《電子技術(shù)應用》
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基于QT/E的ARM/DSP直流電機監(jiān)控界面的設(shè)計與實現(xiàn)
山西電子技術(shù)
歐峰,,魏世民,郭磊
摘要: 以嵌入式微處理器ARM&DSP主從控制模式下設(shè)計直流電機控制系統(tǒng),,重點介紹基于QT/Embedded設(shè)計的直流電機監(jiān)控系統(tǒng)界面,,包括串口通訊和電機控制。搭建基于嵌入式操作系統(tǒng)Linux的開發(fā)環(huán)境,,采用C++語言進行應用程序界面的開發(fā),,根據(jù)基于串口的應用層協(xié)議,實現(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,,通過觸摸屏實現(xiàn)人機交互。
關(guān)鍵詞: ARM s3C2440 TMS320F2812 Linux QT/Embedded
Abstract:
Key words :

0 引言
嵌入式技術(shù)在機器人控制領(lǐng)域應用廣泛,,它集中了機械工程,、自動化控制以及人工智能等多門學科的最新科研成果,已經(jīng)成為當前科技研究和應用的焦點與重心,。而機器人控制系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題之一就是電機控制技術(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,利用Linux操作系統(tǒng),,對直流電機的控制進行研究,,設(shè)計了基于QT的應用程序開發(fā),以圖形的方式給用戶提供操作接口,,實現(xiàn)對電機更加直觀的狀態(tài)顯示和靈活的控制,。

1 控制系統(tǒng)的整體設(shè)計
本系統(tǒng)的主控制器由基于32位ARM。
920T的RISC處理器Samsung S3C2440嵌入式開發(fā)板構(gòu)成,,內(nèi)部運行嵌入式Linux操作系統(tǒng),,主要負責系統(tǒng)的控制以及與從控制器DSP的通訊等任務,主控制器通過串行通信接口(UART)實現(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)搭建平臺并開發(fā)基于QT的圖形界面,通過觸摸屏實現(xiàn)人機接口,,完成對電機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位定點控制器TMS320F2812,主要完成對電機的控制,,以及反饋給主控制器ARM9當前的運動狀態(tài),。控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖1所示,。

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2 串行通信設(shè)計
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模塊利用中斷進行控制,,其接收和發(fā)送是雙緩沖的,,二者可獨立地工作于全雙工模式,。串口通過兩個可以復用和具有優(yōu)先級的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)動和隔離電路可以組成一個簡單的通信接口,。在ARM9和DSP之間采用了符合RS-232標準的驅(qū)動芯片MAX3232進行串行通信,,MAX3232芯片功耗低、集成度高,,具有兩個接收和發(fā)送通道,。TMS320F2812串行接口電路如圖2所示。

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在TMS320F2812的串行通信接口工作時,,其功能可以通過軟件可編程實現(xiàn),,當接收到數(shù)據(jù)后,通過事件管理器模塊中的通用定時器,,PWM單元以及捕獲單元對電機的方向和速度進行控制,。

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

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QT應用程序由C++語言進行開發(fā),。QT的API分為控件,、框架和工具三個部分,其高效的工作性能與其信號和槽的機制是密不可分的,。QT/  Embedded開發(fā)流程如圖4所示,。

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在宿主機上建立QT開發(fā)環(huán)境,安裝交叉編譯工具,,包括編譯器,、鏈接器、庫函數(shù)等,,應用程序在宿主機上運行,,而產(chǎn)生的目標代碼是針對特定的硬件平臺。并且使用QtCreator跨平臺的Qt集成開發(fā)環(huán)境,,有助于提高開發(fā)的效率,。QT應用程序的開發(fā)是在宿主機上調(diào)試通過后,移植到目標板上,。
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的電機狀態(tài)信息,。串口通信界面如圖5所示。通過點擊界面中‘Edit Parameter’按鍵實現(xiàn)對串口各種參數(shù)的配置,。正確配置好參數(shù),,點擊‘ConneCt’按鍵即可連接串口,準備通信,。電機狀態(tài)可以點擊‘Receive’獲得,。‘Motor’菜單可打開電機控制界面,其控制也是通過生效的串口傳輸,。

