基于WinCE 5.O操作系统实现工业绣花机人机界面的设计

引言

高速工业绣花机是机电一体化结合较为完美、自动化程度较高的绣花专用设备，它能使传统的手工绣花得到高速度、高效率、高可靠性的实现，并且还能实现手工绣花无法达到的“多层次、多功能、统一性和完美性”的要求。人机界面是高速工业绣花机与用户打交道的窗口，一个好的人机界面可以提高用户的工作效率和舒适性。

随着WinCE嵌入式操作系统的不断完善，给高品质、高效率、与PC机类似的人机界面提供了可能。在此提出一种基于WinCE 5.O的高速工业绣花机人机界面的设计方法，并重点给出了主刺绣界面、参数设置界面和磁盘管理界面的设计过程和方法。

1Windows CE

1.1 windows CE 概述

Windows CE是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，它是一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统，它是精简的Windows 95，Windows CE的图形用户界面相当出色。

Windows CE作业系统是Windows家族中最新的成员，专门设计给掌上型电脑（HPCs）所使用的电脑环境。这样的作业系统可使完整的可携式技术与现有的Windows桌面技术整合工作。 Windows CE 被设计成针对小型设备（它是典型的拥有有限内存的无磁盘系统）的通用操作系统，Windows CE 可以通过设计一层位于内核和硬件之间代码来用设定硬件平台，这即是众所周知的硬件抽象层（HAL）（在以前解释时，这被称为 OEMC （原始设备制造）适应层，即 OAL; 内核压缩层，即 KAL. 以免与微软的 Windows NT 操作系统 HAL 混淆）。

Windows CE中的C代表袖珍（Compact）、消费（Consumer）、通信能力（Connectivity）和伴侣（Companion）；E代表电子产品（Electronics）。与Windows 95/98、Windows NT不同的是，Windows CE是所有源代码全部由微软自行开发的嵌入式新型操作系统，其操作界面虽于Windows 95/98，但Windows CE是基于WIN32 API重新开发、新型的信息设备的平台。Windows CE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口和与处理器无关等特点。Windows CE不仅继承了传统的Windows图形界面，并且在Windows CE平台上可以使用Windows 95/98上的编程工具（如Visual Basic、Visual C++等）、使用同样的函数、使用同样的界面风格，使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在Windows CE平台上继续使用。Windows CE并非是专为单一装置设计的，所以微软为旗下采用Windows CE作业系统的产品大致分为三条产品线，Pocket PC（掌上电脑）、Handheld PC（手持设备）及Auto PC。

1.2 特色

增进工作产能和效率的通讯录、日历行程、工作管理、Microsoft Pocket Excel与Microsoft Pocket Word控制台可以控制并管理Windows CE与办公室PC的连结。这让在您的PC与PDA之间转移资料并与他人透过电子邮件及红外线无线电通讯，同时与其他手携式设备交换资料。利用便携式Internet Explorer遨游网络，并使你的HPC达到最大的功用。

从随时随地的使用电脑及PDA，到智慧型家电用品及丰富的多媒体家庭剧院，Microsoft Windows CE为工作、家庭及其间的任何一部分开启了动态的、崭新的开发远景。这个模块化、可自订的作业系统将Windows平台延伸到桌面之外，到达更小、更机动性、更特别的装置之上，然而它的Windows血统则确保了它的相容性，并且支援了更广泛的开发基础。Microsoft Windows CE揭露了革命性的系统架构，可以让身为开发者或科技领导者的您，扩展消费者及工业电子上的新市场。

1.3 最新功能

目前最新的Windows CE为 Windows Embedded Compact 7，这个版本在内核部分有很大的进步：所有系统元件都由EXE改为DLL，并移到 kernel space.

全新设计的虚拟内存架构、全新的设备驱动程序架构，同时支持 User Mode 与 Kernel Mode 两种驱动程序。突破只能运行 32 个工作元（process）的限制，可以运行 32768 个工作元。每一工作元的的虚拟内存限制由32 M 增加到全系统总虚拟内存。Platform Builder IDE 集成到 Microsoft Visual Studio 2005。新的安全架构，确保只有被信任的软件可以在系统中运行。UDF 2.5 文件系统。支持 802.11i （WPA2）及 802.11e （QoS） 等无线规格，及多重 radio support.

