（信号与信息处理专业论文）手持式雷达嵌入式显控系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着电子技术与计算机技术的快速发展，小型化、嵌入式越来越成为便携式 雷达设备的发展方向与设计标准。手持式穿墙雷达就是这种雷达的典型代表。 本文以此为背景，对手持式雷达嵌入式显控系统的设计与实现展开研究。显 控系统设计是一个系统性的工作，涉及的工作主要包括以下内容： 1 显控系统设计。完成系统功能要求分析，确定显控系统的硬件指标以及与 其他子系统通信的接口，最终确定系统硬件平台与软件平台，并完成交叉编译环 境的搭建。 2 显控软件设计。确定软件功能，完成软件流程与结构设计，并完成各个子 界面的设计，包括数据接收、数据处理、信息综合显示、软键盘输入、配置文件 配置、数据存储与回放等多种功能的实现。 3 接口通信程序设计与算法移植。完成串口、网口通信程序设计以及动目标 检测与跟踪算法移植。 4 操作系统剪裁。完成“n u x 内核剪裁、桌面系统剪裁、最小化根文件系统 制作、b a s h 移植、q t 库与字库移植等工作。 5 显控系统测试。完成对显控软件、接口通信程序、算法以及剪裁后的操作 系统与根文件系统的测试。 关键词；显控软件，接口通信，算法移植、操作系统剪裁 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lm ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c s t e c l l l l o l o g y a 1 1 d c o m p u t e rt e c l l l l o l o g y ， m i i l i a t u r i z e d 柚de m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nm o r ea n dm o r et l l ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n a i l dd e s i 萨s t a n d a r do fp o r c a b l er a d a ri nn o w a d a y s h a n d - h e l dt h r o u g h - t h ew a l l r a d a ri s j u s tar e p r e s e n t a t i v ee q u i p m e n ti nt l l i ss c o p e t 协sp a p e ri sd e s i g n du i l d e ra b o v eb a c k g r o u i l d ，p o i n t st 0r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o fs u b s y s t e mo ft 1 1 eh a i l d - h e l dr a d 碣w h i c hi sc a l l e de m b e d d e dd i s p l a y & c o n t r o l s y s t e m d e s i g l l i n go fd i s p l a y & c o n n o ls y s t e mi sas y s t e m i cw o r k i n g ，w l l i c hi n c l u d e s s u c h w o r k sa s ： 1 s y s t e md e s i g n t h em a i nw o r k si nt h i sp a i ti n c l u d es y s t e mm n c t i o na n a l y z a t i o n ， h 莉咄i n d e xd e s i g i l ，d a ：t a 锄s f e ri n t e r l k ed e s i 印，a i l dh a r d w a r ea n ds o f t w e p l a t f l o n i ld e s i g l l a 舭ra 1 1a b o v e ，a l s ob u i l dt h ec r o s sc o m p i l ee n v i r o 啪e n t t oc o m p l e t e t l l ef i r s ts t a t e sw o r l 【i n g 2 s o 行a r ed e s i g no fd i s p l a y & c o n t r 0 1s y s t e m 7 n l em a i nw o r k si n c l u d es o f t w a r e p r o c e s sd e s i g n ，s o f h a r es t m c t u r ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no fe a c hs u b - i n t e r f a c e i nt h