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

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在設(shè)置好串口參數(shù)后,,點擊‘Connet’后發(fā)送控件QPushButton信號clicked(),,調(diào)用自定義槽函數(shù)setup_serial(),實現(xiàn)對QT控件中各個參數(shù)的讀取,,并根據(jù)參數(shù)配置對應的串口,。其中,由控件portNameComboBox的成員函數(shù)currentText()獲得設(shè)置的串口號,,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參數(shù),。接下來,,需要打開串口,代碼段如下:

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其中,,使用open函數(shù)打開串口,,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)讀取并打開串口操作后,,通過調(diào)用自定義的子函數(shù)set baudrate(int)用來設(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Linux串口通信的termios數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對串口進行配置,。由于使用串口對電機進行讀取或控制,不允許等待,,所以對于打開的任何串口,,都需要將其設(shè)置為非阻塞工作方式。程序中通過fcntl(fd serial,,F(xiàn)_SETFL,,O_NONBLOCK)實現(xiàn)把Linux下默認為阻塞讀的緩沖設(shè)置為非阻塞讀。

設(shè)計電機狀態(tài)讀取部分時,,首先定義了結(jié)構(gòu)體motor_status:

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當電機處于正常工作狀態(tài)時,,點擊界面上‘Receive’,,自定義的槽函數(shù)receive data()會響應,實現(xiàn)對電機狀態(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)通過串口讀取這16位帶有電機狀態(tài)信息的數(shù)據(jù),并賦值給數(shù)組buff[],。


將字符數(shù)組buff[]各個字段傳遞給對應motor_status屬性,,并分別發(fā)送自定義信號。用于顯示電機狀態(tài)的控件QLabel是QWidget的子類,,其槽函數(shù)setText(QString)接收信號并將其顯示,。比如,顯示電機轉(zhuǎn)速狀態(tài)的過程是:發(fā)射自定義信號speed_changed(QString),,觸發(fā)QL-abel類型控件label_DiskSpced_value的槽函數(shù)setText(OString),,將當前電機轉(zhuǎn)速顯示在界面上。該信號和槽函數(shù)連接的語句為connect(this,SIGNAL(speed_changed(Qstring)),,ui->label DiskSpeed value,,SLOT(setText(QString)),實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)顯示,。

3.3 電機控制界面
電機控制界面提供了對電機控制指令的配置,,電機控制界面如下圖6所示。

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點擊‘Edit’鍵可對參數(shù)進行編輯,,之后點擊‘Send’,,通過串口傳輸生效。
先定義了電機參數(shù)結(jié)構(gòu)motor config:

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點擊‘Send’后發(fā)送控件QPushButton的信號clicked(),,它會觸發(fā)自定義的槽函數(shù)send_data(),,實現(xiàn)通過串口傳遞給DSP控制指令,。定義DSP接收的電機控制的數(shù)據(jù)格式,,如表2所示,需要大小為13位的char型數(shù)組存儲電機控制信息,。槽函數(shù)send_data()中,,按照格式賦值給
char型buff[]數(shù)組,然后通過函數(shù)write(fd_serial,,buff,,sizeof(buff))將數(shù)據(jù)寫入串口。

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3.4 實驗結(jié)果
完成QT應用程序在PC端的Linux下的仿真運行,,編譯出在開發(fā)板上執(zhí)行的二進制可執(zhí)行文件,,最終在嵌入式ARM板上運行效果如圖7所示,,實現(xiàn)了ARM與DSP的串行通信及對電機的監(jiān)控。

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4 結(jié)語
基于QT/Embedded的GUI應用程序運行在嵌入式操作系統(tǒng)Linux上,,高效穩(wěn)定,,UI設(shè)計提供了良好的用戶體驗,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)計與實現(xiàn)了電機控制界面,顯示了高性能嵌入式處理器,、智能化嵌入式操作系統(tǒng),、圖形化應用程序在嵌入式產(chǎn)品應用上的可行性。

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