（通信与信息系统专业论文）拳击机器人的研究.pdf

摘要 摘要 为了适应市场的需要，提升了拳击训练机器人的使用范围，扩大了使用人群。 升级以后的系统不仅可以满足专业拳击运动员的使用，而且可以供人民群众健身 娱乐使用。 在硬件方面，系统选用了s a m s u n g 公司的a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 4 0 ，该处理 器价格低、功耗小、性能高【l 】，提高了系统的可靠性，降低了用户操作部分的体 积，从而更加便于市场的推广。为了缩短开发周期，选用了北京扬创科技有限公 司提供的u t u 2 4 4 0 - s 工控单板机，集成了l c d ( 触摸屏) 控制器、i o o m h z 以太网 控制器、u s b 口、串口以及g p i o 口等。该单板机的这些集成部分完全满足了拳 击训练机器人的硬件需求。 在软件方面，整个系统由内核稳定、移植性好的l i n u x 操作系统管理各项任 务【2 】。主要分为两个部分，驱动编写部分和用户界面部分。其中驱动包括提示灯 驱动，击打点驱动，a d c 转换驱动，以及时钟驱动；用户界面部分采用目前流行 的q t e m b e d d e d ，使显示界面更直观，操作更方便。q t e m b e d d e d 丰富的控件资 源和较好的可移植性给界面的设计以及今后的进一步完善带来了极大的方便。 该系统适用于各个年龄层的人群，可以准确的反应出使用者的锻炼情况，在 使用的同时，该系统本身的语音播报功能使机器人的互动性更加丰富，从而让使 用者在轻松愉快的环境下锻炼身体，更加体现了该系统的娱乐性。该系统是在 l i n u x 操作系统下开发的，为今后功能的继续丰富及代码的移植带来了很大的方 便，系统的整体性还可以继续的改善。 关键词a r m 9 2 0 t ；s 3 c 2 4 4 0 ；q t 北京丁业大学工学硕1 ：学位论文 a b s t r a c t t of u l f i l lt h en e e d so ft h em a r k e t ，w ee n h a l i c et h eu s eo ft h eb o x i n gt r a i n i n g r o b o ta n de x p a n dt h eu s eo fc r o w d t h eu p g r a d e ds y s t e mn o to n l yc o u l ds a t i s f yt h e u s eo ft h ep r o f e s s i o n a lb o x i n ga t h l e t e sb u ta l s oc o u l d p r o v i d ee n t e r t a i n m e n tt op e o p l e a b o u tt h eh a r d w a r e ，t h es y s t e ms e l e c t st h ea r m 9 2 0 tp r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0m a d e b ys a m s u n gc o m p a n y , w h i c hi sl o w - p r i c e da n dw i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d h i g hc a p a b i l i t y , r e d u c i n gt h es i z eo ft h eu s e ro p e r a t i o n ，i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h e s y s t e ma n df a c i l i t a t i n gt h ee x t e n d i n go ft h e m a r k e t t os h o r t e nt h e c y c l eo f d e v e l o p m e n t ，i n d u s t r i a lc o n t r o l l e dm o n o p l a t ep r o c e s s o ru t u 2 4 4 0 一si ss e l e c t e dw h i c h i sp r o v i d e db yb e i ji n gy a n g k et e c h n o l o g yl t d ，m e a n w h i l ei n t e g r a t i n gl c d c o n t r o l l e r , t o u c hs c r e e nc o n t r o l l e r , io o