i s p a r t ，l o t s o ff | m l c t i o n mm o d e i sh a v e b e e nd e s i 弘d ，s u c ha sd a 瞳ar e c e i v i n g ，d a t a p r o c e s s i n g ，c o m p o s i t i v ei i l f b r m a t i o nd i s p l a y ，s o r k e y b o 硼i n p u t ，c o n f i g u r a t i o nf i l e s c o 谢毡a 1 1 dd a t ar e t e n t i o na i l dr e c a l lf 吼c t i o n s 3 c i a t at 姗s f e rp r o g r 锄d e s i g na n da r i m m e t i ct i a n s p l a n t i n c l u d es e r i a lp o r ta r l d n e tp o r t n 锄s f e rp r o 伊锄d e s i g l l ；a l l da l s o 撕恤n e t i ct r a n s p l a l l t 、) i ! h i c hi sc a l l e d m o v i n gt a 玛e td e t e c t i o na 1 1 dt r a c 虹n g 4 o p e r a t i o ns y s t e m ( o s ) c 戚o m i z a t i o n t h em a i nw o r k s i 1 1t l l i sp a ni n c l u d el i n u x k e l e lc u s t o m i z a t i o n ，w i n d o ws y s t e mc u s t o m i z a t i o n ，m a k i n go f1 e a s tr o o t 丘1 es y s t e m b a s h 乜锄s p l a n t ，a n dq ta n df o n tl i b r a r yt r a n s p l a n t ： 5 d i s p l a y & c o n 仃o ls y s t e mv e r i f i c a t i o n i n c l u d ev e r i f i c a t i o no fs o 凤m e ，c i a t a 仃a n s f e rp r o 鲫m ，撕t l l i l l e t i c ，c u s t o m b u i l t0 s 锄dr o o tf i l es y s t e m k e y w o r d s ：s o r 、v 盯eo fd i s p l a y & c o n t 】的ls y s t e m ，d a 诅t r a n s f e rt i l r o u 曲i n t e 而c e ， a r i m m e t i ct m s p l a n t ，o p e r a t i o ns y s t e mc u s t o m i z a t i o n i i 独创性l 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：纽自魄呷年手月秒日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：兰笠翌，盥导师签名：遄 日期：年十月哆日 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 1 1 1 手持式设备的发展现状 随着计算机技术、微电子技术、通信技术以及网络技术的发展，手持设备越 来越体现出其软硬件功能丰富、操作使用方便、集成化水平高的特点。尤其是高 性能嵌入式处理器与大容量存储器的出现，更将手持设备的发展推向了一个新的 发展阶段，使得p d a 、移动手机、g p s 等设备广泛应用于人们的日常生活中。与 其他类型的嵌入式系统相比，这类系统在系统结构、i 0 接口、电源管理、系统软 件以及应用软件设计方面都有很多独特的要求。 1 1 2 便携式雷达小型化趋势 雷达探测设备同样受益于这些技术的应用与发展，基于嵌入式技术的雷达系 统逐渐成为近年的研究热点，小型化便携式雷达已成为雷达设备的一个重要分支。 手持式穿墙雷达( 以下简称“穿墙雷达”) 就是这种雷达的典型代表，本文以此 为应用背景，对手持式雷达显控系统的设计与实现进行研究。 穿墙雷达可以穿透非金属介质( 砖墙、废墟等) ，无需直接接触生命体，就能够 探测一定空间内的活动目标。在军事与民用方面的研究适用于当前军事变革的发 展和反恐斗争的需求。此外在灾害救援领域，穿墙雷达对在灾害废墟上进行人员 的搜索也具有很大的帮助。目前普遍认为该雷达在如下领域有重要的应用前景【i j ： ( 1 ) 军事：城区巷战中探测隐藏在建筑物内的敌军，对战场救护起辅助作用； ( 2 ) 反恐：对建筑物内恐怖分子和人质的探测、定位、跟踪和状态分析； ( 3 ) 医疗：远程医疗服务、非接触式探测心跳和呼吸等生命特征参数； ( 4 ) 警戒：对未经许可入侵人员的探测； ( 5 ) 安检：对危险物品的远距离探测； ( 6 ) 救灾：灾害废墟上人员的搜索与救援等等。 