（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式人机界面组态软件研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 工控领域且前使用的人机界面大多数属于设备专用人机界面，其软硬件为某一具体 的应用而定制，这无疑增加了工业控制系统的开发和维护成本。开发运行于嵌入式系统 的支持组态功能的通用型人机界面，是工业控制提高产品质量和降低开发成本、缩短开 发周期的必然趋势。 论文根据嵌入式系统以及组态软件的特点定义了组态信息编码格式，从开发环境和 运行环境两个方面进行设计。在w i n d o w s 系统下，采用v i s u a lc h 构建组态开发环境。 在嵌入式平台上移植u c l i n u x 系统，在u c l i n u x 系统上建立组态运行环境。开发环境通过 串行通讯将组态配置文件下载到运行环境。在开发环境中，分析了开发环境的整体功能 和架构，设计了工程管理模块组织管理一个工程的各幅画面，通过鼠标拖放实现画面编 辑，完成了组态配置文件的生成和解析、保存以及加载，开发了将组态配置文件下载到 运行环境的通讯模块。在运行环境中，编写m t d 驱动程序，在f l a s h 芯片上建立j f f s 2 文 件系统，完成组态信息配置文件的存储；编写读取和解析配置文件函数，准确按照组态 信息编码格式解析每一项配置信息；移植一系列图形界面接口函数，设计中间变量区将 画面显示和底层设备通讯分隔开，使显示和通讯互不影响，提高画面显示刷新效率以及 实时数据的更新效率；在通讯功能上，设计了集中通讯、分发显示的设备f o 变量处理 方法，达到减少通讯次数、通讯时间，提高通讯效率的目的。 最后对嵌入式人机界面组态软件的相关功能进行了分析和验证，结果表明该系统运 行环境下显示界面友好，与开发环境编辑完全符合，各部分功能变量工作正常，通讯功 能稳定。 关键词：嵌入式；人机界面；组态软件 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fe m b e d d e dh m i c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a b s t r a c t mt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 m o s th m i b e l o n g st ot h ed e v i c ef o rs p e c i a lp u r p o s e t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea l ed e s i g n e df o rai d i o g r a p h i ca p p l i c a t i o n , s ot h ec o s to f d e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c eo fi n d m t r i a lc o n t r o ls y s t e mi n h e r ew i t h o md o u b t d e v e l o p t h eh m ii nc o m m o nu s et h a tr u n n i n gi ne m b e d d e ds y s t e mw i t hc o n f i g u r a t i o nf u n c t i o ni st h e c o m p e l l i n gt r e n dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o d u c t ，r e d u c et h ec o s ta n ds h o r t e nt h ec y c l eo f d e v e l o p m e n t ， r e s e a r c ho fp a p e rd e f t n e sak i n do fc o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o nf o r m a tb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e ds y s t e ma n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e , a n dd e s i g n st h es o f t w a r ef i o m r u n n i n ga n dd e v e l o p i n gc f f c u m s t a n c e s i nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m , b u i l dc o n f i g u r a t i o n d e v e l o p i n gc i r c u m s t a n c e i nv i s u a lc + + t r a n s p l a n tu c l i n u xs y s t e mi n t ot h ee m b e d d e d p l a t f o r m , a n db u i