m h ze t h e m e tc o n t r o l l e r , u s b ，u a r ta n dg p i oa n ds o o n t h ei n t e g r a t e de l e m e n t so ft h em o n o - p l a t ep r o c e s s o rf u l l ys a t i s f yt h eh a r d w a r e r e q u i r e m e n to ft h eb o x i n gt r a i n i n gr o b o t a b o u tt h es o f t w a r e ，t h ew h o l es y s t e mi sa d m i n i s t e r e db yt h el i n u xo p e r a t i n g s y s t e mw h i c hh a sas t a b l ek e r n e la n dg o o dt r a n s p l a n t a t i o n t h es o f t w a r ec o u l db e d i v i d e da st w op a r t s ，d r i v ec o m p i l i n ga n du s e ri n t e r f a c e a m o n gt h e m ，d r i v ei n c l u d e s k e y l e dd r i v e ，f i g h tk e yd r i v e ，a d cc o n v e r s i o nd r i v ea n dc l o c kd r i v e ；t h eu s e r i n t e r f a c em a k e su s eo ft h ec u r r e n tp o p u l a ro t e m b e d d e d ，w h i c hm a k e st h ei n t e r f a c e m o r ev i s u a la n dt h eo p e r a t i o nm o r ec o n v e n i e n t p l e n t yc o n t r o l l e rr e s o u r c ea n dg o o d t r a n s p l a n t a t i o no fq t e m b e d d e db r i n gi nh u g ec o n v e n i e n c et ot h ed e s i g n i n go ft h e i n t e r f a c ea n dm o r ei m p r o v e m e n tf o rt h ef u t u r e t h es y s t e mi ss u i t a b l ef o rp e o p l eo fd i f f e r e n ta g ea n dc o u l dc o r r e c t l yr e f l e c tt h e t r a i n i n gc o n d i t i o no ft h eu s e r m e a n w h i l e ，t h es o u n db r o a d c a s t i n gf u n c t i o no ft h e s y s t e me n r i c h e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh u m a na n dt h er o b o t ，w h i c hm a k e s t h eu s e rar e l a x e de n v i r o n m e n tf o re x e r c i s i n ga n de m b o d i e st h ee n t e r t a i n m e n t f u n c t i o no ft h es y s t e m t h es y s t e mi s d e v e l o p e du n d e rl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ， p r o v i d i n gh u g e c o n v e n i e n c et ot h ee n r i c h m e n to ff u n c t i o n sa f t e r w a r da n d t r a n s p l a n t a t i o no fc o d e ，a n dt h ei n t e g r a t i o nc o u l db ef u r t h e ri m p r o v e