1 电子科技大学硕士学位论文 因此开展穿墙雷达相关技术的研究无论在军事还是民用领域都具有重要的现 实意义，本项目正是基于这种需要，在超宽带成像技术与嵌入式技术的基础上， 研制一种小型化手持式雷达。 1 2 穿墙雷达技术的发展现状 自上个世纪九十年代以后，穿墙监测技术的研究才开始兴起。目前包括美国、 英国、加拿大、新加坡等在内的多个国家政府和国防机构已经大力开展这一方面 的研究【2 。14 1 。国内在超宽带穿墙成像雷达技术研究方面处于起步阶段，中国科学院 电子学研究所、北京理工大学、国防科学技术大学、哈尔滨工业大学、电子科技 大学等国内单位正在进行相关的研究工作【1 5 - 19 1 。 1 3 雷达显控系统的发展现状 显控系统是雷达系统与操作人员交互的中介，承担着雷达配置、数据录取、 一次数据( 雷达接收机输出的原始数据) 与二次数据( 经过处理后的数据) 的处理、综 合显示与扫描控制等人机交互功能。显控系统也常被称为“显控终端”，由显控计 算机、显控系统软件与终端显示器三部分组成，显控系统技术的发展也就相应地 表现为显控计算机、显控系统软件与终端显示器等技术的发展。 1 3 1 早期雷达的“显控系统 在早期的雷达系统中，由于技术条件的限制，显控系统并未做为一个独立的子 系统存在。当时的雷达主要采用的是模拟技术，目标的显示则使用相应的显示器 简单地标示目标相对于雷达的位置，常用的显示器有距离显示器、径向圆扫描显 示器、直角坐标显示器【2 0 1 与高度显示器。 1 距离显示器用来测量目标的斜距，主要有以下三种类型： 直线扫描的a 型显示器； 采用电子放大镜的r 型显示器； 圆周扫描的j 型显示器。 2 径向圆扫描显示器 2 第章绪论 距离扫描线在屏幕上旋转的显示器称为径向圆扫描显示器，也称为平面位置 显示器【2 1 】。 3 直角坐标显示器 距离扫描线在屏幕上平移的显示器称为直角坐标显示器。指示斜距和方位角 的显示器称为b 型显示器，指示斜距和仰角的显示器称为e 型显示器。 4 高度显示器【2 1 】 在需要测量高度的雷达中，常用到测高显示器。这种显示器显示水平距离和 高度两个座标，是直角坐标式的二度空间亮度调制显示器。扫掠线的水平分量代 表水平距离，垂直分量代表高度，目标显示成垂直的亮弧。这种显示器又称为r h i 显示器，r 表示距离，h 表示高度，i 表示显示器。 可以看出，早期雷达显控系统在技术上比较落后，功能上比较简单，实现上 比较复杂，系统维护与升级都比较困难，难以满足日益增长的高速信号处理和综 合信息实时显示的需要。 1 3 2 现代便携式雷达的显控系统 随着雷达系统对信息显示要求的不断提高以及数字技术、信息技术与计算机 技术在雷达系统中日益广泛的应用，显控系统逐渐发展成为一个相对独立的雷达 子系统。在便携式雷达系统中，这种独立不仅体现在硬件平台的独立，也体现在 软件平台与系统开发过程的独立【2 2 。2 4 1 。其主要特点为： ( 1 ) 使用嵌入式微处理器硬件平台，这种平台是支持操作系统的、接口充足、 模块化的平台，其资源能够满足设备的使用要求； ( 2 ) 使用操作系统实现对硬件资源的最优化管理，并与应用相关的库一起，实 现对雷达应用软件的支持； ( 3 ) 使用针对雷达特点的多功能可视化应用软件，完成复杂信息的综合显示。 通常这种软件需要具备操作方便、信息集约、界面友好、可移植性好、升 级维护便利等特点； ( 4 ) 使用高速数据通信技术与其他子系统进行数据传输。 因此便携式雷达显控系统主要对集中于以下几方面的研究： 3 电子科技大学硕士学位论文 系统方案设计与硬件平台构建； 操作系统与应用库裁剪； 雷达多功能应用软件开发； 数据通信技术研究。 1 4 穿墙雷达总体框图 本文所述的穿墙雷达是超宽带步进频雷达，通过发射一串低重复频率的超宽 带脉冲信号来扫描墙壁或类似障碍物后面的区域，同时接收来自该区域的回波信 号，经信号处理后得到墙壁后运动目标的信息，完成运动目标的检测、跟踪与定 位等功能。 超宽带步进频雷达主要包含脉冲产生与发射，回波信号接收与预处理、算法 处理与信息综合显示等部分。根据该雷达的基本原理，通过发射一组频率步进的 超宽带脉冲信号来对墙壁后面要探测的区域进行扫描，同时接收经过目标调制后 产生的回波信号，回波中将包含运动目标的相关信息，然后对该信息进行处理， 实现动目标的检测、定位和跟踪。其总体结构框图如图1 1 所示。 图1 - 1 穿墙雷达系统总体框图 系统时基信号一路送入到脉冲产生器，通过触发时间芯片产生一定脉宽和功 率的极窄脉冲，然后通过宽带功率放大器使脉冲功率达到一定值后直接激励发射 天线辐射出去，另一路时基信号则送入可控延时单元用于接收端回波信号的预处 理工作；接收机天线接收到探测空间的微弱回波信号后，由宽带低噪声放大器将 信号进行低噪放大，再由回波预处理模块对回波信号进行累积、压缩，之后送往 4 第一章绪论 a d c 进行模数转换进入中央控制单元；中央控制单元接收到一组回波信号后，将 其送入算法处理模块，得到目标的位置信息或者场景的图像信息，最后再将这些 数据送入综合显示与控制单元显示。 