嵌入式系統(tǒng)中輕量級GUI的設計與實現(xiàn)

姚晶　張志明　許維勝

摘要：圖形用戶界面（GUI）提供了一種良好的用戶與機器之間的交互機制，該文基于STM32和μC/OS-Ⅱ?qū)崿F(xiàn)輕量級GUI，并且應用到中小型光伏逆變器的人機交互界面中，實踐表明此方案是切實可行的。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；圖形用戶界面；LCD

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）35-8580-02

Design and Implementation of a Light GUI on Embedded System

YAO Jin， ZHANG Zhi-ming， XU Wei-sheng

（College of Electronics and Information Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract： Graphical User Interface （GUI） provides the interactive mechanism between user and machine. A light GUI is designed and realized based on STM32 and μC/OS-Ⅱ.It has been applied in a low-power photovoltaic grid inverter and works well.

Key words： Embedded system； GUI； LCD

1 概述

圖形用戶界面GUI通過為用戶提供窗口、菜單、按鍵等圖形化要素的方式，成為人與機器溝通的橋梁。常規(guī)的嵌入式系統(tǒng)的資源不夠豐富[1]，處理器運算能力有限（如8/16位單片機），不能在GUI上花費過多資源，所以GUI不僅要考慮直觀簡潔性和方便靈活的可操作性，輕量、占用資源少也是重要的考慮因素。

在工業(yè)控制場合中，項目的需求特定， 加上MCU資源配置有限，還要處理其他任務，而GUI庫大都比較龐大，對于占用的FLASH資源、RAM資源和執(zhí)行速度等均有一定的需求，不適合于簡單輕量級GUI模塊的設計。該文即以中小型光伏逆變器顯示功能模塊設計為例，說明基于STM32和μC/OS-Ⅱ軟硬件平臺下的輕量級GUI功能設計與實現(xiàn)。

2 輕量級GUI系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)使用的主控芯片是基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RBT6，內(nèi)部128KB FLASH和20KB SRAM。Cortex-M3內(nèi)核是為低功耗和價格敏感的應用而專門設計的，具有突出的能效比和處理速度，通過采用Thumb-2高密度指令集，Cortex-M3降低了系統(tǒng)存儲要求，同時快速的中斷處理能夠滿足控制領域的高實時性要求，使基于該內(nèi)核設計的STM32系列微控制器能夠以更優(yōu)越的性價比面向更廣泛的應用領域[2]。

顯示設備采用點陣液晶顯示模塊HF12864M，具有文字圖形混合顯示、畫面清除、顯示開/關、顯示字體閃爍和反白顯示等功能。其顯示原理是通過點的組合形成線，進而顯示成字符和圖形。按照規(guī)定的時序、指令可以在屏幕上指定的地方畫點、畫線及寫字，具體的時序和指令以及和MCU之間的電氣連接可以參照LCD的數(shù)據(jù)手冊。

GUI軟件平臺選用基于優(yōu)先級的可搶占的硬實時內(nèi)核的μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)[1][3]，公開源代碼，具有很強的移植性。μC/OS-Ⅱ最多支持64個任務，系統(tǒng)保留最高4個優(yōu)先級的任務和4個最低優(yōu)先級的任務，用戶可以使用的任務數(shù)有56個。

以上軟硬件資源配置成本低、結構簡單，可以滿足一個輕量級GUI的需求，本系統(tǒng)設計的輕量級GUI以字符顯示為主，輔之以圖形，從而減少內(nèi)存開支。通常一個完整的GUI庫（如uC/GUI、miniGUI、QT等）都會提供諸如窗口（界面）管理、事件生成、派發(fā)功能等。除此之外，其還有其固定的一個編程框架。輕量級GUI摒棄了這種框架，從底層出發(fā)，只保留了人機交互界面中最核心必要的部分，為用戶提供較好地窗口界面顯示。

3 輕量級GUI實例設計

3.1 GUI模塊主要任務

本系統(tǒng)應用在光伏逆變器中，GUI需要解決的問題是根據(jù)用戶輸入操作、串行數(shù)據(jù)通信、內(nèi)部工作狀態(tài)監(jiān)控等，在LCD上顯示相應的數(shù)據(jù)。圖1是主要的三個任務，它們獨立處理各自的任務要求，同時監(jiān)控用戶按鍵動作，接收來自系統(tǒng)主控MCU的逆變器工作狀況信息，并按照設計要求將相關數(shù)據(jù)顯示到LCD屏幕上。

用戶輸入通過按鍵來完成，由于機箱機械空間的限制，只設置了兩個按鍵，本系統(tǒng)選擇用狀態(tài)機做按鍵的掃描，擴展按鍵的功能，實現(xiàn)長按、短按和組合按等功能，每種輸入功能設定一個鍵碼，當按鍵處理程序返回相應鍵碼，顯示程序就會根據(jù)鍵碼執(zhí)行相關顯示操作。 MCU通過RS485串行通信接口接收來自主控DSP的數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議判斷接收到的數(shù)據(jù)是否有效，有效數(shù)據(jù)進一步處理后傳送給顯示任務。

顯示任務的基礎是要點亮屏幕，顯示字符和圖形元素，系統(tǒng)使用的是LCD12864屏幕，由128*64個點構成，顯示的原理就是通過像素點的亮滅形成字符、圖形等。本系統(tǒng)選擇直接在LCD上畫點實現(xiàn)圖形化界面，以屏幕的方式來設計整個界面系統(tǒng)，因為本界面的設計是針對一個具體的項目，實際設計整個界面的框架過程中，在現(xiàn)有資源基礎上適當使用點、線、圖標等基本圖形元素，以及反白顯示等顯示功能，實現(xiàn)人機交互界面。