d k e y w o r d sa r m 9 2 0 t ；$ 3 c 2 4 4 0 ；q t i i 图例 图例 图2 1 拳击训练机器人系统框图一4 图2 2 嵌入式l i n u x 系统的体系结构7 图2 3q t e m b e d d e d 的实现结构1 0 图2 4u t u 2 4 4 0 s 工控单板机1 l 图2 5 人形靶模拟图1 4 图2 - 6 击打点结构图1 5 图2 7 击打点分布图1 5 图2 8l e d 驱动电路图1 5 图2 9l e d 部分电路图1 6 图2 1 0p c b 与人形靶接口图1 7 图2 1 lc d 4 0 9 3 内部原理图1 7 图2 1 27 5 4 5 2 内部原理图1 8 图2 1 3 击打点控制电路图1 8 图2 1 4 用户操作界面2 l 图2 1 5a d c 和触摸屏的接口结构图2 2 图2 1 6p c b 图2 4 图3 1 电压测量界面图2 6 图3 2 拳击机器人开机界面2 7 图3 3 娱乐模式界面2 7 图3 4 娱乐训练结果界面2 8 图3 5 娱乐模式程序设计流程图2 9 图3 - 6 健身模式界面3 0 图3 7 健身训练结果界面3 0 图3 8 健身模式自选任务界面j 3 l 图3 - 9 健身模式程序设计流程图j 3 2 图3 1 0 训练模式运动员信息界面，3 3 图3 1 1 训练模式方案设置界面3 3 图3 1 2 训练模式训练结果表格界面3 4 图3 1 3 训练模式程序设计流程图3 5 图3 1 4 上位机系统开机界面3 6 图3 1 5 l i n u x 下c 程序编译过程3 8 图3 1 6 交叉开发模式，4 0 图3 一1 7 超级终端界面4 1 图3 18 t e l n e t 登录界面4 2 v 北京工业大学工学硕士学位论文 图4 1l i n u x 输入输出系统中各层次结构和功能4 8 图4 2 设备驱动程序与外界的接口4 9 图4 3 驱动函数之间的关系5 l 图4 _ 4a d c 设计流程i 5 3 图4 5p w m 时钟工作原理5 4 图4 6 实验模拟图5 6 图4 7 压力传感器的输出波形5 8 图4 8 经过中值滤波后的波形5 9 图4 9k 值与初始电压v o 的关系曲线6 1 图4 1 0 开关点的结构图6 2 图4 1 l 拳重测量程序流程图6 3 v l 表例 表例 表4 - 1k 值实验数据：6 0 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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了谢意。 签名：刘2 , j日期：矽。 7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：型兰生 导师签名：经圣型竺 日期： 劲d 7 s 2j 第l 章绪论 第1 章绪论 随着经济的发展，我国的综合国力得到了不断提高，体育事业也得到了飞速 发展。从2 0 0 4 年雅典奥运会，我国拳击项目获得一块铜牌实现了奖牌零的突破； 到2 0 0 5 年邹市明在第十三届世界拳击锦标赛中夺得金牌，实现了我国拳击在世 界大赛中金牌零的突破；再到2 0 0 6 年多哈亚运会我国选手夺得两枚金牌，给我 国拳击事业的发展创造了良好的环境，同时也说明了我国的拳击事业已经取得了 一定的发展，实力在不断地增强。 1 1 课题研究背景 为了使我国的拳击运动员迅速提高自己的水平，必须给他们创造良好的训练 环境。目前，我国拳击运动员训练的方法和手段基本上采用传统的训练模式，以 沙袋、模拟人形靶、手靶以及力量训练器械为主。而手靶的训练需要教练员的辅 助参与，教练员需要非常好的体能才能适应高强度的训练工作。同时训练记录数 据还没有真正电子化、系统化，以至日后无法对运动员的训练数据进行分析。国 外的训练状况与我国大体相同。实验室与国家体育总局有着多年的合作，并设计 了一套专项体能训练设备，运用计算机技术采集和处理运动员训练时的数据，这 种专项训练设备在国外也还处于起步阶段，而国内开发专项击打训练的电子设备 的产品也较少。 鉴于实际的需要，该拳击训练机器人的部分功能还不能满足运动员及教练员 的要求，故需在原有设备的基础上使用新的技术手段和方法设计新的体系结构完 善其功能，进一步提高设备的稳定性和易用性，在结构上把专项体能训练设备分 作五部分：c p u 模块、人形靶部分、用户操作部分、语音播报部分、数据分析软 件。该套设备已经在国家队使用，在得到运动员肯定的同时也暴露出了许多不足 之处，所以该套设备的功能还需要进一步的完善，另外在易操作和系统易升级方 面也要做进一步的改进，从而使该套设备更好的为专业运动员训练服务以提高运 动员的实战素质，进一步提高我国拳击健儿的竞技水平，使我国的拳击事业走向 新的胜利。 