当操作人员需要对雷达系统进行配置时，通过触摸屏将参数输入综合显示与 控制单元，综合显示与控制单元再将数据传入中央控制单元，最后由中央控制单 元将配置数据依次分发给其它模块。 穿墙雷达主要有以下三种工作模式： 运动目标的检测与定位模式； 生命迹象探测模式； 场景合成孔径成像模式。 1 5 穿墙雷达工作流程 根据穿墙雷达总体技术方案，雷达工作流程设计如图1 2 所示。 图1 2 雷达工作流程 1 开机 各子系统上电复位，等待用户操作指令。 2 上电启动 操作人员通过显控系统向f p g a 发送工作指令。在雷达工作之前，显控系统 首先向f p g a 传递雷达配置参数对雷达工作参数进行配置，之后各子系统进入工 5 电子科技大学硕士学位论文 作预备状态。 3 工作 各子系统分别进入工作状态，按照操作人员的控制进行动作。天线前端持续 发送步进变频信号，接收天线接收到回波信号后，对信号进行采样，将采样信号 送到预处理单元进行预处理。预处理结束后得到两路i q 数据，这些数据被发送给 数据处理单元进行算法处理。根据不同的工作模式，生成目标的坐标或者场景的 图像，再将这些坐标或图像发送给显控系统显示。显控系统再按照操作人员的控 制发送各种控制指令给前端，实现对整个探测过程的控制。 4 参数重新配置 工作人员通过显控系统对雷达参数进行重配置，显控系统将新的参数发送给 f p g a ，系统重新配置后继续进入等待指令状态。 5 关机 操作人员通过显控系统发送关机指令，各子系统复位停止，最后显控系统关 机，雷达一次工作结束。 1 6 本文的主要工作 作者参与了穿墙雷达项目的研制，并负责雷达子系统显控系统的设计与 开发。显控系统是一个较典型的嵌入式系统，通过与雷达中心控制器和信号处理 机之间的通信实现雷达控制和目标显示的任务。显控系统是雷达系统与雷达操作 人员之间信息交互的接口，能否完成雷达数据的录取与显示、对雷达的配置与控 制将直接关系到整个雷达系统的正常工作。本文主要完成的工作有： 1 根据雷达总体功能要求、数据通信要求以及显控界面要求，完成显控系统 的实现方案设计； 2 在主机上搭建开发环境以及交叉编译环境，使p c 上编译的软件能够下载 到嵌入式平台上运行； 3 完成具有4 层界面深度的显控软件的设计与开发，该软件友好，直观，功 能完善，操作方便。使用l i n u x 下的q t 进行开发，很好地完成了雷达人机 交互的任务。主要内容包括： 6 第一章绪论 ( 1 ) 完成多界面、多功能显控软件的流程与软件结构设计； ( 2 ) 完成功能引导界面的开发，引导系统进入相关界面工作。 ( 3 ) 完成探测结果综合显示界面的开发，综合显示探测结果，包括多目标、 航迹、图像等信息。 ( 4 ) 完成参数设置与更改界面的开发，使用配置文件存储参数信息，能够 选择与修改参数。 ( 5 ) 完成数字软键盘的开发，使用数字软键盘通过触摸屏进行参数设置， 有效节省系统硬件资源。 ( 6 ) 完成数据存储与回放，能够存储探测结果并进行回放。 4 接口通信程序设计 ( 1 ) 低速数据传输的接口通信程序设计 低速数据主要是雷达参数设置信息与各子系统配置后的反馈信息，需 要通过显控系统与中心控制器之间的接口进行通信，因为这部分数据量小， 且对传输速度要求不高，因此使用串口通信方式实现； ( 2 ) 高速数据传输的接口通信程序设计 高速数据主要是雷达中心控制器输出的未经处理的数据与信号处理机 输出的经过处理后的场景图像信息，这部分数据量大，传输速率高，因此 使用网口通信方式实现。 5 动目标检测与跟踪算法移植 考虑到雷达系统未来可能进行的裁剪，在显控系统中移植动目标检测 算法，代替信号处理机直接对中心控制器预处理后的数据进行处理，得到 目标的位置信息。 6 操作系统剪裁与最小化文件系统设计 ( 1 ) 完成操作系统内核的最小化剪裁与编译； ( 2 ) 完成桌面系统剪裁； ( 3 ) 完成最小根文件系统设计； ( 4 ) 完成根文件系统初始化脚本编写； 7 电子科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 完成相关工具与支持库移植； ( 6 ) 实现显控软件的自启动。 1 7 论文的内容安排 本论文共分六章，内容安排如下： 第1 章绪论 第2 章嵌入式显控系统的设计 第3 章显控软件的设计与实现 第4 章接口通信程序开发与算法移植 第5 章剪裁操作系统及文件系统 第6 章显控系统功能测试 课题总结与展望 8 第二章嵌入式显控系统的设计 第二章嵌入式显控系统的设计 由于穿墙雷达对系统的集成化、便携性具有较高的要求，因此在本雷达系统 的设计过程中，使用嵌入式计算机做为显控系统的硬件平台，使用嵌入式l i n u x 做为显控系统的软件平台。并在此基础上，结合雷达的其他部分一起组成嵌入式 雷达系统，以满足系统集成的要求。 2 1 系统设计流程 显控系统是一个典型的嵌入式系统，其开发符合嵌入式系统开发的特点，如 图2 1 所示：首先确定系统功能，然后确定系统硬件平台与软件平台，接着搭建嵌 入式系统交叉编译环境，之后进行系统核心功能的设计。整个开发结束后，还需 要对操作系统与文件系统进行剪裁，以满足系统最小化的要求。