摘  要： 目前對裝備檢測設(shè)備的實時性、可視化的要求越來越高。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用，使檢測裝置變得可靠、實用和便攜。本文在OMAPL138嵌入式結(jié)構(gòu)和Linux系統(tǒng)下，應(yīng)用QTouch組態(tài)軟件進行檢測設(shè)備人機交互界面的開發(fā)。重點設(shè)計和分析Linux系統(tǒng)下與FPGA模塊的數(shù)據(jù)交互機制，從而滿足實時信息通信和檢測的人機交互需求。

　　關(guān)鍵詞： QTouch；人機交互；嵌入式Linux；ARM+FPGA；數(shù)據(jù)交換

0 引言

　　由于目前裝備日趨信息化、智能化，裝備運行或使用過程中涉及到的信號也越來越多，對于這些信號的采集和分析，有助于裝備使用者了解裝備的狀態(tài)，及時維修維護，防患于未然。為了能更好更準(zhǔn)確地檢測出裝備的一些關(guān)鍵信號，對檢測設(shè)備提出了更高要求，既需要有超高的精度也需要有便捷友好的操作界面。以便于操作人員迅速上手，簡化操作訓(xùn)練。本文根據(jù)實際設(shè)備人機交互的設(shè)計需求，結(jié)合硬件設(shè)備和QTouch組態(tài)軟件設(shè)計了與FPGA硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)交換機制，實現(xiàn)的人機交互界面直觀、信息量大、便于操作。

1人機界面設(shè)計原理

　　QTouch軟件主要分為兩個重要的組成部分，一是PC端的軟件設(shè)計部分，二是嵌入式平臺的運行部分。兩者通過協(xié)議進行平臺間通信，在PC端設(shè)計完成的應(yīng)用程序通過ModbusTCP協(xié)議上傳到嵌入式平臺部分，上傳完成后脫離PC端，在嵌入式平臺上獨立運行。其整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　軟件結(jié)構(gòu)分為三層，分別是人機交互界面、數(shù)據(jù)庫和底層設(shè)備驅(qū)動數(shù)據(jù)。在對底層硬件進行數(shù)據(jù)寫入時，人機交互界面數(shù)據(jù)由操作人員通過手動輸入的方式給定，并通過應(yīng)用程序傳入程序的實時數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫接收到數(shù)據(jù)后，驅(qū)動程序就可以調(diào)用實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，對底層硬件進行數(shù)據(jù)寫入。接收反饋數(shù)據(jù)時，由底層硬件檢測到數(shù)據(jù)，再由驅(qū)動程序?qū)⑵浯嫒雽崟r數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用程序通過實時關(guān)聯(lián)某個數(shù)據(jù)存儲單元的數(shù)據(jù)，就可以實時地接收到硬件反饋的數(shù)據(jù)信息并顯示在屏幕上。數(shù)據(jù)交互原理如圖2所示。

2 界面與FPGA的數(shù)據(jù)交換機制

　　2.1 數(shù)據(jù)類型

　　研究數(shù)據(jù)交互的機制，首先需要確定數(shù)據(jù)的類型。當(dāng)FPGA接收到設(shè)定時間參數(shù)后，并不能直接進行時間設(shè)定，因為數(shù)據(jù)接收端接收的數(shù)據(jù)類型并不是十進制的，所以不能將設(shè)定的時間信號直接傳遞到數(shù)據(jù)接收端，需要進行一定的數(shù)據(jù)編碼。這里使用的是Hamming碼[1]進行的數(shù)據(jù)編碼信號。

　　Hamming編碼矩陣如下：

　　FPGA設(shè)備在接收到時間參數(shù)后，根據(jù)Hamming編碼矩陣將原始的十進制數(shù)編碼成二進制數(shù)碼。重新編碼后的時間參數(shù)通過FPGA端口以電信號的形式發(fā)送到數(shù)據(jù)接收端口。數(shù)據(jù)接收端口接收到時間參數(shù)后再進行解碼。

　　2.2 數(shù)據(jù)交互機制

　　2.2.1 硬件設(shè)備、操作系統(tǒng)和人機界面的關(guān)系[2-4]

　　嵌入式設(shè)備的設(shè)計都分為硬件設(shè)計部分和軟件設(shè)計部分。硬件設(shè)計部分使用的是目前主流的FPGA+ARM結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計部分使用Linux操作系統(tǒng)，以及使用QTouch編寫的人機交互界面，人機交互程序需要借助操作系統(tǒng)才能運行。Linux操作系統(tǒng)是連接硬件和人機界面的橋梁。三者關(guān)系如圖3所示。

　　2.2.2 設(shè)備驅(qū)動[2]

　　設(shè)備驅(qū)動是關(guān)聯(lián)操作系統(tǒng)和人機交互程序的橋梁。操作系統(tǒng)將輸入的數(shù)據(jù)以文件的形式寫入系統(tǒng)的特定文件中，人機交互程序通過調(diào)用驅(qū)動程序來讀取這些設(shè)備文件即可得到想要的數(shù)據(jù)。人機交互程序使用統(tǒng)一的接口函數(shù)調(diào)用相應(yīng)的硬件驅(qū)動程序，這些函數(shù)都是在設(shè)備驅(qū)動中定義好的。這組接口被稱為系統(tǒng)調(diào)用。對于每一個系統(tǒng)調(diào)用，驅(qū)動程序中都有一個與之對應(yīng)的函數(shù)，這些函數(shù)集合在一個file_operations類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中，file_operations結(jié)構(gòu)體在Linux內(nèi)核的include/linux/fs.h中定義。

　　使用file_operations結(jié)構(gòu)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的程序代碼如下：

