摘  要： 目前對(duì)裝備檢測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)性、可視化的要求越來(lái)越高,。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用,，使檢測(cè)裝置變得可靠、實(shí)用和便攜,。本文在OMAPL138嵌入式結(jié)構(gòu)和Linux系統(tǒng)下,，應(yīng)用QTouch組態(tài)軟件進(jìn)行檢測(cè)設(shè)備人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)。重點(diǎn)設(shè)計(jì)和分析Linux系統(tǒng)下與FPGA模塊的數(shù)據(jù)交互機(jī)制，從而滿足實(shí)時(shí)信息通信和檢測(cè)的人機(jī)交互需求。

　　關(guān)鍵詞： QTouch,；人機(jī)交互；嵌入式Linux,；ARM+FPGA；數(shù)據(jù)交換

0 引言

　　由于目前裝備日趨信息化、智能化，裝備運(yùn)行或使用過(guò)程中涉及到的信號(hào)也越來(lái)越多,，對(duì)于這些信號(hào)的采集和分析，有助于裝備使用者了解裝備的狀態(tài),，及時(shí)維修維護(hù),，防患于未然,。為了能更好更準(zhǔn)確地檢測(cè)出裝備的一些關(guān)鍵信號(hào),，對(duì)檢測(cè)設(shè)備提出了更高要求，既需要有超高的精度也需要有便捷友好的操作界面,。以便于操作人員迅速上手,，簡(jiǎn)化操作訓(xùn)練。本文根據(jù)實(shí)際設(shè)備人機(jī)交互的設(shè)計(jì)需求,，結(jié)合硬件設(shè)備和QTouch組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了與FPGA硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)交換機(jī)制,，實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互界面直觀、信息量大、便于操作,。

1人機(jī)界面設(shè)計(jì)原理

　　QTouch軟件主要分為兩個(gè)重要的組成部分,，一是PC端的軟件設(shè)計(jì)部分，二是嵌入式平臺(tái)的運(yùn)行部分,。兩者通過(guò)協(xié)議進(jìn)行平臺(tái)間通信,，在PC端設(shè)計(jì)完成的應(yīng)用程序通過(guò)ModbusTCP協(xié)議上傳到嵌入式平臺(tái)部分，上傳完成后脫離PC端,，在嵌入式平臺(tái)上獨(dú)立運(yùn)行,。其整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　軟件結(jié)構(gòu)分為三層,，分別是人機(jī)交互界面,、數(shù)據(jù)庫(kù)和底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。在對(duì)底層硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入時(shí),，人機(jī)交互界面數(shù)據(jù)由操作人員通過(guò)手動(dòng)輸入的方式給定,，并通過(guò)應(yīng)用程序傳入程序的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)接收到數(shù)據(jù)后,，驅(qū)動(dòng)程序就可以調(diào)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù),，對(duì)底層硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入。接收反饋數(shù)據(jù)時(shí),，由底層硬件檢測(cè)到數(shù)據(jù),，再由驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑵浯嫒雽?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用程序通過(guò)實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)某個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù),，就可以實(shí)時(shí)地接收到硬件反饋的數(shù)據(jù)信息并顯示在屏幕上,。數(shù)據(jù)交互原理如圖2所示。

2 界面與FPGA的數(shù)據(jù)交換機(jī)制

　　2.1 數(shù)據(jù)類型

　　研究數(shù)據(jù)交互的機(jī)制,，首先需要確定數(shù)據(jù)的類型,。當(dāng)FPGA接收到設(shè)定時(shí)間參數(shù)后，并不能直接進(jìn)行時(shí)間設(shè)定,，因?yàn)閿?shù)據(jù)接收端接收的數(shù)據(jù)類型并不是十進(jìn)制的,，所以不能將設(shè)定的時(shí)間信號(hào)直接傳遞到數(shù)據(jù)接收端，需要進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)編碼,。這里使用的是Hamming碼[1]進(jìn)行的數(shù)據(jù)編碼信號(hào),。