最后再将操作系 统与显控软件一起固化在硬件平台中，构成具有特定功能的嵌入式系统。 确定显控系 统功能要求 开发前期准备工作 确定系 统指标 确定系统 硬件平台 确定系统 软件平台 2 2 开发技术难点 图2 1 显控系统设计流程图 显控系统是嵌入式系统，其开发主要的难点在于： 1 l i n u ) 【下交叉编译环境的搭建 虽然交叉编译环境只是开发编译使用的环境，但是编译参数的选择会生成大 小功能各不相同的库文件，且开发环境搭建过程复杂，需要的源文件版本较多， 9 电子科技大学硕士学位论文 稍有不慎就会导致编译环境搭建失败。 2 显控软件核心功能的开发 显控软件是显控系统功能的体现，显控软件需要具备怎样的功能，如何开发 出美观、易用、精简、功能完善、占用资源少以及可重用性好的软件，需要开发 者具备较强的软件开发与调试能力。 3 接口通信程序设计 显控系统需要和其他单元进行通信，如何配置接口，如何设计数据格式，如 何将高、低速接口通信功能整合到显控系统中，也需要进行详细的设计与测试。 4 动目标检测与跟踪算法的理解 显控系统需要移植动目标检测与跟踪算法，需要对该算法有较深入的理解， 然后才能将该算法与软件的算法处理模块连接起来，通过模块接口实现算法处理。 5 操作系统与根文件系统的剪裁 显控系统是功能确定性强的系统，其软件仅仅对特定的操作系统资源提出要 求，因此可以对整个系统进行裁剪，生成精简的系统内核与文件系统，有效节省 系统硬件资源。在剪裁的过程中，需要深入理解内核配置、系统启动流程以及共 享库之间的依赖关系。 2 3 功能设计 显控系统做为雷达的终端设备，需要完成用户与雷达之间信息的交互，主要 实现的功能如下： 1 在雷达开始工作以前，实现对雷达系统前、后端各功能模块的参数配置； 2 系统工作开始后，通过相关接口接收雷达探测的目标信息，并对该信息进 行处理，将处理后的结果以图形与文字的形式通过液晶屏显示出来； 3 接收雷达信号处理机处理后的场景图像，并将该图像以类视频的形式通过 液晶屏显示出来； 4 雷达工作过程中，实现对雷达探测过程、目标信息显示方式、扫描模式与 开关机的控制； 1 0 第二章嵌入式显控系统的设计 5 接收到目标信息后，存储探测后的结果并能够回放。 2 4 详细方案设计 显控系统是穿墙雷达与操作人员之间人机通信的接口，需要完成信息的综合 显示与存储、数据输入、数据处理及系统控制等复杂的任务，因此需要具备良好 的数据处理与存储能力，拥有多种通信接口，能够快速、清晰地显示处理后的图 形与图像信息，能够方便快捷地输入用户指令。 显控系统需要和中心控制器单元、信号处理机等进行接口通信，完成控制指 令、参数信息与数据的传输。控制指令与参数信息的特点是数据量小，数据率低， 最高只有十几个字节；数据传输则与之相反，表现为数据量大，数据率高，最高 数据率可以达到3 2 4 m b p s 。 显控系统需要与液晶屏通信，完成数据的综合显示与控制指令的传输； 显控系统需要下载操作系统与显控软件，并固化在硬件平台中； 显控系统同时还需要与主机进行通信，完成软件的交叉调试。其相互之间的 接口设计如图2 2 所示： 主机 调试 调 据信 参数信息气产产数据信息 d s p 式信 曙下 显 控 堕 兀 ! 竺：竺! il 竺! ! l 国a r ? 枷 ；葛 5 0 芯l c d 接口 n a n d f 】a s h 触摸屏控制信息l一- 显示数据 液晶触摸屏 图2 2 显控系统与其他系统的接口设计 与f p g a 之间的通信接口：r s 2 3 2 串口与网口； 与主机之间的通信接口：串口与u s bs 1 a v e 口； 与触摸液晶屏的接口：5 0 芯l c d 接口。 1 1 嚣 电子科技大学硕士学位论文 2 5 硬件平台实现 2 5 1 硬件资源需求分析 从显控系统的功能要求上可以看出，显控系统需要完成多种复杂的工作任务， 不仅包括数据综合显示，还包括数据通信与算法处理，同时做为一个相对独立的 子系统，需要具备开发的便利性与良好的可维护性。 因此在显控系统硬件平台的设计过程中，主要考虑以下几点： ( 1 ) 主频较高的嵌入式微处理器； ( 2 ) 较大容量的存储器； ( 3 ) 丰富的外部接口； ( 4 ) 良好的终端显示设备； ( 5 ) 良好的输入支持； ( 6 ) 对操作系统的支持。 综上所述，我们所需要的硬件平台应该是一个基于微处理器的支持操作系统 的拥有多种外部接口的嵌入式系统。 2 5 2 硬件平台指标设计 根据系统对硬件平台的设计要求，其主要指标设计如下： ( 1 ) e m p u ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ) ：带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n t u n i t ) 功能，主频 3 0 0 m h z ； ( 2 ) 内存： 6 0 m ； ( 3 ) 外存： 6 0 m ； ( 4 ) 显示屏：8 寸触摸屏，色彩位不小于1 6 位； ( 5 ) 接口：串口、网口、l c d 接口与u s bs l a v e 。 