l dc o n f i g u r a t i o nr u n n i n gc i r c u m s t a n c eo nu c l i n u xs y s t e m i nt h ed e v e l o p i n g c i r c u m s t a n c e ，a n a l y z et h ew h o l ef u n c t i o na n df r a m e ，d e s i g nt h em o d u l eo fp r o j e c t m a n a g e m e n tt oo r g a n i z ea n dm a n a g et h ep i e t u r e so fo n ep r o j e c ld e s i g nt h eg r a p hp r o t r a c t i n g m o d d et o i m p l e m e n tp l o t t i n gf u n c t i o nb ym o u s ed r a g g i n ga n dd r o p p i n g , c o m p l e t et h e m e t h o do f i m p l e m e n tt h ec r e a t i n g , p a r s i n g , s a v i n ga n dl o a d i n gf u n c t i o no f c o n f i g u r a t i o nf i l e s ， a n dd e v e l o pt h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo fl o a d i n gc o n f i g u r a t i o nf i l e sf r o md e v e l o p i n gt o r u n n i n gc i r c u m s t a n c e i nr u n n i n gc i r c u m s t a n c e ，w r i t et h em t dd r i v e ra n db u i l dj f f s 2f i l e s y s t e mi nt h ef l a s hc h i pt oc o m p l e t et h es a v eo fc o n f i g u r a t i o nf i l e s w r i t eg e t t i n ga n dp a r s i n g c o n f i g u r a t i o nf i l ed a t af u n c t i o nt op a r s ei n f o r m a t i o no fc o n f i g u r a t i o nc o r r e c t l ya c c o r d i n gt o t h ef o r m a to f c o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o nc o d i n g t r a n s p l a n tas e r i e sg r a p hi n t e r f a c ef u n c t i o n , d e s i g nt h em i d d l ev a r i a b l ea r e at op a r tt h ep i c t u r ed i s p l a ya n dd e v i c ec o m m u n i c a t i o nt oi n s u r e d i s p l a ya n dc o m m u n i c a t i o nn o tt od i s t u r be a c ho t h e r i nt h ef u n c t i o no fc o n u m m i c a t i o n , d e s i g nt h ed e v i c ei ov a r i a b l es o l v i n gm e t h o db yc o l l e c t i n gc o m m u n i c a t i o na n dd i s t r i b u t i n g d i s p l a yt or e d u c et h et i m e sa n dt i m eo f c o m m u n i c a t i o na n di m p r o v et h ee f f i c i e n c y a tl a s t , a n a l y z ea n dv a l i d a t et h er e l a t e df u n c t i o no ft h ee m b e d d e dh m ic o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e md i s p l a yi n t e r f a c ei i lt h er u n n i n gc i r c u m s t a n c e w o r k sw e l la n da c c o r d sw i t ht h ee d i to fd e v e l o p i n gc i r c u m s t a n c ee x a c t l y t h ef u n c t i o