支持 x86， ARM， SH4， MIPS 等各种处理器。提供新的 Cellcore components 使系统在移动电话网络中更容易创建数据链接及激活通话。［1］［2］在开发环境上，微软也提供兼容于.NET Framework的开发元件：.NET Compact Framework，让正在学习.NET或已拥有.NET程序开发技术的开发人员能迅速而顺利的在搭载Windows CE .NET系统的设备上开发应用程序。

用于掌上电脑Pocket PC以及智能手机Smart Phone上的Windows CE系统称为Windows Mobile，目前成熟的最新版本为Windows Mobile 6.5。

2 WinCE系统分析

Windows CE是一个抢先式多任务的32位的嵌入式操作系统，它的图形用户界面相当出色，开发人员可以利用丰富灵活的控件库在Windo-ws CE环境下为嵌入式应用建立各种专门的图形用户界面。WindowsCE提供了符合Windows平台标准的开发环境，它实现了Win32 API函数的一个子集，覆盖了大部分的Win32功能。

图形窗口和事件系统模块（graphical windowing and event system，GWES）是用户、用户应用程序和操作系统之间的图形化用户接口。 GWES将控制选择转换为消息，传送信息给应用程序和操作系统来处理用户输入。GWES通过创建和管理在显示设备和打印机上显示的窗口、图形和文本处理输出。GWES的核心是窗口。所有应用程序（即使是为缺小图形显示器的设备创建的那些应用）需要窗口以便从操作系统接收信息。GWES为需要图形显示器的设备提供控制、菜单、对话框和资源。它还提供控制文本和图形显示的GDI.

在运行的Windows CE操作系统中，图形窗口和事件系统模块体现为Gwes.exe进程。GWES模块主要由3种类型的组件构成：支持图形驱动的GDI组件；支持窗口控件的USER组件；支持其他窗口和图形功能的一般GWES组件。

3 人机界面设计原理

3．1 功能结构

在高速工业绣花机控制系统人机界面的显示和控制中，采用液晶屏和触摸屏相结合的方式。利用液晶屏实现各种信息的显示、菜单操作、图形显示及触摸屏控制，为高速工业绣花机控制系统提供良好的人机界面。高速工业绣花机控制系统人机界面主要包括主刺绣界面、参数设置界面、磁盘管理界面、花样管理界面和辅助刺绣界面。

主刺绣界面主要显示所刺绣花样、花样名、花样号、花样针数、花样颜色数、花样位置、当前刺绣针数等刺绣花样的各种信息、绣作过程中的各种状态显示和一些基本的操作功能。机器操作人员通过该界面能够准确了解机器运行过程中的各种基本信息和进行一些相关的操作，并且也能够对各种即将出现的情况做出及时的判断。另外主刺绣界面上还有进入参数设置界面、磁盘管理界面、花样管理界面和辅助刺绣界面的按钮。

参数设置界面主要是用于对机器所需刺绣的各种相关参数进行设置。它包括的功能有通用参数设置、机器参数设置、剪线参数设置、刺绣速度参数设置、断线参数设置、辅助刺绣参数设置、换色参数设置和统计信息显示。

磁盘管理界面主要用于将花样文件输入到机器内存的操作，在磁盘管理界面中，用户可以把USB设备上的花样文件输入到机器的内存中，也可以把机器内存中的花样文件输出到USB设备上。可以对磁盘中花样进行预览。磁盘管理界面包含的功能有花样文件的输入、选中花样文件预览、选中全部花样文件、取消全部选中花样文件、停止花样文件的输入、磁盘花样文件的排序与查看、花样缩略图的保存和进入内存管理界面等。

花样管理界面主要用于从内存中选择刺绣花样文件、对内存中花样文件进行各种相关设置和变换以及所有生成花样文件的操作。它包括的功能有输出花样文件到磁盘、选中花样文件的预览、选中内存中单个花样文件、花样文件编辑、全部选中内存中花样文件、取消全部选中内存花样文件、删除选中花样文件、内存花样文件的排序与查看和选中当前刺绣花样进入主刺绣界面等。

辅助刺绣界面主要用于完成一些辅助性刺绣功能。它包括恢复刺绣花样的起绣点、机器沿刺绣花样周边刺绣、设置另外起点和机器绣作十字等功能。

3．2 功能模块相互关系

人机界面各功能模块的具体功能都是在主刺绣界面得以实现。各功能与主刺绣界面交互关系如图1所示。从模块交互关系中可以看出，主刺绣界面是整个人机界面的基础，所有的其他界面都是围绕着主刺绣界面在展开。

4 人机界面设计与实现

人机界面的软件开发环境采用微软提供的软件开发平台eVC++4.0，硬件平台采用三星公司的ARM9芯片S3C2440.模拟器由该硬件平台的BSP经过Platform Builder4.2软件定制而成，在应用程序的开发过程中可以脱离硬件平台而在开发主机上直接使用模拟器进行程序调试运行，避免由于经常调试运行的原因造成每次都必须下载到硬件平台。在eVC++4.O中使用单文档的形式进行人机界面应用程序的开发，创建了一个基于CFormView的单文当应用程序，再添加几个窗体和与之对应的基于CFormView的新视类，然后通过在CMainFrame类中添加控制代码和菜单控制实现这两个窗体的动态切换。这种方法避免了普通WINDOWS窗口界面上的多余的工具条、菜单、文本框等内容，完全符合人机操作界面的要求。