　　Hamming編碼矩陣如下：

　　FPGA設(shè)備在接收到時(shí)間參數(shù)后，根據(jù)Hamming編碼矩陣將原始的十進(jìn)制數(shù)編碼成二進(jìn)制數(shù)碼,。重新編碼后的時(shí)間參數(shù)通過(guò)FPGA端口以電信號(hào)的形式發(fā)送到數(shù)據(jù)接收端口,。數(shù)據(jù)接收端口接收到時(shí)間參數(shù)后再進(jìn)行解碼。

　　2.2 數(shù)據(jù)交互機(jī)制

　　2.2.1 硬件設(shè)備,、操作系統(tǒng)和人機(jī)界面的關(guān)系[2-4]

　　嵌入式設(shè)備的設(shè)計(jì)都分為硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)部分,。硬件設(shè)計(jì)部分使用的是目前主流的FPGA+ARM結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu),，軟件設(shè)計(jì)部分使用Linux操作系統(tǒng)，以及使用QTouch編寫的人機(jī)交互界面,，人機(jī)交互程序需要借助操作系統(tǒng)才能運(yùn)行,。Linux操作系統(tǒng)是連接硬件和人機(jī)界面的橋梁。三者關(guān)系如圖3所示,。

　　2.2.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)[2]

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)是關(guān)聯(lián)操作系統(tǒng)和人機(jī)交互程序的橋梁,。操作系統(tǒng)將輸入的數(shù)據(jù)以文件的形式寫入系統(tǒng)的特定文件中，人機(jī)交互程序通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序來(lái)讀取這些設(shè)備文件即可得到想要的數(shù)據(jù),。人機(jī)交互程序使用統(tǒng)一的接口函數(shù)調(diào)用相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序,，這些函數(shù)都是在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中定義好的。這組接口被稱為系統(tǒng)調(diào)用,。對(duì)于每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用,，驅(qū)動(dòng)程序中都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的函數(shù)，這些函數(shù)集合在一個(gè)file_operations類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中,，file_operations結(jié)構(gòu)體在Linux內(nèi)核的include/linux/fs.h中定義,。

　　使用file_operations結(jié)構(gòu)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的程序代碼如下：

　　Staticstructfile_operationsarm_fpga_fops={

　　.owner=THIS_MODULE，

　　.open=arm_fpga_open,，

　　.write=arm_fpga_write,，

　　.read=arm_fpga_read，

　　.ioctl=arm_fpga_ioctl,，},；

　　將FPGA字符設(shè)備和arm_fpga_fops結(jié)構(gòu)體進(jìn)行關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)程序的代碼設(shè)計(jì)如下：

　　ret=register_chrdev（FPGA_MAJOR,，DEVICE_NAME,，&arm_ fpga_fops）；

　　if（ret<0）

　　{

　　prink（DEVICE_NAME”can′t register major number\n”）,；

　　return ret,；}

　　程序頭文件中定義FPGA_MAJOR為FPGA設(shè)備的主設(shè)備號(hào)，程序主函數(shù)中設(shè)置FPGA_MAJOR=0,，由系統(tǒng)自動(dòng)分配主設(shè)備號(hào),。DEVICE_NAME定義為設(shè)備名稱。經(jīng)過(guò)注冊(cè),，主設(shè)備號(hào)就和具體的file_operations結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)了,，因此操作主設(shè)備號(hào)為FPGA_MAJOR的設(shè)備文件時(shí)，就會(huì)調(diào)用arm_fpga_fops中的相關(guān)函數(shù),。

　　驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)操作設(shè)備文件來(lái)向硬件設(shè)備下發(fā)數(shù)據(jù),，為了解決設(shè)備文件的讀取和寫入問(wèn)題,，在軟件設(shè)計(jì)中借助Linux操作系統(tǒng)中提供的兩個(gè)重要函數(shù)：copy_to_user和copy_form_user,。這是兩個(gè)很重要也是經(jīng)常被字符設(shè)備使用到的函數(shù),。它們定義在Linux系統(tǒng)內(nèi)核的~/arch/arm/lib/usercopy.c文件中。定義形式如下：