n v a r i a b l eo fe v e r yp a r tw o r k si ng e a ra n de f f i c i e n t l y t h ef u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o nw o r k s s t e a d i l y k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；h m hc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：昼：垂煎日期：丝芏：f ：羔 人连理r 大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：吕j 复扔t ) - ,作者签名：伊7 ，曼 聊魏4 生垂放 j 2 匝王年4 - 月血 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统在本质上是一个专用的计算机系统，但是和一般计算机系统不同，它不 是一个单独存在的完整系统，因此不以独立设备的物理形态出现。嵌入式系统根据应用 系统或主设备的应用需要，嵌入其内部，成为它们的一部分【l 】。嵌入式系统在应用系统 或主设备内起着运算、处理、存储以及控制的作用，它强调专用性、可靠性、实时性、 经济性，具有体积小、集成度高、效率高、功耗低、基本资源齐全、专用资源明确的特 点。 嵌入式系统自从i n t e l 公司在3 0 多年前投入市场以来，已取得了迅猛的发展，特别 是近几年无论在m c u 、软件系统、开发工具与方法和互联网的结合，以及在应用上都 取得了重大的发展1 2 j 。 嵌入式系统一般定义为：以应用为中心，计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式 系统是面向应用的，这一点和通用计算机有着本质的区别。在满足应用功能的前提下尽 可能的缩小体积，提高系统反映的速度。嵌入式系统主要由嵌入式处理器，相关支撑硬 件，嵌入式操作系统和应用软件等组成【”。 从嵌入式系统的定义可看出，嵌入式系统具有以下几个重要的特点1 4 j ： ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源相对有限， 所以内核较之传统的操作系统要小的多。目前的嵌入式系统的核心只有几k b 到几十 k b 。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密， 一般要针对硬件进行系统的移植。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改， 程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概念p 】。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区别，不要求其功 能设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 ( 4 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具备自主 开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套 开发工具和环境才能进行开发。开发时往往有宿主机和目标机的概念，宿主机用于程序 的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行【6 l 。 嵌入式人机界面组态软什研究 ( 5 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统 的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务，利用 系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配实时操作系统( r t o s ， r e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减 少开发时间、保障软件质量。 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，工业i n t e m e t 得到广泛和深入的应用。 从消费电子到工业设备，从民用产品到军用器材，嵌入式系统被应用到网络、手持通信 设备、国防军事、自动化控制等各个领域【_ ”。嵌入式系统的广泛应用情景和发展潜力使 其成为2 l 世纪的应用热点之一。 1 2 嵌入式人机界面组态软件 1 2 1 人机界面 人机界面( h m i ，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) ，是人与机器进行交互的操作方式，即 用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输出。好的人机界面美观易懂、 操作简单且具有引导功能，使用户感觉愉快、兴趣增强，从而提高使用效率i s j 。界面可 以分为广义的和狭义的人机界面1 9 。 ( 1 ) 广义的人机界面 广义的人机界面，指人与机之间存在一个相互作用的媒介，人通过视觉和听觉等感 官接受来自机器的信息，经过大脑的加工、决策，然后做出反应，实现人一机的信息传 递。