4．1 应用程序类

应用程序即高速工业绣花机人机界面的开发，主要实现绣花机的各种动作和控制，以及用户需求规定的各种必须的功能。根据人机界面软件的特点，结合面向对象程序设计的要求，以及MFC框架的特点，绣花机人机界面采用文档一视图（Document-View）结构结合对话框来实现。整个程序分成界面，数据处理，界面／数据辅助和核心框架等几个大类。核心框架是MFC单文档结构应用程序的基本核心，其中的文档类是实现绣花机各种数据管理。界面类呈现给用户供用户操作或浏览。界面／数据辅助是为了更好的呈现用户界面和进行数据处理设计的一些辅助类。各个部分的主要类和相互关系如图2所示。

根据高速工业绣花机人机界面的功能划分，人机界面分成以下5部分：主刺绣界面模块、参数设置界面模块、花样管理界面模块、磁盘管理界面模块、辅助刺绣界面模块。

4．2 主刺绣模块

人机界面的应用程序是根据面向对象的思想进行编程的，在界面的开发过程中都是用类来包含各数据成员和成员函数。主刺绣界面作为开机后第一个出现的界面，使用一个继承于CFormView类的类CEMBHIDView来包含主界面上的各个数据成员和成员函数。在设计中使用CEMBH-IDView∷OnCreate（）函数来动态创建主界面上的各种功能按钮。CEMBHIDView类的内容如下：

通过CEMBHIDView类和相应的成员函数所实现的主刺绣界面如图3所示。

4．3 参数设置模块

首先设计一个基于CDialog类的CParameter类来包含参数界面中所用到的数据成员和消息响应函数。用户通过对相的参数设置项进行设置，等待窗口消息并调用响应的窗口过程函数来进行相应的处理。由于参数设置界面所需设置的参数较多，在一个页面难以排布下，因此，在本设计中采用TAB控件来进行分页设计，其中用到了一个从CTabCtrl类继承来的CTabSheet类来包含分页操作所用到的数据成员和成员函数，用于Tab Control的控件类。在类中有一个成员变量用来记录各子对话框的指针CDialog*m_pPages［MAX-PAGE］，MAXPAGE是该类所能加载的标签的最大值。CTabSheet类的内容如下：

在CTabSheet类中用到AddPage方法，用于记录子对话框的指针和所使用对话框资源的ID号。在使用AddPage加入了若干子对话框后，调用CTabSheet的Show方法来真正生成标签和子对话框。生成好标签和子对话框后，调用CTabSheet∷SetRect（）函数来计算并调整属性页的大小。在单击标签栏后，应该是相应的子对话框显示，正在显示的子对话框应该隐藏。因此利用ClassWizard来处理WM_LBUTTONDOWN消息。这样利用CTabSheet类就可以轻松地在对话框上放置自己的属性页了，并且控件都分散在各子对话框类中，符合对象封装的思想。而且用这个方法来制作属性页就可以利用ClassWizard来轻松地生成消息映射处理Tab Control的消息了。使用这个类，可以将参数设置各页面的封装对象关联起来，起到分页显示作用。每个页面使用一个类来封装数据成员和成员函数。应用程序中操作的对象可以是连续的，即应用程序退出时将用户数据保存到磁盘上，在程序重新启动时恢复它们，这个保存和恢复的过程称为串行化。MFC中有一个特定类CSerialize，支持对象的串行化。并利用CArchive类对象作为执行串行化对象和存储介质之间的中继，执行串行化的对象可以使用CArchive类对象进行读写操作。参数设置界面中用到的全局变量包含在2个从CObject类派生的CDesignParams和CGlobalV中，使用这2个类中的重载成员函数CGlobalV∷Serialize（CAr-chive＆ ar）、CDesignParams∷Serialize（CArchive＆ ar）进行实际的串行化操作。通过以上的串行化技术就可以保存参数设置中用户设置的参数，在程序退出时这些参数设置可以被存储，程序启动后被读入。参数设置界面的实现如图4所示。

4．4 磁盘管理模块

磁盘管理界面是使用一个CDiskManagement类来封装花样管理界面中用到的数据成员和成员函数。用户通过触摸屏进行操作时，系统的消息循环队列中会产生相应的消息。根据消息中的窗口句柄，系统将消息发送到目标窗口，并自动启动相应的窗口过程函数来响应。当用户点击“输入花样文件”按钮，将调用花样拷贝函数进行花样格式转换、缩略图的生成并保存到机器内存。点击其他的按钮亦将产生相应的功能操作。磁盘管理界面的实现如图5所示。

5 测试与结论

人机界面作为人与高速工业绣花机信息交互的枢纽，必须将机器信息实时、准确而且容易识别的方式传递给机器操作人员，才能达到人与机器的最佳配合。而基于Windows CE操作系统制作的人机界面能够很好地满足这个要求并提供更美观、更友好和人性化的界面，它将在嵌入式产品中应用越来越广泛。