　　Staticstructfile_operationsarm_fpga_fops={

　　.owner=THIS_MODULE，

　　.open=arm_fpga_open，

　　.write=arm_fpga_write，

　　.read=arm_fpga_read，

　　.ioctl=arm_fpga_ioctl，}；

　　將FPGA字符設(shè)備和arm_fpga_fops結(jié)構(gòu)體進行關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)程序的代碼設(shè)計如下：

　　ret=register_chrdev（FPGA_MAJOR，DEVICE_NAME，&arm_ fpga_fops）；

　　if（ret<0）

　　{

　　prink（DEVICE_NAME”can′t register major number\n”）；

　　return ret；}

　　程序頭文件中定義FPGA_MAJOR為FPGA設(shè)備的主設(shè)備號，程序主函數(shù)中設(shè)置FPGA_MAJOR=0，由系統(tǒng)自動分配主設(shè)備號。DEVICE_NAME定義為設(shè)備名稱。經(jīng)過注冊，主設(shè)備號就和具體的file_operations結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來了，因此操作主設(shè)備號為FPGA_MAJOR的設(shè)備文件時，就會調(diào)用arm_fpga_fops中的相關(guān)函數(shù)。

　　驅(qū)動程序通過操作設(shè)備文件來向硬件設(shè)備下發(fā)數(shù)據(jù)，為了解決設(shè)備文件的讀取和寫入問題，在軟件設(shè)計中借助Linux操作系統(tǒng)中提供的兩個重要函數(shù)：copy_to_user和copy_form_user。這是兩個很重要也是經(jīng)常被字符設(shè)備使用到的函數(shù)。它們定義在Linux系統(tǒng)內(nèi)核的~/arch/arm/lib/usercopy.c文件中。定義形式如下：

　　unsigned long  copy_to_user（void_user*to，const void*from，unsigned long n）

　　{

　　might_sleep（）；

　　BUG_ON（（long）n<0）；

　　If（access_ok（VERIFY_WRITE，to，n））

　　n=_copy_to_user（to，from，n）；

　　return n；}

　　unsigned long copy_from_user（void_user*to，const void*from，unsigned long n）

　　{

　　If（access_ok（VERIFY_WRITE，from，n））

　　n=_copy_from_user（to，from，n）；

　　else

　　memzero（to，n）；

　　return n；}

　　copy_from_user（）函數(shù)用于將用戶給定的參數(shù)從用戶空間到內(nèi)核空間的復(fù)制。copy_to_user（）函數(shù)完成數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間到用戶空間的復(fù)制。在設(shè)備驅(qū)動中使用這兩個函數(shù)，F(xiàn)PGA設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和人機交互程序的數(shù)據(jù)之間就能進行相互復(fù)制，也就實現(xiàn)了兩者的數(shù)據(jù)交換。

　　這樣，使用QTouch組態(tài)軟件設(shè)計人機交互界面過程中，不需要編寫復(fù)雜的實現(xiàn)代碼，只需要將功能控件用類似于搭積木的方式構(gòu)建在一起，由軟件庫文件調(diào)用相關(guān)函數(shù)。在程序設(shè)計過程中，不需要直接使用file_operations結(jié)構(gòu)體中的操作函數(shù)編寫代碼。部分控件如圖4所示。

　　3實驗及數(shù)據(jù)分析

　　將人機交互程序?qū)懭胗布O(shè)備中，使用設(shè)計的實際設(shè)備對數(shù)據(jù)交互進行系統(tǒng)調(diào)試，驗證程序的正確性。圖5為系統(tǒng)調(diào)試圖。

　　由于時間參數(shù)的接收采用Hamming譯碼，數(shù)據(jù)進入FPGA以后會對時間裝定參數(shù)進行信號編碼。所以以下波形圖測得數(shù)據(jù)是以Hamming碼的形式顯示的。

　　假設(shè)設(shè)定數(shù)據(jù)為33.3 s，即十位、個位、十分位都為3（二進制0011）。時間設(shè)定界面如圖6所示。

　　實驗設(shè)定的時間數(shù)據(jù)通過人機交互程序下發(fā)到FPGA外設(shè)中，再由FPGA進行編碼轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在以十位數(shù)為例，對得到的波形圖進行分析，如圖7所示。由實驗波形圖得到十位上的Hamming碼為0011101。通過查詢Hamming碼編碼矩陣，得到Hamming碼0011101對應(yīng)數(shù)字3，可見實驗測得的數(shù)據(jù)與編碼矩陣數(shù)據(jù)完全吻合。用同樣的方法對個位和十分位進行分析，Hamming碼解碼得到的時間參數(shù)與人機交互程序設(shè)定的時間參數(shù)完全一致（都是33.3 s），因此可以判斷參數(shù)交互準(zhǔn)確，程序設(shè)計達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

　　高電平載波信號實驗誤差分析如圖8所示。顯示的都是高電平調(diào)制的載波信號，該信號理論波形為正弦波，但是在本次實驗中由于設(shè)備精度的限制，在測量顯示時將載波信號的方波顯示為正弦波形，但是這樣的誤差在實驗的可允許范圍之內(nèi)，因此不會對實驗的最終結(jié)論產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語

　　本文基于QTouch的組態(tài)軟件設(shè)計的應(yīng)用程序，實現(xiàn)了與ARM+FPGA嵌入式系統(tǒng)底層硬件平臺的數(shù)據(jù)交換，設(shè)計了友好的交互界面，并通過數(shù)據(jù)交換實驗，檢測驗證了數(shù)據(jù)交換機制的有效性，滿足設(shè)備的功能要求。本設(shè)計為設(shè)計功能更強更復(fù)雜的嵌入式設(shè)備打下了良好的理論和實驗基礎(chǔ)。

　　參考文獻(xiàn)

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