我们可以把人机界面看作一个有着交互的系统，在分析人机界面系统模型时，建立 并分析人的行为模型，从而建立并设计人机界面系统。可见研究人机界面就是研究机器 怎样适应人的有效工作的问题。在人机界面系统中，机器适应人就是机器怎样把信息传 达给人和人怎样有效操作的交流过程的问题。 ( 2 ) 狭义的人机界面 狭义的人机界面指计算机系统中的人机界面，即所谓的软界面。人机界面( h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ) ，又称人机接1 2 1 、用户界面( u s e ri n t e r f a c e ) 、人机交互( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ) ，软界面是人一计算机之日j 的信息交流界面，人机界面的设计直接 关系到人机关系的和谐和人在工作中的主体地位，以及整个计算机系统的可使用性和效 率。它是计算机科学中最年轻的分支学科之一。它是计算机科学和认知心理学两大科学 相结合的产物，涉及当前许多热门的计算机技术，如人工智能、自然语言处理、多媒体 系统等，同时也是吸收了语言学、工业设计、人机工程学和社会学的研究成果，是一门 交叉性、边缘性、综合性的学科。 大迕理1 人学硕十学伸论文 在工业技术发展和改造的过程中，为了方便工艺参数的记录和分析，以及及时的了 解现场工作的情况，加强对整个工艺工程状况的把握，用户希望所使用的控制系统能够 对生产信息进行直观、全面的监控，从而将人机界面的概念引入到工业设备中来而形成 了工业人机界面设备，经过逐步发展，工业人机界面设备己经广泛应用与各种工业现场， 并逐步趋于智能化、嵌入化和网络化【1 0 l 。 工业人机界面能取代大部分传统控制酝板的功能，使用人机界面不但可以节省设备 的i 0 点数，还可节省大量的各式按钮开关、数字设定及指示灯等显示装置，且能随时 显示重要信息，以利于操作人员正确掌握机器状况和避免错误，利于维修。人机界面能 储存多幅画面，每一画面可由文字、图形以及指定的设备资料组成，设计者可依需要 编辑出各种画面，用以显示设备状态、操作指示、参数设定、动作流程、统计资料、报 警信息、简易报表等内容。 人机界面的主要功能有：数据的输入与显示；系统或设备的操作状态方面的实时信 息显示；报警处理及打印；此外，新一代嵌入式人机界面还具有简单的编程、对输入的 数据进行处理、数据记录及配方等智能化控制功能。 1 2 2 组态软件 组念的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件的各 种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者 所要求的目的。组态软件是面向监控与数据采集( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ， s c a d a ) 的软件平台工具，具有丰富的设霄项目，使用方式灵活，功能强大。组态软件 最早出现时，h m i 主要是解决人机图形界面的问题。随着它的快速发展，实时数据库， 实时控制，s c a d a 、通信及联网、开放数据接口、对i 0 设备的广泛支持已经成为它的 主要内容。随着计算机技术的发展，组态软件将会不断被赋予新的内容1 1 1 ”j 。 1 2 3 应用现状与发展概况 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用 相结合后的产物【1 3 】。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资会密集、高度分散、不 断创新的知识集成系统。 目前嵌入式系统带来的工业年产值已经超过了l 力亿美元。1 9 9 7 年来自美国嵌入 式系统大会的报告指出，未来5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在 美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士1 9 9 8 年 1 1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流会上发表的计算机的发展与技术一文中，对 未来l o 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。美国著名未来 嵌入式人机界面组态软什研究 学家尼葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时曾预言，4 5 年后嵌入式智能电脑工具将是p c 和英 特网之后最伟大的发明i l4 1 。1 9 9 9 年世界电子产品产值已超过1 2 0 0 0 亿美元，2 0 0 0 年达 到1 3 0 0 0 亿美元，预计2 0 0 6 年，销售额将达1 9 0 0 0 亿美元。嵌入式系统不论是在应用 场合的范围上，还是在应用的技术的深度上，都在经历着一个深刻的变革。 人机界面正r 益向着更详细、更有效、功能更强大的方向发展。现今的人机界面系 统比以往的都要复杂，对他们所监控的处理过程提供更高精度的监视和控制。在它的基 础形态中，界面可以做数据处理，并可以以任意一种方式发送信息给操作者，从文本信 息到生动的图形。如今，由于技术的推进，应用规模也日益增大。