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(yīng)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(shè)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(shù)狀態(tài);車際間的指控、通信;車輛的定位,、導(dǎo)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(jī)接口部分的設(shè)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(lǐng)域得到非常廣泛應(yīng)用的架構(gòu),，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(yīng)用于手持設(shè)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(jī)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(shè)備支持,、觸摸屏接口等,，這種設(shè)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(yīng)用軟件豐富等特點(diǎn),，因此Linux和ARM是許多低成本的應(yīng)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(yīng)用程序定義了一組輕量級的窗口和圖形設(shè)備接口,。利用這些接口，每個應(yīng)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(yīng)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(shè)計
ARMS3C2410芯片的應(yīng)用電路有許多成熟的設(shè)計范例;在設(shè)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(kuò)展板分離的結(jié)構(gòu),，提供了大部分的外設(shè)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(shè)計成一個行列式鍵盤矩陣(見圖1)。
結(jié)合開發(fā)板的電路結(jié)構(gòu),，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(diǎn)接入按鍵開關(guān),。
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(qū)動電路
指揮控制終端輸入/輸出設(shè)備的第二個重點(diǎn)就是顯示設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成VGA信號可采用專用的AD芯片,，如ADV7120，ADV7123等,。
3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計需要完成兩個方面的工作：一是驅(qū)動程序編寫;二是GUI編程,。
3.1 鍵盤矩陣驅(qū)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(yīng)的驅(qū)動程序，自行開發(fā)的外設(shè)電路一般需要自己編寫驅(qū)動程序,。設(shè)備驅(qū)動程序是Linux內(nèi)核的重要部分,，操作系統(tǒng)只有通過驅(qū)動程序才能夠控制外設(shè)的硬件行為。
在系統(tǒng)內(nèi)部,，I/0設(shè)備的存取是通過一系列的入口點(diǎn)來進(jìn)行的,，字符型設(shè)備提供以下入口點(diǎn)：open,，close，read,，write,，ioctl;它們分別對應(yīng)打開設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備,、讀設(shè)備,、寫設(shè)備以及其他操作。這些入口點(diǎn)的定義是通過一個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來完成的,。
鍵盤驅(qū)動程序編制的要點(diǎn)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(yīng)的鍵值;
(2)初始化時設(shè)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(diǎn),，也就是file_operations結(jié)構(gòu)定義的read方法中，調(diào)用scan_kbd(),。這樣,，驅(qū)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(shè)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(jìn)行,。
鍵盤驅(qū)動程序經(jīng)過編譯后,，可以作為一個設(shè)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(yīng)針對目標(biāo)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行配置和編譯，例如指定目標(biāo)操作系統(tǒng),、運(yùn)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(shè)計的鍵盤作為輸入設(shè)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(qū)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(qū)動程序設(shè)計和鍵盤輸入引擎開發(fā)。前者負(fù)責(zé)從鍵盤接收原始輸入事件和數(shù)據(jù),，后者負(fù)責(zé)將原始的輸入事件和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)來表示輸入引擎,。該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的各個函數(shù),。新的IAL引擎編寫完成后,，應(yīng)加入MiniGUI進(jìn)行配置，然后對MiniGUI進(jìn)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(jìn)行修改。
3.3 圖形界面設(shè)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(qū)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(diǎn)在于實現(xiàn)人機(jī)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(yīng)用程序一般都要創(chuàng)建一個主窗口,，作為應(yīng)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(jìn)度條等,，這些控件類可以實現(xiàn)和Windows標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行初立即可,。例如：
添加了鍵盤驅(qū)動,，修改了MiniGUI的輸入引擎后，應(yīng)用程序就可以響應(yīng)鍵盤消息,，處理各種事件,。除了對標(biāo)準(zhǔn)控制的支持外，MiniGUI還提供了圖形設(shè)備接口(GDI)的支持,。通過GDI,，程序可以在計算機(jī)屏幕上進(jìn)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(shè)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(fù)擔(dān)，會出現(xiàn)畫面的抖動,，不連貫,。處理的方法是將色深設(shè)置為8位，這需要通過修改Linux的顯示驅(qū)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(jìn)行處理,。
(3)終端功能的進(jìn)一步豐富,。該課題只實現(xiàn)了終端的人機(jī)界面，但是作為一個完整意義的終端,，還應(yīng)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(jìn)一步開發(fā)利用ARM芯片上的其他外設(shè),，這是該課題下一步的目標(biāo)。
4 結(jié)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(jié)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(shè)計原理與方法同樣適用于其他嵌入式系統(tǒng),。