我们在专注运动员专业训练的同时也非常关注我国的“全民健身”运动的开 展。2 0 0 6 年，作者实验室设计的拳击训练机器人通过参加在上海举行的国际工 业博览会，并获得了高校区三等奖的好成绩，受到了社会各界的广泛关注，市场 潜力非常大，通过和相关部门沟通之后，决定将拳击训练机器人投入到人们的日 常生活中去，为人们的健身娱乐服务。从而在提高人民群众的身体素质的同时， 也更好的推动“全民健身”运动的开展。 1 2 本课题的主要内容 本课题主要研究基于a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 4 0 的拳击综合训练系统设计。 北京t 、l k 大学1 二学硕i j 学位论文 由于该套设备将面向不同的人群，所以将该设备分为专业拳击运动员训练、 健身和娱乐三个方面的应用。这三个方面的研究基础是一致的，只是侧重点不同， 在运动员训练方面的应用，该设备要更加专业，其功能要更加完善；在健身、娱 乐两方面的应用，将更加突出机器人的人性化，其中触摸屏操作和语音播报功能 的实现将拉进使用者和该训练机器人的距离，更好的体现互动性。 在以上三个方面的应用中均由五部分组成：c p u 模块、人形靶部分、数据采 集处理部分、语音播报部分、用户操作部分。其中在这三个方面的应用中的不同 侧重点由软件实现，硬件方面基本一致。 c p u 模块是实现本系统设计的主体。它为本系统提供了硬件平台，使用 u t u 2 4 4 0 一s 工控单板机，该单板机所集成的硬件部分完全满足了本系统设计的需 要，这样就省去了设计硬件电路的时问，缩短了开发周期。 人形靶部分是使用者所击打的对象。该部分包括击打点模块和机器人机身， 其中击打点模块是机器人不可缺少的部分，击打点提示灯通过改变点亮位置和点 亮时间来训练使用者的反应速度；机身气袋是用来作a d c 采集用的。 数据采集处理部分是该系统的基础部分。该部分负责采集数据并进行数据处 理，以将训练的结果呈现给使用者。 语音播报部分是为增加入机互动性而添加的。该部分是由王红同学完成的。 在使用者的使用过程中，配合语音播报，从而将枯燥无味的训练转变成生动有趣 的训练，调动了使用者训练的积极性。 用户操作部分是使用者和机器人交互的平台。该部分由触摸屏作为交互的载 体，使用者通过使用触摸屏来为机器人进行设置。这种交互方式使得操作更加方 便直观，从而让使用者不需要专业培训，自己就能完成对机器人的操作。 为了今后系统移植的方便，所以选用了当前流行的嵌入式l i n u x 系统作为开 发的软件平台。该系统采用的是l i n u x 2 6 内核，尽管l i n u x2 6 并不是一个真 正的实时操作系统，但其改进的特性能够满足设计的需求。l i n u x2 6 已经在内 核主体中加入了提高中断性能和调度响应时间的改进，其中有三个最显著的改进： 采用可抢占内核、更加有效的调度算法以及同步性的提高。在嵌入式领域，l i n u x 2 6 除了提高其实时性能，系统的移植更加方便，同时添加了新的体系结构和处 理器类型包括对没有硬件控制内存管理方案的m m u - l e s s 系统的支持，可以 支持大容量内存模型、微控制器，同时还改善了i o 子系统，增添更多的多媒体应 用功能p j 。所有的这些优点为系统性能的提高提供了很多帮助。 1 3 本论文结构 论文共分五章，各章的内容安排如下： 绪论部分介绍了本文的研究背景、论文的主要内容以及结构安排。 第二章详细描述了下位机系统的设计，包括嵌入式开发平台的介绍、l i n u x 第1 章绪论 图形用户界面g u i 介绍、c p u 模块、人形靶部分、数据采集处理部分、语音播报 部分和用户操作部分，最后介绍了外接电路板的设计。 第三章描述了下位机软件的设计。详细介绍了三大模式的设计以及嵌入式 l i n u x 环境的搭建。 第四章描述了驱动模块的设计以及拳重测量算法的实现。 论文的最后对全文进行了总结。描述了完成课题所做的主要工作，论文的创 新点以及课题完成后所取得的成果。最后对本课题今后进一步的改进提出了一些 建议。 北京t _ q k 大学t 学硕一l - 学位论文 第2 章下位机系统设计 在进行下位机系统的设计时，使用了嵌入式l i n u x 作为该系统软件的开发平 台，方便了软件的开发和移植；使用u t u 2 4 4 0 - s 工控单板机作为硬件开发平台， 方便了系统的硬件的开发。 拳击训练机器人由c p u 模块、人形靶部分、数据采集处理部分、语音播报部 分和用户操作部分组成。系统组成如图2 - 1 所示。 图2 - 1 拳击训练机器人系统框图 f i g u r e 2 1b o x i n gt r a i n i n gr o b o ts y s t e md i a g r a m c p u 模块：该c p u 为a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 4 0 ，该处理器主要面向高性价比、 低功耗的应用。