2 5 3 实现硬件平台 考虑到系统的研发进度，结合显控系统自身的特点，我们选用市面上已有的 1 2 第二章嵌入式显控系统的设计 嵌入式单板做为显控系统的主控平台。在主控平台选型的过程中，必须考虑主控 平台、操作系统与显示设备三个方面的因素，主控平台与显示设备一起构成显控 系统的硬件平台。 2 5 3 1 硬件平台选型 主控平台的选型主要围绕e m p u 的选型进行。目前市场上主流的微处理器产 品包括a i 己m 、p o w e r p c 、m i p s 等系列，这三种微处理器都具有各自的优势，相对 于其它两种处理器，删的应用更加广泛。 根据显控终端硬件平台的要求，本文选择了基于删9 的y l p 2 4 4 0 做为主 控平台。y l p 2 4 4 0 使用s 锄s u n gs 3 c 2 4 4 0 a 做为处理器，采用核心板加外围电路 的连接方式，有利于系统后续的换代升级，其主要硬件资源如表2 1 所示： 表2 11 几p 2 4 4 0 的主要硬件资源 名称备注 主频4 0 0 m b 外部存储器s d r a m ：6 4 m b ：n a n df l a s h ：6 4 m b 串口 两个五线异步串行口，波特率最高为1 1 5 2 0 0 b p s 网口 1 0 m u s b 接口一个u s b l 1h o s t 接口，一个u s b l 1d e v i c e 接口 存储接口一个s d 卡接口；一个i d e 接口 l c d 和触摸屏接口支持s t n 液晶屏与t f t 液晶屏，屏幕分辨率可达到1 0 2 4 7 6 8 象 素，引出一个5 v 电源输出接口，可为大尺寸t f t 液晶屏的5 v c c f l 背光模块供电 调试及下载接口 一个2 0 芯m u l t i i c e 标准j 1 a g 接口，支持s d t 2 5 1 ，a d s l 。2 等 调试 扩展口引出了地址线、数据线、读写、片选、中断、i o 口、a d c 、5 v 电 源、地等用户扩展可能用到的信号 从表2 1 可以看出，y l p 2 4 4 0 具有充足的外围接口，各项硬件指标均满足显 控系统硬件平台的要求，适合做为本系统的主控平台。 2 5 3 2 显示设备选型 考虑到显控系统需要具备的数据显示与参数输入功能，结合当前嵌入式系统 显示终端的应用情况，本系统最终选择了夏普l q 0 8 0 v 3 d g 0 18 寸液晶屏做为显示 设备，并且在液晶屏上增加触摸屏提供输入功能。 将显控系统主控平台与显示设备连接起来，构成完整的显控系统硬件平台。 电子科技大学硕士学位论文 2 6 软件平台实现 软件平台是运行于硬件平台之上，支持显控系统软件运行的嵌入式操作系统 与图形用户界面支持库( 以下简称“图形界面库 ) 。典型的嵌入式系统组成如图2 3 所示： 堡譬f i = 丁阿湎面网 平台i 嵌入式处理器ii7 莅蔓薹麓裤i 图2 3 嵌入式系统组成 其中，软件平台处于上层应用软件与嵌入式硬件系统中间，操作系统掩盖了 硬件系统的复杂性，图形界面库提供了大量的用户界面设计组件。 2 6 1 使用嵌入式l i n u x 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的特殊的操作系统，是嵌入式系 统极为重要的组成部分。常用的嵌入式系统有v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、p a l mo s 与l i n u x 【2 6 ，2 7 1 ，他们都是优秀且应用广泛的操作系统，但是综合考虑系统性能、可 移植性、开发工具、系统的定制能力、可用的资源、软件开发的难易程度与版权 许可费等各方面的因素，系统最终选择嵌入式l i n u x 做为操作系统。 嵌入式l i i l u x 具有诸多优点，同时也有一些缺点： ( 1 ) 缺乏实用性强的集成开发工具，软件调试技术复杂； ( 2 ) 缺少一个优秀的图形界面； ( 3 ) 嵌入式l i n u x 仍然占用较大内存。 但是由于显控系统是雷达专用的可视软件，因此在应用过程中并不需要操作 系统图形界面的支持，相反地，我们必须对已有的桌面系统进行剪裁，让雷达开 机即进入显控界面；另外，针对l i n u ) 【占用内存的问题，通过对操作系统中的其他 组件进一步的裁剪来减少操作系统的尺寸，降低系统运行时内存的占有率。 1 4 件统软系 第二章嵌入式显控系统的设计 2 6 2 典型的嵌入式g l 开发工具 l i 肌x 系统支持的嵌入式图形界面库比较多，它们都有各自的特点，并在各自 的领域得到应用。常见的嵌入式图形界面库主要有q 耽m b e d d e d 、t i n y x 、 m i c r o w i n d o w s 、o p e n g u i 与m i n i g u i 等阳，其主要特点如表2 2 所示。 表2 2 常用的嵌入式图形界面库 图形界面库功能特点 是一个支持多操作系统的应用程序开发框架，为跨平台的软件 q 7 i 、e m b e d d e d开发提供直观和强大的应用程序编程接口，q 耽的应用程序可 以直接对f r a m eb u 能r 直接进行写操作。 