buff，sizeof(buff))將數(shù)據(jù)寫(xiě)入串口。

3．4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    完成QT應(yīng)用程序在PC端的Linux下的仿真運(yùn)行，編譯出在開(kāi)發(fā)板上執(zhí)行的二進(jìn)制可執(zhí)行文件，最終在嵌入式ARM板上運(yùn)行效果如圖7所示，實(shí)現(xiàn)了ARM與DSP的串行通信及對(duì)電機(jī)的監(jiān)控。

4 結(jié)語(yǔ)
    基于QT／Embedded的GUI應(yīng)用程序運(yùn)行在嵌入式操作系統(tǒng)Linux上，高效穩(wěn)定，UI設(shè)計(jì)提供了良好的用戶體驗(yàn)，滿足了嵌入式設(shè)備的界面顯示需求。本課題采用ARM&DSP+Linux+QT／Embedded的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制界面，顯示了高性能嵌入式處理器、智能化嵌入式操作系統(tǒng)、圖形化應(yīng)用程序在嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用上的可行性。