3.2 GUI設計方案

顯示模塊屏幕采用的LCD12864，橫向128個像素點，縱向64個像素點，按照8*8大小的字符顯示格式，一個屏幕最多只能顯示16*8個英文字符，而光伏逆變器實際需要顯示的參數(shù)多達幾十個，比如多路電壓、多路電流、功率、發(fā)電時間、溫度、歷史記錄等，再考慮到用戶操作的便捷性，GUI選擇分為多個界面顯示。在將系統(tǒng)需求整理出來后，規(guī)劃好每個需要顯示的界面以及每個界面之間的連接關系，采用多級菜單的方式將這些界面銜接起來。具體實現(xiàn)時將每個界面都畫出來，標注出屏幕之間的跳轉(zhuǎn)條件，在主界面上顯示系統(tǒng)主要的運行參數(shù)及運行狀態(tài)，它們實時更新，以便用戶直觀了解系統(tǒng)運行情況。當系統(tǒng)停留在主界面時，按下設定按鍵屏幕就會切換到特定界面，主界面到此特定界面的跳轉(zhuǎn)關系就是設定按鍵按下，如此確定好所有界面之間的跳轉(zhuǎn)關系，完成后的整個界面系統(tǒng)流程圖就近似于一張鏈表。圖2給出總體界面設計框圖的一部分。

3.3 輕量級GUI實現(xiàn)

為了更清楚地闡述輕量級GUI的實現(xiàn)，本系統(tǒng)構建了一個三層模型。

第一層是底層驅(qū)動，LCD控制器是LCD模塊的核心，驅(qū)動一個LCD模塊本質(zhì)就是按照規(guī)定時序?qū)CD控制器讀寫一系列指令的過程。點是一切光柵顯示設備的基本要素，在一個LCD上繪制任何圖形或文字的基礎是繪制像素點，因此首先需要實現(xiàn)的功能是操作像素點。操作一個像素點的接口是：X坐標、Y坐標和動作（點亮或擦除），算法如下：

1） 根據(jù)X坐標和Y坐標組合成LCD光標值并寫入LCD控制器；

2） 從LCD控制器中讀取當前光標下RAM數(shù)值；

3） 根據(jù)動作（點亮或擦除）修改RAM數(shù)值對應像素BIT值；

4） 再次將光標值寫入LCD控制器（讀RAM導致光標已移動）；

5） 將修改后數(shù)值寫入LCD控制器的RAM區(qū)。

一旦完成像素操作就可以施展一些高級繪制動作：文字、圖片、幾何圖形等。類似于LCD12864的二值屏幕，一般是用一個字節(jié)表示連續(xù)的八個點，1表示對應位被點亮，0表示不亮，在顯示字符時，一個08*08字符用八個字節(jié)的編碼表示，將所有常用字符存成一張編碼表，需要某個字符時直接從表中調(diào)用。

第二層是界面模塊，本系統(tǒng)GUI是由多個界面組成，每個界面都有一些固定不變的內(nèi)容，以此為基準將每個界面都作為一個獨立的界面模塊，模塊內(nèi)部調(diào)用底層驅(qū)動函數(shù)寫入內(nèi)容，將這些模塊都封裝好，顯示時直接調(diào)用獨立界面模塊刷新顯示內(nèi)存，從而避免刷新速度慢及顯示混亂的問題。系統(tǒng)根據(jù)不同功能有效規(guī)劃各個界面，大致分為主界面，設置參數(shù)界面，顯示參數(shù)界面和菜單界面。主界面是在系統(tǒng)運行期間顯示時間最長的界面，上面顯示用戶最關心的運行參數(shù)和運行狀態(tài)。設置參數(shù)界面是讓用戶對一些參數(shù)進行修改和設置，顯示參數(shù)界面是用來顯示一些只能查看不能修改的參數(shù)。菜單界面是整個系統(tǒng)界面的向?qū)?，是連接各界面的紐帶。

第三層是界面交互驅(qū)動，要進入到一個界面要么從它的上層進入，稱之為父界面，要么從它的下層界面返回而來，稱為子界面，這里的父界面子界面是系統(tǒng)將界面分層次的結果。父界面，當前界面，子界面之間的關系是相對的，對于當前界面而言，從父界面進入和從子界面進入，當前界面的處理要依據(jù)實際情況來進行。從父界面進入，那么要重新繪制當前界面，而且當前界面的狀態(tài)應該為初始狀態(tài)，比如選項圖標應該指向第一項，而如果從子界面進入，不僅要重新繪制當前界面，且要恢復進入子界面之前的狀態(tài)，比如說之前選項圖標指向第二項，那么恢復后的當前界面就需要使選項圖標繼續(xù)指向第二項。

如下圖3 、圖4分別是光伏逆變器人機交互界面部分效果展示。

4 總結

本文所提出的實時嵌入式系統(tǒng)中輕量級GUI解決方案，已經(jīng)應用在光伏逆變器的人機交互模塊設計中，原型機運行實踐證明其是穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟適用的方案，對處理器運算能力和存儲空間有限的低端嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 劉波文，孫巖.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ經(jīng)典實例-基于STM32處理器[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[2] 劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[3] Sheayun Lee，Insik Shin，Woonseok Kim.A design framework for real-time embedded systems with code size and energy constraints[J].ACM Transactions on Embedded Computing Systems，2008，7（2）：26-32.