是一个为嵌入式系统而开发的紧凑型的xw i n d o w 服务器，由 t i n v x s u s e 赞助，其应用对象可以在小内存或几乎无内存的情况下良 好运行。 是一个基于客户端服务器体系结构的g u i 系统，基本分为三 层：最底层是面向图形输出、键盘、鼠标或触摸屏的驱动程序： m i c r o 、m n d o w s 中间层提供底层硬件的抽象接口，并进行窗口管理；最高层分 别提供兼容于x 、m n d o w 和w i n d o w sc e 的a p i 。 支持多种操作系统平台，最底层是由汇编编写的快速图形引擎； o p e n g u l 中间层提供了图形绘制a p i ；第三层用c + + 编写。其可移植性 差，目前只支持x 8 6 硬件平台，不而且支持多进程。 由中国人主持，其目标是为基于l i n u x 的实时嵌入式系统提供 m i n i g u i 一个轻量级图形用户界面支持系统，比较适合工控领域的应用。 对比以上几种图形界面库，我们最终选择了功能强大、开发工具成熟、技术 文档充足、尺寸可剪裁的q t e n l b e d d e d 进行显控软件的开发。 q 1 饱m b e d d e d 是t r o l l t e c h 公司开发的面向嵌入式系统的q t 版本，q t 是k d e 等项目使用的g u l 支持库，q t e m b e d d e d 类库完全采用c + + 封装，兼容同版本的 q t ，使用x 中的开发工具就可以开发基于q t e m b e d d e d 的应用程序，许多基于q t 的xw i n d o w 程序也可以非常方便地移植到q t e m b e d d e d 上【弱j 。 q t e m b e d d e d 独有的机制包括：信号与插槽、元对象系统和布局管理【2 引。 2 7 开发显控软件的流程 显控软件是典型的嵌入式软件，采用交叉开发的方式。所谓交叉开发方式， 是指采用宿主机( p c ) 开发、宿主机与目标机( 嵌入式硬件系统) 之间交叉调试、目标 1 5 电子科技大学硕士学位论文 机运行的开发方式，其开发流程图如图2 4 所示。 环境搭建软件主机丌发软件交叉调试 开发结束 确定嵌入式操 软件需求及软件 使用交叉编译工具对 作系统与g u i 工 功能详细设计软件进行交叉编译 系统与软件固 化，开发结束 具，并下载g u l i - 工具安装包 ( 主机上开发软件) 软件交叉调试 b r 主机上搭建开 操作系统、文 发环境与交叉 主机上软件调试l一 否彳冬是 件系统与应用 编译环境 ：7 库剪裁 图2 4 显控软件开发流程 包括以下几个步骤： ( 1 ) 在宿主机上搭建开发环境与交叉编译环境； ( 2 ) 在宿主机上编写程序代码； ( 3 ) 宿主机上交叉编译生成目标机可执行的代码，再将其下载到目标机上； ( 4 ) 开发人员对代码进行调试，若无异常，则将程序固化到目标机上； ( 5 ) 如果调试程序出现错误，定位并修改错误，直到调试成功； ( 6 ) 对操作系统、文件系统与应用库进行剪裁，生成最小化系统； ( 7 ) 固化操作系统与显控软件，完成整个开发流程。 2 8 搭建开发环境与交叉编译环境 通常在w i n d o w s 下开发软件需要安装一个集成开发环境，比如s u a ls t u d i o ， 为开发者提供了一个集编写、编译、调试、链接于一体的开发工具，开发者无需 关注软件如何被组织，如何被编译，开发环境提供了“一键式的解决方案。 但是l i n u x 下的软件开发与此完全不同，开发者必须从不同版本的编译器中选 择自己需要的编译器，然后编写代码，代码编写完成后再编写m a k e f i l e 文件对一 个软件工程进行组织，最后使用m a k e 工具按照m a k e 6 l e 中指定的命令对源代码进 行编译、链接后生成可执行文件。因此l i n u ) 【很注重版本的对应性，无论从操作系 统、链接工具还是库文件都是如此，高版本的软件很可能无法与低版本的库兼容。 1 6 第二章嵌入式显控系统的设计 因此开发者需要根据软件的运行环境小心地选择自己的软件开发版本。 在显控系统的软件平台上移植的是q t e m b e d d e d 2 3 7 ，因此主机选择了同样 版本的q t 库，与之相对应的，选择了q t x 1 1 2 3 2 安装包安装u i c 和d e s i g n e r 工具， 选择了t m a k e l 1 1 生成相应的m a k e 丘1 e ，编译器选择的版本是3 3 2 。 有关开发环境与交叉编译环境安装的文献已经很多，作者不在此赘述。 2 9 本章小结 本章首先介绍了显控系统的开发流程与开发过程中的技术难点，然后对系统 的功能进行设计，并制定出详细的设计方案。之后分析了显控系统对硬件的需求， 简要介绍了硬件平台、软件平台的构建方法，最后阐述了显控软件的开发流程以 及开发环境与交叉编译环境搭建的方法。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章显控软件的设计与实现 显控系统软件( 以下简称“显控软件”) 是显控系统功能的核心载体，显控系统 功能的多样性也正来源于显控软件的多样性。