張 霞，張志杰，軒志偉

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

責(zé)任編輯:薛 京

目前大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都是在PC平臺(tái)下設(shè)計(jì)人機(jī)界面與采集設(shè)備進(jìn)行通信，這種系統(tǒng)存在戶(hù)外做實(shí)驗(yàn)不易于攜帶、成本高等缺點(diǎn)，針對(duì)這一情況，本文設(shè)計(jì)了在ARM硬件平臺(tái)下的圖形用戶(hù)界面。

Linux操作系統(tǒng)具有開(kāi)源、穩(wěn)定且便于移植到嵌入式設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，在Linux下設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面的需求越來(lái)越多。嵌入式系統(tǒng)對(duì)圖形用戶(hù)界面的基本要求包括輕小、占用資源少、高性能、高可靠性以及可配置等特點(diǎn)［1］。本文提出了采用ARM為硬件平臺(tái)和嵌入式Linux系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上采用Qt設(shè)計(jì)了一款實(shí)用、靈敏的圖形用戶(hù)界面。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體由4個(gè)部分組成:

1)數(shù)據(jù)采集設(shè)備:被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器并通過(guò)模擬調(diào)理電路的放大、濾波等處理，得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并且存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中。

2)人機(jī)交互:在Linux平臺(tái)下使用Qt軟件設(shè)計(jì)界面，主要顯示的內(nèi)容有設(shè)置參數(shù)、參數(shù)回讀、數(shù)據(jù)讀取和波形顯示。這部分由ARM9開(kāi)發(fā)板及觸摸顯示面板完成。ARM9開(kāi)發(fā)板選用天塹公司的TQ2440，TQ2440開(kāi)發(fā)板采用的是 S3C2440AL的 CPU，板載 64 Mbyte SDRAM、256 Mbyte Nand Flash和2 Mbyte Nor Flash，板上集成4線電阻式觸摸屏接口，直接連接?xùn)|芝3.5 in(1 in=2.54 cm)電阻觸摸屏作為顯示控制面板。

3)USB通信:采用FIDI公司推出的FT245RL芯片，完成FT245芯片在ARM9平臺(tái)下Linux USB驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和移植。

4)WiFi模塊:本系統(tǒng)采用WM001S WiFi模塊，集成微控制器(MCU)和IEEE802.11 b/g 2.4 GHz無(wú)線射頻收發(fā)芯片為一體。模塊部分的射頻電路已經(jīng)通過(guò)出廠校準(zhǔn)測(cè)試，客戶(hù)能夠根據(jù)自己的需求來(lái)設(shè)計(jì)接口電路和進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。WM001S模塊提供一種簡(jiǎn)單、低成本、可靠的WiFi網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。本模塊內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，支持 TCP/UDP/ICMP/ARP/DHCP/DNS/HTTP協(xié)議，此外還支持基于超級(jí)命令的Socket編程接口。

本系統(tǒng)無(wú)線模塊作為服務(wù)器集成在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中。兩者之間都是通過(guò)串口連接，操作簡(jiǎn)單方便。通過(guò)串口調(diào)試工具設(shè)置好無(wú)線模塊的參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)、IP地址、協(xié)議類(lèi)型、連接類(lèi)型及目的地址和端口等。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，在Linux平臺(tái)下編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，采用Qt設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。應(yīng)用程序的主要功能有，通過(guò)發(fā)送指令來(lái)控制數(shù)據(jù)采集設(shè)備的參數(shù)，并且通過(guò)參數(shù)回讀功能來(lái)驗(yàn)證設(shè)備工作是否正常且參數(shù)設(shè)置是否成功。讀取采集設(shè)備中的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到二進(jìn)制文件中，再進(jìn)行讀取并且通過(guò)波形顯示出來(lái)。本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，軟件開(kāi)發(fā)主要有3個(gè)內(nèi)容:開(kāi)發(fā)工具和關(guān)鍵技術(shù)、USB驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2.1 開(kāi)發(fā)工具和關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)以Qt軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)Socket通信。

TCP是一種可靠的、面向連接、面向數(shù)據(jù)流的傳輸協(xié)議，為應(yīng)用程序提供可靠的通信連接，使一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)出的字節(jié)流無(wú)差錯(cuò)地發(fā)往網(wǎng)絡(luò)上的其他計(jì)算機(jī)。因此，對(duì)可靠性要求高的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)往往使用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，但在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前通信雙方必須建立連接［2］。