　　unsigned long  copy_to_user（void_user*to,，const void*from,，unsigned long n）

　　{

　　might_sleep（）；

　　BUG_ON（（long）n<0）,；

　　If（access_ok（VERIFY_WRITE,，to，n））

　　n=_copy_to_user（to,，from,，n）；

　　return n,；}

　　unsigned long copy_from_user（void_user*to,，const void*from，unsigned long n）

　　{

　　If（access_ok（VERIFY_WRITE,，from,，n））

　　n=_copy_from_user（to，from,，n）,；

　　else

　　memzero（to，n）,；

　　return n,；}

　　copy_from_user（）函數(shù)用于將用戶給定的參數(shù)從用戶空間到內(nèi)核空間的復(fù)制。copy_to_user（）函數(shù)完成數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間到用戶空間的復(fù)制,。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中使用這兩個(gè)函數(shù),，F(xiàn)PGA設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和人機(jī)交互程序的數(shù)據(jù)之間就能進(jìn)行相互復(fù)制，也就實(shí)現(xiàn)了兩者的數(shù)據(jù)交換,。

　　這樣,，使用QTouch組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面過(guò)程中，不需要編寫復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)代碼,，只需要將功能控件用類似于搭積木的方式構(gòu)建在一起,，由軟件庫(kù)文件調(diào)用相關(guān)函數(shù)。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中,，不需要直接使用file_operations結(jié)構(gòu)體中的操作函數(shù)編寫代碼,。部分控件如圖4所示。

　　3實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

　　將人機(jī)交互程序?qū)懭胗布O(shè)備中,，使用設(shè)計(jì)的實(shí)際設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)交互進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試,，驗(yàn)證程序的正確性。圖5為系統(tǒng)調(diào)試圖,。

　　由于時(shí)間參數(shù)的接收采用Hamming譯碼,，數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA以后會(huì)對(duì)時(shí)間裝定參數(shù)進(jìn)行信號(hào)編碼,。所以以下波形圖測(cè)得數(shù)據(jù)是以Hamming碼的形式顯示的。

　　假設(shè)設(shè)定數(shù)據(jù)為33.3 s,，即十位,、個(gè)位、十分位都為3（二進(jìn)制0011）,。時(shí)間設(shè)定界面如圖6所示,。

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)定的時(shí)間數(shù)據(jù)通過(guò)人機(jī)交互程序下發(fā)到FPGA外設(shè)中，再由FPGA進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在以十位數(shù)為例,，對(duì)得到的波形圖進(jìn)行分析，如圖7所示,。由實(shí)驗(yàn)波形圖得到十位上的Hamming碼為0011101,。通過(guò)查詢Hamming碼編碼矩陣，得到Hamming碼0011101對(duì)應(yīng)數(shù)字3,，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與編碼矩陣數(shù)據(jù)完全吻合,。用同樣的方法對(duì)個(gè)位和十分位進(jìn)行分析，Hamming碼解碼得到的時(shí)間參數(shù)與人機(jī)交互程序設(shè)定的時(shí)間參數(shù)完全一致（都是33.3 s）,，因此可以判斷參數(shù)交互準(zhǔn)確,，程序設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

　　高電平載波信號(hào)實(shí)驗(yàn)誤差分析如圖8所示,。顯示的都是高電平調(diào)制的載波信號(hào),，該信號(hào)理論波形為正弦波，但是在本次實(shí)驗(yàn)中由于設(shè)備精度的限制,，在測(cè)量顯示時(shí)將載波信號(hào)的方波顯示為正弦波形,，但是這樣的誤差在實(shí)驗(yàn)的可允許范圍之內(nèi)，因此不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)論產(chǎn)生影響,。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文基于QTouch的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序,，實(shí)現(xiàn)了與ARM+FPGA嵌入式系統(tǒng)底層硬件平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換，設(shè)計(jì)了友好的交互界面,，并通過(guò)數(shù)據(jù)交換實(shí)驗(yàn),，檢測(cè)驗(yàn)證了數(shù)據(jù)交換機(jī)制的有效性，滿足設(shè)備的功能要求,。本設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)功能更強(qiáng)更復(fù)雜的嵌入式設(shè)備打下了良好的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 雷斌，王寧,，仇平.FPGA的漢明碼數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),，2009，29（6）：559-564.

　　[2] 宋寶華．Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)詳解（第2版）[M].北京：人民郵電出版社,，2010.

　　[3] 倪繼利.Qt及Linux操作系統(tǒng)窗口設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2006.

　　[4] 韋東山．嵌入式Linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)完全手冊(cè)[M]．北京：人民郵電出版社,，2008．