基于Linux和MiniGUI的某型指控终端人机接口设计

0 引言
    随着武器装备信息化程度的提高，各种嵌入式信息装备得到了广泛应用。作为未来战场主要作战平台的各种战斗车辆，其车载指挥控制平台的设计得到了广泛重视。
    一个车载指控平台的功能主要体现在以下几个方面：监控、显示车辆的技术状态；车际间的指控、通信；车辆的定位、导航；各种文电处理等。本文将介绍一个基于ARM和MiniGUI的车载指控系统人机接口部分的设计，这个系统初步实现了上述车载指控平台的主要功能。

l 软硬件的选型
    受车辆内部空间的限制，指挥控制终端必须做到小型化，嵌入式。ARM作为一种已经在多个领域得到非常广泛应用的架构，这里采用它是一个很好的选择。该课题选择在国内有着较广泛市场的SAMSUNG公司的S3C2410芯片作为CPU。S3C2410芯片主要应用于手持设备或者其他对功耗、成本、性能有较高要求的场合。为了降低整机成本，该芯片内置了各16 KB的指令和数据缓存、MMU、UART、ADC、LCD控制器，I2C总线接口、IIS总线接口、USB主从设备支持、触摸屏接口等，这种设计提高了系统的集成度，也给系统开发提供了极大的便利。
    系统软件可以有很多选择，因为该芯片内置MMU，因此可以支持Windows CE，Linux，Palm OS和VxWorks等多种主流嵌入式操作系统。车载指控平台对实时性要求不高，因此这里选择嵌入式Linux作为操作系统。嵌入式Linux具有源码开放、成本低、应用软件丰富等特点，因此Linux和ARM是许多低成本的应用中首选的组合。
    作为指控终端，必然对用户图形界面有特殊的要求，该项目选择飞漫公司的MiniGUI作为图形引擎。MiniGUI是一个专门面向嵌入式系统的图形用户界面支持系统，它为应用程序定义了一组轻量级的窗口和图形设备接口。利用这些接口，每个应用程序可以建立多个窗口并在这些窗口中创建各种控件。在软件体系中，它介于内核和应用程序之间，在此将利用MiniGUI来完成用户图形界面的编程。

2 硬件设计
    ARMS3C2410芯片的应用电路有许多成熟的设计范例；在设计阶段，市面上也有很多的开发板可供选用。该项目选用杭州立宇泰公司的ARM SYS2410开发板作为开发的硬件平台。
    该开发板采取核心板和扩展板分离的结构，提供了大部分的外设接口电路，并且有200个引出脚，引出了CPU上的大部分I／0端口，这样做为后续的开发工作提供了便利。
2．1 键盘矩阵电路
    该项目的指挥控制终端功能可以分为6项。每项选中后，为便于输入或选择子条目，增加10个数字键，另外还需要确定键、取消键，再加上6个功能键，一共是24个键。因为键的数目较多，将这些键设计成一个行列式键盘矩阵(见图1)。

结合开发板的电路结构，键盘矩阵的列输入端口使用GPE5～GPElO六个通用I／0口线，行输出端口采用GPEll～GPEl4四个通用I／0口线，在行线和列线的交点接入按键开关。
    键盘扫描的原理是，按照有规律的时间间隔察看键盘矩阵，以确定是否有键按下。键盘扫描可以采取专用芯片，也可以采用软件方法实现，该项目采用软件方法。
2．2 显示驱动电路
    指挥控制终端输入／输出设备的第二个重点就是显示设备。ARM芯片内置有LCD控制器，可以方便地实现显示功能。但是ARM LCD控制器支持的是TTL电平的RGB分量显示，而目前市场上较大尺寸的工控液晶屏大多是LVDS电平接口，因此需要接口电路。
    另一种解决方案是将ARM开发板TTL电平的RGB信号转换成VGA信号，这样显示器的选择更加随意，而且降低了成本。RGB信号转换成VGA信号可采用专用的AD芯片，如ADV7120，ADV7123等。

3 软件设计
    软件设计需要完成两个方面的工作：一是驱动程序编写；二是GUI编程。
3．1 键盘矩阵驱动程序的编写
    开发板对自己所提供的硬件一般都提供相应的驱动程序，自行开发的外设电路一般需要自己编写驱动程序。设备驱动程序是Linux内核的重要部分，操作系统只有通过驱动程序才能够控制外设的硬件行为。
    在系统内部，I／0设备的存取是通过一系列的入口点来进行的，字符型设备提供以下入口点：open，close，read，write，ioctl；它们分别对应打开设备、关闭设备、读设备、写设备以及其他操作。这些入口点的定义是通过一个重要的数据结构file_operations来完成的。
    键盘驱动程序编制的要点有：
    (1)定义一个6×4的健值矩阵，作为输出，按下一个按键，得到对应的键值；
    (2)初始化时设置所用到的I／O端口的读／写模式，行线为写，列线为读；
    (3)定义键盘扫描函数scan_kbd()。它的算法是：初始化时所有的行线置低电平，如果没有键按下，列线都将读到高电平。否则，任何键的闭合将造成该列成为低电平。
    (4)在read入口点，也就是file_operations结构定义的read方法中，调用scan_kbd()。这样，驱动程序就可以定时扫描几个I／O端口，获取键值，然后通过putuser发送到用户地址空间。
    设置I／O模式，读／写I／0端口的位，可以通过头文件S3C2410．h中专门定义的宏set_gpio_ctrl，write_gpio_bit，read_gpio_bit来进行。
    键盘驱动程序经过编译后，可以作为一个设备文件编译入内核，也可以采取模块动态加载的方式。
3．2 MiniGUl IAL引擎的实现
    通常，MiniGUI在使用前应针对目标系统的特点进行配置和编译，例如指定目标操作系统、运行模式、图形引擎和输入引擎、字体类型、字符集、所支持的控件类等。该课题中，因为采取了自行设计的键盘作为输入设备，因此最重要的配置是输入引擎(input abstract lay-er，IAL)。
  抽象层是一组不依赖于硬件的抽象接口，其作用类似于操作系统的驱动程序，将底层的硬件操作与操作系统隔离，这样做简化了在不同平台上移植的难度。开发特定的键盘输入，主要是完成两部分工作：键盘驱动程序设计和键盘输入引擎开发。前者负责从键盘接收原始输入事件和数据，后者负责将原始的输入事件和数据转换成MiniGUl抽象的键盘事件和数据。
    在代码实现上，MiniGUI通过INPUT数据结构来表示输入引擎。该结构中指定了若干函数指针，编写特定的输入引擎，主要就是编码实现INPUT结构中的各个函数。新的IAL引擎编写完成后，应加入MiniGUI进行配置，然后对MiniGUI进行编译。在工程实践中，一种比较简便的方法是对MiniGUI已经实现的引擎进行修改。
3．3 图形界面设计
    MiniGUI是一个图形用户界面支持系统，通常的GUI编程概念均适用于MiniGUI编程，如窗口和事件驱动编程等。嵌入式系统完成的功能一般比较单一，对于该系统而言，重点在于实现人机接口部分，因此只需要轮询用户的按键输入即可。如图2所示。