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(chǎng)主要作戰(zhàn)平臺(tái)的各種戰(zhàn)斗車輛,，其車載指揮控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)得到了廣泛重視,。
一個(gè)車載指控平臺(tái)的功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(gè)基于ARM和MiniGUI的車載指控系統(tǒng)人機(jī)接口部分的設(shè)計(jì),，這個(gè)系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了上述車載指控平臺(tái)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(gè)領(lǐng)域得到非常廣泛應(yīng)用的架構(gòu)，這里采用它是一個(gè)很好的選擇,。該課題選擇在國(guó)內(nèi)有著較廣泛市場(chǎng)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(duì)功耗、成本,、性能有較高要求的場(chǎng)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(jì)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?yàn)樵撔酒瑑?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(tái)對(duì)實(shí)時(shí)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(duì)用戶圖形界面有特殊的要求,，該項(xiàng)目選擇飛漫公司的MiniGUI作為圖形引擎。MiniGUI是一個(gè)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(jí)的窗口和圖形設(shè)備接口。利用這些接口,，每個(gè)應(yīng)用程序可以建立多個(gè)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(jì)
ARM S3C2410芯片的應(yīng)用電路有許多成熟的設(shè)計(jì)范例；在設(shè)計(jì)階段,，市面上也有很多的開發(fā)板可供選用,。該項(xiàng)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(tái)。
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(gè)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(xiàng)目的指揮控制終端功能可以分為6項(xiàng),。每項(xiàng)選中后，為便于輸入或選擇子條目,，增加10個(gè)數(shù)字鍵,，另外還需要確定鍵、取消鍵,，再加上6個(gè)功能鍵,，一共是24個(gè)鍵。因?yàn)殒I的數(shù)目較多,，將這些鍵設(shè)計(jì)成一個(gè)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(gè)通用I／0口線,，行輸出端口采用GPEll～GPEl4四個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn),，該項(xiàng)目采用軟件方法。
2．2 顯示驅(qū)動(dòng)電路
指揮控制終端輸入／輸出設(shè)備的第二個(gè)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(shí)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(chǎng)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(hào)轉(zhuǎn)換成VGA信號(hào),，這樣顯示器的選擇更加隨意,，而且降低了成本。RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換成VGA信號(hào)可采用專用的AD芯片,，如ADV7120,，ADV7123等。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)需要完成兩個(gè)方面的工作：一是驅(qū)動(dòng)程序編寫,；二是GUI編程,。
3．1 鍵盤矩陣驅(qū)動(dòng)程序的編寫
開發(fā)板對(duì)自己所提供的硬件一般都提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，自行開發(fā)的外設(shè)電路一般需要自己編寫驅(qū)動(dòng)程序,。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是Linux內(nèi)核的重要部分,，操作系統(tǒng)只有通過驅(qū)動(dòng)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(duì)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(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來完成的,。
鍵盤驅(qū)動(dòng)程序編制的要點(diǎn)有：
(1)定義一個(gè)6×4的健值矩陣，作為輸出,，按下一個(gè)按鍵,，得到對(duì)應(yīng)的鍵值；
(2)初始化時(shí)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(shí)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(dòng)程序就可以定時(shí)掃描幾個(gè)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(dòng)程序經(jīng)過編譯后,，可以作為一個(gè)設(shè)備文件編譯入內(nèi)核，也可以采取模塊動(dòng)態(tài)加載的方式,。
3．2 MiniGUl IAL引擎的實(shí)現(xiàn)
通常,，MiniGUI在使用前應(yīng)針對(duì)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?yàn)椴扇×俗孕性O(shè)計(jì)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(dòng)程序,，將底層的硬件操作與操作系統(tǒng)隔離，這樣做簡(jiǎn)化了在不同平臺(tái)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(dòng)程序設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)INPUT結(jié)構(gòu)中的各個(gè)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(duì)MiniGUI進(jìn)行編譯,。在工程實(shí)踐中,，一種比較簡(jiǎn)便的方法是對(duì)MiniGUI已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的引擎進(jìn)行修改。
3．3 圖形界面設(shè)計(jì)
MiniGUI是一個(gè)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(dòng)編程等。嵌入式系統(tǒng)完成的功能一般比較單一,，對(duì)于該系統(tǒng)而言,，重點(diǎn)在于實(shí)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(duì)話框和控件窗口。每一個(gè)MiniGUI應(yīng)用程序一般都要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)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(shí)現(xiàn)和Windows標(biāo)準(zhǔn)控件類似的效果。
最重要的幾個(gè)函數(shù)是：
其中,，WndProc是這個(gè)窗口的消息處理函數(shù),。在此，對(duì)消息循環(huán)進(jìn)行初立即可,。例如：
添加了鍵盤驅(qū)動(dòng),，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(duì)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(jì)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(jì)的顯示分辨率為640×480，如果是16位以上的色深,，對(duì)ARM處理器將是一個(gè)比較大的負(fù)擔(dān),，會(huì)出現(xiàn)畫面的抖動(dòng)，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(dòng)來解決。
(2)鍵盤的防抖問題,。按鍵的抖動(dòng)問題是一類常見問題，可以通過軟件延時(shí)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(shí)現(xiàn)了終端的人機(jī)界面,，但是作為一個(gè)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(yǔ)
ARM作為一款性價(jià)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(shí)驗(yàn)證明,，本文所介紹的軟,、硬件系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了在本文引言中提及的車載指控平臺(tái)的幾項(xiàng)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(jì)原理與方法同樣適用于其他嵌入式系統(tǒng),。