基于ARM和RTOS的嵌入式GUI應(yīng)用平臺設(shè)計

　　近幾年嵌入式技術(shù)快速發(fā)展，對人機(jī)界面的要求越來越高，友好的圖形人機(jī)界面為嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)交互提供豐富的圖形圖像信息、直觀的表達(dá)方式。嵌入式GUI（Graphical User Interface）作為人機(jī)界面的軟件系統(tǒng)，具有簡潔、美觀、方便好用且更具人性化的特點(diǎn)，采用嵌入式GUI進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計能夠提高設(shè)備開發(fā)效率，節(jié)省維護(hù)成本，豐富人機(jī)交互信息，因而，已經(jīng)被越來越多的領(lǐng)域所采用。uC/GUI是一款不僅可以實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)，而且能夠提供低功耗型GUI支持的軟件。用戶可以使用它方便地定制出自己的圖形用戶界面，完成各種應(yīng)用程序的開發(fā)。
　　一、系統(tǒng)總體方案構(gòu)想
　　我們所設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)是一個便攜式高精度數(shù)據(jù)采集與液顯人機(jī)交互系統(tǒng)，系統(tǒng)集高精度數(shù)據(jù)采集、快速數(shù)據(jù)處理、彩色液晶顯示于一體。應(yīng)用系統(tǒng)的硬件部分主要由兩大塊構(gòu)成，即前端數(shù)據(jù)采集、處理電路和后端數(shù)據(jù)處理、液晶顯示電路組成，這兩部分是通過RS-232串行接口進(jìn)行通信。系統(tǒng)的總體方案構(gòu)圖如圖1所示。
　　我們所設(shè)計的這套系統(tǒng)，前后端硬件部分接口豐富，擴(kuò)展性強(qiáng)，硬件一旦成型就相對固定。使用時，根據(jù)具體的應(yīng)用場合不同，前端輔以不同類型的傳感器，組成高精度的數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，前后端分別編寫相應(yīng)的應(yīng)用軟件完成高精度的數(shù)據(jù)采集、處理和人機(jī)交互顯示。系統(tǒng)的架構(gòu)在一定的應(yīng)用領(lǐng)域具有通用性，可廣泛用于工業(yè)過程控制、醫(yī)療儀器、智能傳感器等各個領(lǐng)域。
　　二、數(shù)據(jù)采集部分的軟硬件設(shè)計
　　1.硬件電路設(shè)計
　　數(shù)據(jù)采集部分的核心器件MSC1210是德州儀器公司推出的系統(tǒng)級高精度ADC芯片系列，內(nèi)置24位低功耗Σ—ΔADC前端信號調(diào)理電路——多路模擬開關(guān)、緩沖器、PGA（可編程增益放大）、電壓參考，且集成了高性能8051處理器內(nèi)核、Flash存儲器和32位累加器、兼容SPI串口等多種片上外設(shè)。
　　數(shù)據(jù)采集部分的電路結(jié)構(gòu)原理圖和PCB截圖如圖2所示。
　　由電路結(jié)構(gòu)原理圖可知，整個數(shù)據(jù)采集電路是以片上系統(tǒng)——MSC1210Y5為中心的電路，由前面介紹可以看出這個IC芯片已經(jīng)集成了模擬電路和控制邏輯，一方面內(nèi)部邏輯功能比較強(qiáng)，另一方面包含了比較完整的測量通道。因此所需要的外圍電路很少，是一種結(jié)構(gòu)緊湊的實(shí)用電路。由圖2可見線路中主PuGCSqnU5Vb36vNQ7z2b1A==要2塊IC芯片為：MSC1210Y5和MAX3223，前者是一個片上系統(tǒng)，工作頻率為1.8432MHz，并且包含32kB Flash存儲器；后者提供片上系統(tǒng)與后端人機(jī)交互系統(tǒng)串口通信的RS-232接口。由于IC芯片的功耗很低，板上的DVdd電源（3.3V）由后端系統(tǒng)通過RS—232接口提供，除了RS—232接口的接線，就只需要接入J1、J2插座的信號（8個AIN線、REF及公共地）線，不再需要其它連接，使用非常方便。此外，在電路中還預(yù)留一部分接口線供以后系統(tǒng)功能擴(kuò)展使用，包含第二串行口以及四根可配置為SPI接口、中斷輸入和I/O端口線等。
　　2.軟件設(shè)計
　　在基于此電路的智能高精度測溫模塊應(yīng)用中，MSC1210Y5完成了微弱信號的多路切換、信號緩沖、PGA編程放大、24位Δ—ΣA/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理、信號校準(zhǔn)及串口通信等功能。MSC1210Y5包含2個串口，我們選取其中的一個串口用來與后端人機(jī)交互系統(tǒng)通信，負(fù)責(zé)接收后端發(fā)送的控制命令和控制參數(shù)以及發(fā)送前端采集、處理的數(shù)據(jù)。因此數(shù)據(jù)采集電路的程序主要任務(wù)為以下幾點(diǎn)。
　　（1）控制內(nèi)部的ADC的測量過程，讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。
　?。?）與后端（S3C44B0X系統(tǒng)）通信，讀取上位機(jī)的命令和有關(guān)的控制參數(shù)，同時向上位機(jī)傳送轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。