系统设计采用的是u t u 2 4 4 0 - s 工控单板机，该单板机已经集成 了系统设计所需要的硬件模块。将嵌入式l i n u x 操作系统移植到该单板机上，其 大量的开源代码以及驱动程序的模块化，给系统开发带来了很多方便。 人形靶部分：人形靶是使用者击打的对象，它是由气袋以及击打点组成的。 其中气袋是测量力量的工具，气袋被击打后将会发生变化，由压力传感器将该变 化值采集并记录下来。击打点是起辅助作用的，用来提示使用者击打机器人和判 断何时开始采集压力。 数据采集处理部分：该部分主要负责数据的采集以及对采集到的数据做进一 步处理，将采集到的数据通过相应的算法计算出使用者的击打拳重。 语音播报部分：该部分主要是用来播报使用者的训练结果数据的。为了突出 互动的效果，在使用该系统时，会播报一些问候语；为了让使用者在训练时不至 于感到枯燥，根据击打情况，系统将播报一些互动性的话语以及训练的结果。 用户操作部分：该部分取代了上一代机器人所使用的键盘和液晶屏操作机器 第2 苹f 位机系统哎计 人的方法，采用彩色触摸液晶屏。这种方式给使用者带来了极大的方便，提高了 该系统的使用效率。 以上介绍的各个部分是紧密联系，密不可分的。a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 4 0 作 为本系统的c p u ，是系统的核心部分，它控制系统的其它部分。人形靶部分是使 用者击打的对象，它被击打后由压力传感器采集到压力的变化大小，压力采集和 压力转换都是由数据采集处理部分完成的；而人形靶上的击打点则是由c p u 模块 控制。为了体现系统的互动性，增加了语音播报的功能和触摸屏操作的功能。语 音播报由l i n u x 下的m a d p l a y 播放器完成。用户操作部分由触摸屏实现，在该操 作部分中，将训练分成了娱乐模式、健身模式和训练模式三大部分，这三大模式 是针对不同人群而设置的，其中娱乐模式适合于老人及儿童，健身模式适合于喜 欢日常锻炼身体的人群，训练模式则适合于专业拳击运动员使用。语音播报和用 户操作也是由c p u 模块控制的。每个部分的功能各不相同，但又相互联系，共同 组成了整个系统。 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1 嵌入式系统简介 在p c 机上，l i n u x 已经成为优秀的计算机操作系统。各种l i n u x 发行版本， 可以直接在p c 上安装，功能十分强大。它不仅能够支持各种处理器和外围设备 接口，而且提供了图形化的用户交互界面和丰富的开发环境，更重要的是l i n u x 系统性能稳定。它为开发者提供了以下功能【4 】。 非常稳定的多任务操作系统 丰富的设备驱动程序支持和网络工具 强大的s h e l l 本地编译器 编辑器 图形化的用户界面 科技飞速发展的今天，嵌入式系统已经成为当今科技最为热门的领域之一， 它迅猛的发展势头已经引起了社会各方面人士的关注。人们的日常用品中，如家 用电器、手机和p s p 等尖端设备中，如信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空和 军事装备等。嵌入式系统是科技高速发展的产物，它是以应用为中心，以计算机 技术为基础，软件硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功 耗严格要求的专用计算机系统。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入 式操作系统以及用户应用软件等部分组成。它具有“嵌入性”、“专用性 与“计 算机系统 的三个基本要素【5 1 。 上面是对嵌入式系统的简单介绍，而作者开发所选用的是嵌入式l i n u x 系 北京工业大学工学硕一 ：学位论文 统，下面将对嵌入式l i n u x 系统做详细的介绍。 2 1 2 嵌入式l i n u x 系统特点 嵌入式l i n u x 系统有许多特剧6 j ： 第一，嵌入式l i n u x 开放源代码，这使得学习、修改、裁剪l i n u x 成为可 能，嵌入式系统的设计者可以对嵌入式l i n u x 进行二次开发，去掉操作系统的附 加功能，只保留必须的操作系统功能。而目前大多数的商用操作系统，要么不提 供源代码，要么购买源代码要支付高额的版本费用，相比之下，嵌入式l i n u x 这 一优点对于对成本和能耗极为敏感的嵌入式产品是十分重要的。 第二，成本低，来源于l i n u x 的嵌入式l i n u x 是开放源代码的自由软件，遵 循g p l 协议，嵌入式l i n u x 的源代码可以自由获得，使用嵌入式l i n u x 开发嵌 入式应用，用于购买嵌入式操作系统的费用可以忽略不计。