虽然人机界面正被开 发适应更多的需求，用户仍然不断地提出更多的要求。 嵌入式组态软件的产生是嵌入式系统在工业控制领域发展的必然。微处理器技术的 发展，一方面使得处理器运算速度不断提高，另一方面使得控制系统硬件成本不断降低， 过去要在控制室由中央主机承担的控制功能现在可以安排到现场的嵌入式控制器上，这 样大大提高了系统的可靠性。对于现场的嵌入式控制器人们希望也能提供友好的人机界 面，方便了解被控对象状念并能根据实际情况采取相应的控制措施。这时，部分技术人 员想到了是否可以将传统组态软件技术应用到嵌入式控制系统上。所谓嵌入式组态软件 是相对传统组态软件而苦，传统组态软件由于应用环境不同，软件多考虑功能强大，故 软件丌发、运行所需的资源较大。嵌入式组态软件则是运行于以嵌入式处理器为核心的 硬件系统之上，相应的支持软件是嵌入式操作系统，因此嵌入式组态软件不能过于庞大， 但又不能过多丢弃传统组态软件的功能。 在嵌入式领域，将组态软件与嵌入式系统结合起来，利用上位机中的组态编辑环境 进行组态，将组态好的信息传送到下位机的嵌入式系统中。由嵌入式系统对传送过来的 信息进行分析并根据各项参数在显示设备上按照上位机组态信息进行处理，用更少的 r a m 和文件存储空间完成在计算机上运行环境相似的功能。此种方法已经逐渐应用到人 机界面的设计和丌发中柬。并将成为未来嵌入式人机界面发展的主流方向。 1 3 课题背景 从应用形式上，人机界面可分为设备专用型人机界面和通用型人机界面。某些p l c 、 数控系统、智能仪表等本身带有显示和控制部分作为人机接口，这类人机界面具有很强 的专用性，其软硬件是为某一具体的应用而定制。另一类是通用型人机界面，考虑到要 尽可能具有通用性，这类人机界面硬件上采用通用型处理器，而软件上大多数采用的是 操作系统加上组态软件的形式。通用型人机界面既可以作为某一设备的监视和控制部 分，又可以作为整个控制网络的界面，将整个控制网络的信息采集上来加以处理i l ”。 大连理1 人学硕十学伊论文 目前使用的人机界面大多数用于专用控制系统，这类人机界面常用的方法是， 在 软件的设计阶段，根据要求把各个显示信息固化在程序中。由于现场控制设备通常较 为分散，系统中模拟量和丌关量随着控制要求的变化而不同，显示的项目个数和功能也 不尽相同，因此若要满足要求则需修改其系统内部程序【1 6 1 。这样不但系统的开发周期长、 程序可读性差，而且通用性极差，给日后的维护带来很大的不便，这无疑增加了工业控 制系统的开发和维护成本。开发运行于嵌入式系统的嵌入式人机界面是工业控制提高产 品质量和降低开发成本、缩短开发周期的必由之路。 本文就是在这样的一个背景下，展丌了对嵌入式人机界面组态软件的设计和开发技 术的研究。 1 4 本文的主要内容 论文的主要内容如下： 第一章绪论部分简单介绍了嵌入式人机界面组态软件的产生、应用现状与发展概 况、课题背景，以及本课题的研究意义。 第二章介绍了嵌入式人机界面组态软件的工作原理，包括嵌入式人机界面的软件体 系结构，组态编码格式的详细介绍，底层运行环境每一部分的工作原理以及上位机组态 开发环境的工作原理。 第三章详尽分析了嵌入式人机界面组态软件运行环境的设计与实现，包括嵌入式人 机界面丌发平台的建立，液晶屏驱动程序的丌发，人机界面组态软件应用程序每个部分 的详细开发过程。 第四章分析了嵌入式人机界面组态软件开发环境的设计与实现，包括丌发环境功能 与架构设计，图形绘制模块设计，组态信息配置文件的生成、解析、保存和加载，以及 通讯模块的设计。 最后是全文的工作总结。 嵌入式人机界面组态软件研究 2 嵌入式人机界面组态软件系统构成 2 1 嵌入式人机界面开发平台的建立 根据i e e e 关于嵌入式系统体系结构的划分，将嵌入式系统分为四个部分；嵌入式 处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件 1 7 , 1 s ，如图2 1 所示【1 9 j 0 1 。 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 匝巫圊匦巫圈 嵌入式硬件平台 图2 1 嵌入式系统体系结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo f t h ee m b e d d e ds y s t e m 2 1 1 嵌入式处理器及其外围设备 在嵌入式微处理器的发展史上，以微处理器的指令集部分的特性，可以将嵌入式微 处理器分为两种主要的架构1 2 “。一种是c i s c ( 复杂指令集，c o m p l e xi n s t r u e t i o n s e t c o m p u t e r ) 架构，通过设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的常用的功能 改用硬件的指令系统实现，以提高计算机的执行速度。采用c i s c 结构的处理器数据线 和地址线分时复用，即所谓冯诺伊曼结构。它的指令丰富，功能较强，但取指令和取 数据不能同时进行，速度受限，价格亦高；另一种是r i s c ( 精简指令集，r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 架构，其基本思想是尽量简化计算机指令功能。只保留那些功 能简单、能在一个节拍内执行完成的指令，而把较复杂的功能用一段子程序来实现。 