　　圖3表示了數(shù)據(jù)采集電路的程序控制流程。
　　程序開始部分設(shè)置串口通信的基本參數(shù)，如設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)格式、定時/計數(shù)器工作方式、時間常數(shù)等，同時使串口處于“接收”狀態(tài)——等待上位機(jī)送過來的命令和數(shù)據(jù)，在框圖中將依次讀到的后端系統(tǒng)的2個字節(jié)的串碼（暫存在R6，R7）的控制字傳送到MSC1210Y5內(nèi)部寄存器ADCON1和ADCON0，實(shí)現(xiàn)對于ADC的控制命令寫入。其后還將ADCON3、ADCON2、ADMUX和PDCON這幾個寄存器的內(nèi)部寫入相應(yīng)的命令或參數(shù)值，通過這些過程就能夠完成對于MSC1210Y5內(nèi)的ADC的設(shè)置和啟動。在這之后內(nèi)部ADC的轉(zhuǎn)換過程就不需要用程序干預(yù)了，控制程序的任務(wù)則是不斷地去讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，并且向上位機(jī)傳送。在程序流程的后半部分是一個循環(huán)過程，在這個循環(huán)部分的開始是將MSC1210Y5串口轉(zhuǎn)換為“發(fā)送”狀態(tài)——向后端系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，由于它的ADC是24位精度，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)必須分為3個字節(jié)傳送，依次向上位機(jī)發(fā)送——即首先將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器1的數(shù)據(jù)通過SBUF發(fā)送，然后是ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器2的數(shù)據(jù)，最后是ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器3。當(dāng)然這個過程還應(yīng)包含：發(fā)送同步字符，CRC校驗等過程，這些不是本文研究的重點(diǎn)，因此在此不加細(xì)述。
　　三、嵌入式GUI應(yīng)用系統(tǒng)概述
　　前面已經(jīng)介紹了整個應(yīng)用系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，已知整個系統(tǒng)在硬件上是由兩大塊組成，一個是上面介紹的前端的數(shù)據(jù)采集部分，另外的一個即是后端的基于S3C44B0X微處理器的數(shù)據(jù)處理和液晶顯示部分，兩部分是通過RS—232串行接口進(jìn)行通信。
　　后端的硬件部分主要是由三大塊構(gòu)成：以S3C44B0X為核心的系統(tǒng)板，集JTAG調(diào)試電路、系統(tǒng)電源、LCD接口電路的輔助板，液晶屏。
　　為了整個系統(tǒng)的便攜性，我們在設(shè)計的過程中充分考慮了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，首先是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要進(jìn)行了液晶屏型號的選取，我們選擇的是5.7寸的256色，320×240像素的STN液晶屏，然后根據(jù)液晶屏的尺寸大小并結(jié)合最終應(yīng)用系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，繪制了以S3C44B0X為核心的系統(tǒng)板和集JTAG調(diào)試電路、系統(tǒng)電源、LCD接口電路的輔助板。這三大塊的構(gòu)成模型如圖4所示。
　　后端的軟件部分也是由三個部分所組成：系統(tǒng)啟動加載程序Boot loader程序，嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)uC/OS-II，基于uC/OS-II的應(yīng)用程序。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的需要，其中基于uC/OS-II的應(yīng)用程序主要包括串行口通信程序和基于uC/GUI的圖形用戶接口程序。圖5為后端軟件部分的啟動和運(yùn)行過程。
　　本文研究設(shè)計的基于ARM微處理器和嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的嵌入式GUI應(yīng)用平臺的方案，完成了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了包括：系統(tǒng)啟動加載程序Boot Loader、uC/OS-II操作系統(tǒng)的移植、串口通信程序、uC/GUI圖形軟件應(yīng)用等系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計與應(yīng)用。該嵌入式GUI應(yīng)用平臺既可以滿足用戶對應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時性和快速處理的要求，又能夠給用戶提供生動、直觀的圖形人機(jī)交互界面，具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”