TCP協(xié)議的程序使用的是客戶(hù)端/服務(wù)器模式，在Qt中提供了QTcpSocket類(lèi)來(lái)編寫(xiě)客戶(hù)端程序，使用QTcpS-erver類(lèi)編寫(xiě)服務(wù)器端程序。在服務(wù)器端進(jìn)行端口的監(jiān)聽(tīng)，一旦發(fā)現(xiàn)客戶(hù)端的連接請(qǐng)求，就會(huì)發(fā)出newConnection()信號(hào)，可以關(guān)聯(lián)這個(gè)信號(hào)到槽函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。而在客戶(hù)端，一旦有數(shù)據(jù)到來(lái)就會(huì)發(fā)出readyRead()信號(hào)，可以關(guān)聯(lián)此信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。本系統(tǒng)的應(yīng)用程序采用客戶(hù)端的模式編寫(xiě)［3］。

2.2 USB 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選用FTDI公司開(kāi)發(fā)的USB芯片F(xiàn)T245RL來(lái)連接ARM開(kāi)發(fā)板和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，該芯片具有功能強(qiáng)大、體積微小、傳輸速度快、易于與微處理器接口等特點(diǎn)。由于FTDI公司沒(méi)有推出支持ARM的Linux USB驅(qū)動(dòng)，因此必須先設(shè)計(jì)支持ARM和Linux的USB驅(qū)動(dòng)［4］。

USB驅(qū)動(dòng)屬于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，USB驅(qū)動(dòng)屬于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，通過(guò)module_init()函數(shù)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)程序，完成初始化加載，注冊(cè)USB設(shè)備，申請(qǐng)USB設(shè)備標(biāo)示號(hào)等。不同廠商不同型號(hào)的USB芯片的VID和PID是不同的，通過(guò)VID和PID的值來(lái)識(shí)別設(shè)備。FT245RL芯片的VID=0x0403，PID=0x6001。

設(shè)計(jì)步驟如下:根據(jù)Linux的內(nèi)核源碼中的USB驅(qū)動(dòng)的框架程序“/drivers/usb/”下的 nousb－skeleton.c文件，來(lái)修改編寫(xiě)ft245的驅(qū)動(dòng)程序，修改好的驅(qū)動(dòng)文件ft245.c文件放在/drivers/char/目錄下;接下來(lái)通過(guò)修改同目錄下的“Kconfig”和“Makefile”文件，完成內(nèi)核源碼對(duì)ft245驅(qū)動(dòng)支持;在終端運(yùn)行#make menuconfig完成內(nèi)核配置，使用#make SUBDIR=drivers/char/modules，編譯出驅(qū)動(dòng)模塊。這時(shí)候可以在drivers/char/下找到ft245.ko文件;將其傳送給開(kāi)發(fā)板，使用insmod ft245.ko命令進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。這時(shí)便可進(jìn)行ARM和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信。

2.3 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用程序基于Linux平臺(tái)，采用Qt的開(kāi)發(fā)環(huán)境Qt Creator完成開(kāi)發(fā)，最后在已搭建好的開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯得到可執(zhí)行文件，并將其移植到制作好的根文件系統(tǒng)中，重新制作yaffs格式的文件系統(tǒng)鏡像后燒寫(xiě)到開(kāi)發(fā)板，即可運(yùn)行添加的應(yīng)用程序。

2.3.1 控制界面的設(shè)計(jì)

Qt/Embedded編程既可以圖形化編程，也可以以傳統(tǒng)代碼編程［5］，本設(shè)計(jì)采用二者相結(jié)合的方式編程:通過(guò)派生自QWidget的QMainWindow的子類(lèi)化來(lái)實(shí)現(xiàn)主窗口的創(chuàng)建，再在工程中通過(guò)新建Qt Designer Form Class來(lái)實(shí)現(xiàn)“設(shè)置參數(shù)”和“參數(shù)回讀”兩個(gè)子窗口的創(chuàng)建;“波形顯示”窗口選用傳統(tǒng)的代碼編程完成坐標(biāo)和數(shù)據(jù)波形的繪制。通過(guò)Qt特有的信號(hào)與槽(signal/slots)機(jī)制實(shí)現(xiàn)在主窗口調(diào)用其他的子窗口。主窗口的設(shè)計(jì)如圖3所示，子窗口的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 主窗口界面(截圖)