采用r i s c 结构的处理器数掘线和地址线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数 据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类c i s c 处理器指令包含 更多的处理信息，执行效率更高，速度办更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程 序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。 r i s c 技术为计算机体系结构带来了一次重大的变革【2 2 1 。简单的、固定长度的、单 周期执行指令的r i s c 计算系统，与传统、复杂、可变长度指令并行执行的c i s c 计算 机系统相比较，在相同的条件下，r i s c 技术的处理器速度快2 5 倍，具有巨大的性价 大连理工大学硕士学位论文 比优势。r i s c 技术推动着计算机体系结构从封闭的c i s c 向开放的结构发展。因此，世 界上各大c p u 芯片制造厂商争相开发生产r i s c 芯片，目前的典型结构为a r m 系列和 m i p s ，3 2 位字长，最高时钟速率可达4 0 0 m h z 。多种嵌入式实时操作系统大都支持上 述s c 处理器。 a r m 内核是一个r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 结构 的3 2 位c p u ，其独到之处体现在功耗低、性价比高、代码密度高三大特色上田】。a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供者的身份向各大半导体制造商出售 知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯片内核具有功耗低，成本 低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应 用领域获得了巨大的成功，目前己经占有7 0 以上的3 2 位嵌入式产品市场。在低功耗、 低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位f 2 4 】。 采用p d s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点2 5 】： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定； 目前a r m 处理器主要有5 大系列：a r m 7 ，a r m 9 ，a i t m 9 e ，删1 0 ，s c c u r c o r e ， 还有与i n t e l 合作实现的x s c a l e 以及s t r o n g a r m 处理器，性能从6 0 m i p s 到1 2 0 0 m i p s 不等2 6 1 。 嵌入式图形组态软件的运行环境实现方案所采用的芯片为a r m 7 系列的 $ 3 c 4 5 1 0 b ，开发板采用美蓝科技有限公司生产的a x 4 5 1 0 。 $ 3 c 4 5 1 0 b 内含一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 处理器核， a r m 7 t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合 【2 刀。 s 3 c 4 5 1 0 b 微处理器除了a r m 7 t d m i 核以外，$ 3 c 4 5 1 0 b 比较重要的片内外围功能 模块包括： ( 1 ) 2 个h d l c 通道每个通道可支持1 0 m b p s 。 ( 2 ) 2 个u a r t 通道。 ( 3 ) 2 个d m a 通道。 ( 4 ) 2 个3 2 位定时计数器。 嵌入式人机界面组态软什研究 ( 5 ) 1 8 个可编程i 0 口。 ( 6 ) 中断控制器，支持2 1 个中断源包括4 个外部中断。 ( 7 ) d r a m s d r a m 控制器。 ( 8 ) r o m s r a m 和f l a s h 控制器。 ( 9 ) 1 个内部3 2 位系统总线仲裁器。 ( 1 0 ) 1 个外部存储器控制器。 运行环境的硬件系统结构框图如图2 2 所示。 龄 昏 中央处理器 s 3 c 4 5 l o b 阼 图2 2 嵌入式人机界面组态软什硬件结构框图 f i g 2 2s t r u c t u r eo f h a r d w a r eo f e m b e d d e dh m ic o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 2 1 2l c d 显示器及其接口电路 l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 显示器，即液晶显示器，具有稳定可靠、成本低、功耗 小、控制驱动方便、接口简单易用、模块化结构紧凑等众多优点，在嵌入式系统中作为 人机界面获得了广泛的应用1 2 8 j 。 本课题选用5 7 寸e p s o n 的e g 8 5 0 3 b n z 1 液晶屏，该液晶屏为蓝底白字单色液 晶屏，分辨率3 2 0 2 4 0 ，c c f t 背光。选用t c b l 3 3 5 控制板作为液晶屏控制器。