而商业操作系统其操 作系统的每个拷贝售价在几百美元到几万美元不等，如果需要操作系统的源代 码，则还需要另外购买。嵌入式l i n u x 的开发工具也可以免费获得。 第三，强大的网络支持功能。嵌入式l i n u x 诞生于因特网时代并具有u n i x 的 特性；保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将 其开发成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、 r o m f s 等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 第四，优秀的开发工具。开发嵌入式系统的关键是需要有一套完善的开发和 调试工具。在线仿真器的价格非常昂贵，而且只适合做非常底层的调试。如果使 用的是嵌入式l i n u x ，一旦软硬件能够支持正常的串口功能时，即使不用在线仿 真器也可以很好地进行开发和调试工作，从而节省了一笔不小的开发费用。嵌入 式l i n u x 具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环 境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。l i n u x 也符合i e e ep o s i x 1 标 准，使应用程序具有较好的可移植性。 第五，广泛的硬件支持。嵌入式l i n u x 支持的硬件平台很多，包括x 8 6 、a r m 、 m i p s 、a l p h a 、p o w e r p c 等多种体系结构，目前已经成功移植到数十种硬件平台， 几乎能够运行在所有流行的c p u 上，支持各种主流硬件设备和最新的硬件技术。 因此嵌入式l i n u x 的移植是嵌入式开发中的热点。 而本系统的设计便是采用了a r m 作为硬件平台，恰恰是嵌入式l i n u x 所支持 的硬件平台之一，所有的这些特点都给本系统的开发提供了便利的条件。 2 1 3 嵌入式l i n u x 系统的体系结构 嵌入式l i n u x 系统作为一类特殊的计算机系统，一般包括以下3 个方面：硬 件设备、嵌入式操作系统和应用软件。它们之间的关系如图2 2 所示。 第2 章下位机系统设计 曼! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼! ! 曼曼! ! ! ! 曼曼! ! ! ! 曼! ! 曼! ! 曼曼! ! ! 皂! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! i 一 一| 1 1 1 曼曼! ! 曼! 图2 2 嵌入式l i n u x 系统的体系结构f j f i g u r e 2 - 2e m b e d d e dl i n u xs y s t e ma r c h i t e c t u r e 硬件设备包括嵌入式处理器和外围设备。其中嵌入式处理器是嵌入式系统的 核心部分，它与通用处理器最大的区别在于，嵌入式处理器大多工作在为特定用 户群所专门设计的系统中，它将通用处理器中许多由板卡完成的任务集成到芯片 内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可 靠性。如今，全世界嵌入式处理器已经超过1 0 0 0 多种，流行的体系结构有3 0 多 个系列，其中以a r m 、p o w e r p c 、m c6 8 0 0 0 、m i p s 等使用得最为广泛。外围设备 是嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。目前 常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备( 如r a m 、s r a i 、f l a s h 等) 、通 信设备( 如r s 2 3 2 接口、s p i 接口、以太网接口等) 和显示设备( 如显示屏等) 3 类。 嵌入式操作系统不仅具有通用操作系统的一般功能，如向上提供对用户的接 口( 如图形界面、库函数a p i 等) ，向下提供与硬件设备交互的接口( 硬件驱动程 序等) ，管理复杂的系统资源，同时，它还在系统实时性、硬件依赖性、软件固 化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。 应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预 期目标的计算机软件。