当系统软硬件平台确定以后，显控 软件的设计便成为确保系统性能最主要的环节。 3 1 功能详细设计 3 1 1 系统输入类功能 1 实现数字软键盘，使用户能够通过触摸屏实现系统配置； 2 使用配置文件记忆用户的设置信息； 3 接收用户控制指令，实现对雷达扫描模式与扫描过程的控制； 4 接收雷达其他子系统发送过来的数据，并作出相应的响应。 3 1 2 系统输出类功能 1 能够显示直角坐标系与极坐标系并实现两个坐标系之间的切换； 2 能够实现点目标在坐标系中的显示与场景成像的类视频显示； 3 能够实现多目标及目标航迹在坐标系中的显示； 4 能够实现探测结果的存储与回放； 5 能够通过相关接口对其他模块发送数据； 6 移植动目标检测与跟踪算法，能够代替信号处理机完成点目标成像运算： 7 能够实现系统关机功能。 3 2 技术难点 1 复杂的软件流程与结构设计 如果只是一个界面，并不需要进行结构设计。但是显控软件是功能较多的中 1 r 第三章显控软件的设计与实现 型软件，需要在开发的初期进行比较详细的流程设计与任务分配。软件结构如同 硬件原理图，搭建了软件的主体框架。如何组织界面与界面之间的关系，界面之 间的功能如何划分，不同界面之间的数据如何共享和传递，都是结构设计需要详 细分析的问题。 2 多线程数据读取 显控软件需要实时地从f p g a 模块读取数据，采用多线程可以保证数据读取 的连续性。多线程之间数据如何共享，如何同步，何时运行，何时结束都需要认 真地设计。 3 多目标及其航迹显示的设计 探测的目标数目是动态的，这种动态如何在显示界面中表现出来? 目标之间 如何区分? 显示目标的同时需要显示目标的航迹，每个目标的航迹需要记忆，对 这种记忆如何管理? 4 图像的类视频显示 接收到的并不是一幅图像，而是一个灰度矩阵。这就需要将矩阵转化为伪彩 色图像。同时要求画面的连续显示，因此伪彩色图像必须以类视频的方式显示出 来。 5 画面闪烁的处理 当数据更新很快的时候，尤其图像更新的时候，画面会闪烁，需要分析闪烁 的原因并找到相应的解决办法。 6 软键盘的设计 系统需要输入参数，但是显控系统并没有键盘，因此需要设计一个可用的软 件盘为系统提供输入功能。 7 配置文件的读写 系统使用配置文件记录操作人员设置的参数，但是配置是动态变化的，因此 配置文件需要与设置一起随动改变。 1 9 电子科技大学硕士学位论文 3 3 设计工作流程 根据显控软件的功能要求，将其工作设计为5 个阶段，软件数据流图如图3 1 所示。 图3 1 显控软件数据流图 1 上电启动 硬件平台上电启动后，自动运行显控软件，启动成功后进入功能引导界面。 2 参数设置 通过功能引导界面，调用参数设置界面，通过软键盘配置系统参数，再使用 接口通信程序将参数传送给各功能模块。配置完成后，接收各模块回发的反馈信 号。配置成功，雷达系统进入工作状态。配置失败，则提示错误信息并返回功能 引导界面。 3 探测信息显示 通过功能引导界面进入扫描成像界面，在点目标成像模式下，接收从f p g a 传送的探测数据，经过算法处理后，得到目标或者多目标的坐标，然后以图形和 字符的方式将坐标信息在液晶屏上显示出来。图形表现为点目标在坐标系中的相 对位置，字符给出该目标在坐标系中的精确坐标。多次探测的坐标信息以航迹的 2 0 第三章显控软件的设计与实现 形式反映出来，表明目标或者多目标短时间内的运动轨迹。 在场景成像模式下，直接接收从d s p 传送的场景图像，以类视频的方式在液 晶屏上显示出来。为了保证图像显示的流畅性，图像显示的速度需要保持在1 8 帧 每秒以上； 在扫描的过程中，可以对系统工作状态进行控制，实现暂停、停止、重新扫 描、模式切换等功能。 4 探测数据的存储与回放 在各种扫描模式下，存储相应的探测结果信息，通过回放按钮对一段时间内 的探测结果进行回放。 5 系统关闭 通过功能引导界面，发送系统关闭指令关闭雷达其他子系统，最后关闭显控 软件。 显控软件最终需要运行在8 寸液晶屏上，因此不能将软件的所有功能都集中 在一个界面上实现，显控软件最终应该是一个多界面的软件。根据软件的工作流 程，将显控软件设计为树形结构，在软件根部为功能引导界面，通过该界面调用 探测显示界面、参数设置界面、扫描模式选择界面与关闭系统命令。 3 4 设计引导界面 功能引导界面是软件启动后最先调用的界面，其主要功能是根据用户控制调 用次级界面。除此之外，还需要发送系统配置信息与接收雷达子系统的反馈信息， 因此该界面还需要调用串口通信模块完成低速数据通信。 系统启动后，首先获取用户配置信息，在开始扫描前将配置信息通过串口发 送给f p g a ，1 s 后侦测f p g a 的反馈数据。约定四个全“1 的整型数据为为配置 成功的数据。在发送数据的过程中，关闭界面输入功能直至反馈成功或者超时。 功能引导界面需要调用的次级界面有3 个，再加上关闭系统按钮，共需要有4 个对应的按钮。为了方便使用，在引导界面上同时提示各个按钮所对应的功能信 息。功能引导界面设计如下图3 2 所示。 2 1 电子科技大学硕士学位论文 3 5 设计综合显示界面 图3 2 功能引导界面 探测结果综合显示界面是显控软件的核心界面，在这个界面中完成的功能主 要包括： 多目标的航迹或者场景成像； 动目标检测与跟踪算法