该控 制板加上丰富的指令集，具有很强的显示功能。除单一文本、图形显示外，可以实现文 本与图形混合的两重合成显示，以及图形的三重合成显示。 大连理大学硕士学位论文 2 1 3 嵌入式操作系统 操作系统本身所涵盖的内容十分的广泛，而且每种操作系统都有自己的特点。嵌入 式操作系统，继承了通用操作系统的基本思路和原理，针对应用领域和依赖的处理器的 特性进行了优化，去除了一些冗余的功能，加强了一些嵌入式领域特殊的需求1 2 9 。 目前一些著名的嵌入式操作系统包括w i n d o w s c e ，v x w o r k s ，p s o s ，q n x ，p a l m o s ， l y n x o s ，e e o s ，h o p e n o s 等【3 0 】。 由于w i n d o w sc e ，v x w o r k s 和p s o s 等专用操作系统都是商业化产品，其高昂的 价格使许多生产低端产品的小公司望而却步；而且，源代码封闭也大大限制了开发者的 积极性。高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络支持。很多高端 操作系统供应商已经提供了这些功能，但其价格一般人难以接受。人们需要便宜、成熟 并且提供高端嵌入式系统特性的操作系统【3 l 】。 u c l i n u x 是当i j 广泛应用的一种嵌入式l i n u x 操作系统。u c l i n u x 是一个完全符合 g n u g p l 公约的操作系统，与u n i x 系统兼容，完全开放源代码，现在由l i n e o 公司支持 维护。u c l i n u x 的名字来自于希腊字母“m u ”和英文大写字母“c ”的结合。“m u ”代 表“微小”之意，字母“c ”代表“控制器”，所以从字面上就可以看出它的含义，即 “微控制领域中的l i n u x 系统” 3 2 1 。 为了降低硬件成本及运行功耗，有一类c p u 在设计中取消了内存管理单元( m e m o r y m a n a g e m e n tu n i t ，以下简称m m u ) 功能模块。最初，运行于这类没有m m u 的c p u 之上 的都是一些很简单的单任务操作系统，或者更简单的控制程序，甚至根本就没有操作系 统而直接运行应用程序1 33 1 。在这种情况下，系统无法运行复杂的应用程序，或者效率很 低，而且，所有的应用程序需要重写，并要求程序员十分了解硬件特性。这些都阻碍了 应用于这类c p u 之上的嵌入式产品开发的速度。 然而，随着u c l i n u x 的诞生，这一切都改变了。 u c l i n u x 从l i n u x2 0 2 4 内核派生而来，沿袭了主流l i n u x 的绝大部分特性。它是专门 针对没有m m u 的c p u ，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没有虚拟内 存或内存管理单元( m m u ) 的处理器，例如a r m 7 t d m i 。它通常用于具有很少内存或 f l a s h 的嵌入式系统。u c l i n u x 是为了支持没有m m u 的处理器而对标准l i n u x 作出的修正。 它保留了操作系统的所有特性，为硬件平台更好的运行各种程序提供了保证。在g n u 通用公共许可证( g n ug p l ) 的保证下，运行u c l i n u x 操作系统的用户可以使用几乎所有 的l i n u xa p i 函数，不会因为没有m m u 而受到影响。由于u c l i n u x 在标准的l i n u x 基础上 进行了适当的裁剪和优化，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x ，虽然它 嵌入式人机界面组态软件研究 的体积很小，u c l i n u x 仍然保留了l i n u x 的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀的 网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的a p i 等。 u c l i m l x 广泛应用于嵌入式系统中，例如v p n 路由器防火墙，家用操作终端，协 议转换器，i p 电话，工业控制器，i n t e m e t 摄像机，p d a 设备等。 2 1 4 建立交叉编译环境 嵌入式系统的开发一般采用交叉开发模型，即用于开发的主机( 称为h o s t ，宿主机) 与嵌入式系统所在机器( 称为t a r g e t ，目杯机) 通常采用不同的体系结构的硬件和软件系 统【3 4 l 。比如，宿主机采用x 8 6 体系结构的处理芯片，运行p c 版的通用l i n u x 操作系统， 而目标机采用a r m 体系结构的嵌入式处理器芯片，运行嵌入版的l i n u x 操作系统。交 叉开发模型的核心问题在于实现交叉编译，即在宿主机体系结构下编译生成能够在目标 机体系结构下执行的二迸制程序代码。交叉开发模型结构图如图2 3 所示。 帘 鞔 崖辛，i j 眦曲辞碰雕搴l 魏稼童捧f 馥 = = = 令 l i 杯轭 熟章，越嚏的l i m a 的嵌八建曩麓 图2 3 交叉开发模型结构图 f i g 2 3s t r u c t u r eo f c r o s sd e v e l o p m e n t m o d e l 本课题使用u c l i n u x 系统。