圖4 子窗口界面(截圖)

2.3.2 后臺(tái)處理程序

后臺(tái)處理程序的內(nèi)容主要包括USB和WiFi兩部分，分別實(shí)現(xiàn)了設(shè)置參數(shù)、參數(shù)回讀、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和波形顯示的功能。

1)設(shè)置參數(shù):選擇性地對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送參數(shù)設(shè)置控制指令，這些指令包括采樣頻率、觸發(fā)電平、放大倍數(shù)、負(fù)延時(shí)點(diǎn)數(shù)和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

USB部分程序中的主要函數(shù)如下:

無(wú)線部分程序中的主要函數(shù)如下:

2)參數(shù)回讀:通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的控制指令來(lái)讀取設(shè)備發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)ui－＞label－＞setText(tr(“相關(guān)參數(shù)”))語(yǔ)句，顯示到ui文件的標(biāo)簽Label中，從而可以判斷設(shè)備是否正常工作，且設(shè)置參數(shù)是否成功。

3)數(shù)據(jù)讀取:通過(guò)發(fā)送指令到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，讀取設(shè)備發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)并且以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到文件中。在Qt中往文件中寫(xiě)數(shù)據(jù)使用QFile類(lèi)和QDataStream類(lèi)，主要實(shí)現(xiàn)程序如下:

4)波形顯示:使用QPainter類(lèi)完成坐標(biāo)和數(shù)據(jù)波形的繪制。QPainter既可以繪制幾何圖形，又可以繪制像素映射、圖像和文字［6］。先在頭文件中聲明重繪事件函數(shù)、初始化界面函數(shù)和坐標(biāo)設(shè)定的函數(shù)，再在draw.cpp文件中對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行重定義，分別為:void Draw::paintEvent(QPaintEvent*e)，void Draw::initInterface()和 void Draw::resizeEvent(QResizeEvent*e)。實(shí)現(xiàn)讀取二進(jìn)制文件中的數(shù)據(jù)，并且繪制成波形的功能。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果驗(yàn)證

在開(kāi)發(fā)環(huán)境內(nèi)交叉編譯編寫(xiě)的應(yīng)用程序，得到可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，將此文件植入制作的帶有Qt庫(kù)的文件系統(tǒng)中并進(jìn)行編譯，將裁剪、編譯過(guò)的內(nèi)核與該文件系統(tǒng)燒寫(xiě)到開(kāi)發(fā)板，即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的發(fā)布。圖5為從300 m遠(yuǎn)處控制采集設(shè)備，讀取沖擊波壓力數(shù)據(jù)并在波形顯示這一子窗口顯示的波形。

圖5 運(yùn)行結(jié)果顯示(照片)

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)能很好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，已經(jīng)不是傳統(tǒng)的PC機(jī)端上位機(jī)軟件，相比于筆記本，該系統(tǒng)體積小、重量輕、可便攜，當(dāng)通信受到限制時(shí)，可調(diào)整通信距離，使無(wú)線傳輸性能達(dá)到最佳。實(shí)驗(yàn)證明，在室外空曠環(huán)境下，通信距離可達(dá)300 m，接收到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)100%，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、切實(shí)可行、具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］陳曦，劉增強(qiáng).基于Qt/Embedded嵌入式控制界面的設(shè)計(jì)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2011，38(9):1131－1132.

［2］姚娟，張志杰.基于LabVIEW和TCP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(7):72－74.

［3］鄭阿奇，陳超.Qt 4開(kāi)發(fā)實(shí)踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［4］曾強(qiáng)，趙娟.基于FT245的Linux USB驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2011，26(1):70－73。

［5］吳迪.零基礎(chǔ)學(xué) Qt4編程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［6］BLANCHETTE J，SUMMERFIELD M.C++GUI Qt 4編程［M］.閆鋒欣，曾泉人，張志強(qiáng)，譯.2版.北京:清華大學(xué)出版社，2010.