由于u c l i n u x 本身不具备自开发能力，因此需要在l i n u x 的环境下开发应用程序，通过交叉编译工具编译和连接，将最终生成的二进制程序下载 到a r m 芯片中执行l ”j 。 建立交叉编译环境步骤如下： ( 1 ) 在p c 机上安装f e d o r a c o r e 操作系统，称为主机环境，该系统采用l i n u x2 4 1 8 内核版本。使用和依赖的软件包有v i m 、g c c 、g l i l 、m a k e 、b z i p 2 等。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 安装u c l i n u x ，将u c l i n u x s a m s u n g t a r g z 放置在r o o t 目录下，解压u c l i n u x 到 当i i i 目录；t a rx v z fu c l i n u x s a m s u n g t a r g z 。 ( 3 ) 修改工具链文件权限：c h m o d7 5 5a r m e l f - t o o l s 2 0 0 3 0 3 1 4 s h 。然后运行s h a r m e l f - t o o l s 一2 0 0 3 0 3 1 4 s h 安装工具链。安装完之后，l i n u x 中就有了基于该嵌入式体系 结构的编译器，链接器，调试器以及一些其他的工具。因为嵌入式开发过程中用来执行 应用程序的平台和用来建立应用程序的平台并不相同，因此这些工具常被称为跨平台开 发工具或简称交叉开发工具。以后编译u c l i n u x 内核，制作文件系统都要依赖交叉开发 工具。 2 1 5 建立日志文件系统 日志文件系统( j f f s ) 可以动态的把d r a m 中的数据烧入f l a s h 中，它的垃圾收集功 能可以清除过时的数据。j f f s 2 是它的第二版，由r e d h a t 公司开发。j f f s 文件系统 是建立在m t d ( m e m o r yt e c h n o l o g yd e v i c e 内存技术设备) 基础之上的文件系统，m t d 是用于访问m e m o r y 设备( r o m 、f l a s h ) 的l i n u x 的子系统。m t d 的主要目的是为了使新 的m e m o r y 设备的驱动更加简单，为此它在硬件和上层之间提供了一个抽象的接口，因 此m t d 可以理解为f l a s h 的设备驱动程序。它主要向上提供两个接口：m t d 字符设备 和m t d 块设备。通过这两个接口，就可以像读写普通文件一样对f l a s h 设备进行读写 操作。经过简单的配置，m t d 在系统启动以后可以自动识别支持c f l ( c o m m o nf l a s h i n t e r f a c e 通用f l a s h 接口) 或j e d e c ( j o i n te l e c t r o nd e v i c ee n g i n e e r i n gc o u n c i l 电子电器设 备联合会) 接口的f l a s h 芯片，并自动采用适当的命令参数对f l a s h 进行读写或擦除3 6 , a t l 。 2 2 液晶屏驱动程序的开发 2 2 1 液晶显示控制器 液晶显示驱动系统是一个被动的系统，也就是说仅有驱动系统是不能实现液晶显示 器件显示的，它还需要有控制电路提供驱动系统所必须的扫描时序信号和显示数据。这 种控制电路由专用的集成电路组成，称为液晶显示控制器。它有两大作用：为液晶显示 提供时序信号和显示数据。同时液晶显示控制器也是一种专业i c 芯片，专用于计算机 和液晶显示系统的接口。计算机通过对液晶显示控制器的操作，实现了对液晶显示扫描 时序的设置和显示数据的写入，从而完成对液晶显示器件显示的操作【3 剐。 由于$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片不含l c d 控制器，因此在对l c d 编写驱动程序时需要外接独 立的液晶显示控制器。本课题选用的是t c b l 3 3 5 液晶显示控制器板，该板使用的控制 芯片是s e d l 3 3 5 。 嵌入式人机界面组态软件研究 表2 1s e d l 3 3 5 指令集 t 曲2 1i n s t r u m e n to f s e d l 3 3 5 s e d l 3 3 5 有1 3 条指令，多数指令带有参数，参数值由用户根据所控制的液晶显示 模块的特征和显示的需要来设置。指令表如表2 1 所示。 2 2 2u c | n u x 下开发液晶驱动程序 在u c l i n u x 下编写驱动程序的原理和思想完全类似于l i n u x 系统。在u c l i n u x 环境 下设计驱动程序，思想简洁，操作方便，功能也很强大，但是支持函数少，只能依赖k e r n e l 中的函数，有些常用的操作需要自己来编写。设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件 之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设 备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作1 3 ”4 “。 在u c l i n u x 操作