由于嵌入式系统自身的特点，决定了嵌入式应用软件不仅 要求做到准确性、安全陛和稳定性等方面需要，而且还要尽可能地进行代码优化， 以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本【8 j 。 2 。1 。4a r m 的嵌入式l i n u x 系统的移植 嵌入式l i n u x 系统包含b o o t l o a d e r ( 引导程序) 、内核和文件系统三部分【9 】。 对于嵌入式l i n u x 系统来说，这三个部分是必不可少的。 北京i 一, i k 入学t 学硕i j 学位论文 对于计算机系统来说，从开机上电到操作系统启动需要一个引导过程。嵌入 式l i n u x 系统同样离不开引导程序，这个引导程序就叫作b o o t l o a d e r 。 b o o t l o a d e r 是在操作系统运行之前执行的一段小程序，通过这个小程序，可以 初始化硬件设备、建立内存空间的映射表，从而建立适当的系统软硬件环境。对 于嵌入式系统，b o o t l o a d e r 是基于特定的硬件平台来实现的，它不但依赖于c p u 的体系结构，而且依赖于具体的嵌入式系统板级设备的配置。但是大部分的 b o o t l o a d e r 又是存在很多共性的，这就为我们修改和移植b o o t l o a d e r 提供了方 便。本系统在设计时，采用的是u - b o o t ( 通用的b o o t l o a d e r ) ，而u b o o t 已经 能够支持该开发板的c p u 。u - b o o t 的源码包可以从许多开源软件的网站下载。如 s o u r c e f o r g e 网站。 内核移植就是从一种硬件平台转移到另外一种硬件平台上运行。内核移植的 主要工作是修改跟硬件平台相关的代码，一般不会涉及到l i n u x 内核通用的程 序。l i n u x 对于特定的硬件平台的软件就叫做作b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 。 由于l i n u x 内核具备可移植性的特点，并且已经支持了各种体系结构的很多种目 标板，所以很容易就能从中找到与自己硬件类似的目标板，参考内核已经支持的 目标板来移植b s p ，就如同使用模版一样。 最后一部分就是移植文件系统。本系统采用的是y a f f s 文件系统，它是基于 日志的文件系统，为大容量的f l a s h 芯片做了很好的调整，针对启动时间和r a m 的使用做了优化。它适用于大容量的存储设备u o j 。 在开发本系统时采用的是北京扬创科技有限公司提供的u b o o t ，内核以及 文件系统，其中对文件系统做了必要的裁减。 2 2l i n u x 图形用户界面g u i 简介 本系统的用户操作界面是在l i n u x 下开发的，在本节简单介绍一下l i n u x 图 形用户界面g u i ，并着重介绍了开发本系统所使用的g u i 工具叫t e m b e d d e d 。 2 2 1g u i 简介 所谓g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) ，就是图形用户界面。图形用户界面的 广泛流行是当今计算机技术的重大成就之一，它极大地方便了非专业用户的使 用，人们不再需要死记硬背大量的命令，而可以通过窗口、菜单方便地操作，它 主要特征有三点【1 2 l ： w i m p ，其中w ( w i n d o w s ) 指窗口，是用户或系统的一个工作区域。一个 屏幕上可以有多个窗口。i ( i c o n s ) 指图标，是形象化的图形标志，易于 人们隐喻和理解。m ( m e n u ) 指菜单，可供用户选择功能提示。p ( p o i n t i n g d e v i c e s ) 指鼠标等，便于用户直接对屏幕对象进行操作。 用户模型。g u i 采用了不少d e s k t o p 桌面办公的隐喻，让使用者共享一 第2 章下位机系统设计 个直观的界面框架。由于人们熟悉办公桌的情况，因而对计算机显示的 图标的含义容易理解，诸如：文件夹、收件箱、画笔、工作簿、钥匙及 时钟。 直接操作。过去的界面不仅需要记忆大量命令，而且需要制定操作对象 的位置，如行号、空格数、x 及y 的坐标等。采用g u i 后，用户可直接 对屏幕上的对象进行操作，如拖动、删除、插入以及放大和旋转等。用 户执行操作后，屏幕能立即给出反馈信息或结果，称为所见即所得( w h a t y o us e ei sw h a ty o ug e t ，w y s l w h y ) 。用视、点( 鼠标) 代替了记、击 ( 键盘) ，给用户带来了方便。 通常所见的g u i 都是位于p c 机上的，但是在p c 上g u i 并不适合嵌入式系统， 嵌入式设备有严格的资源要求( 比如十分有限的存储空间) 。同时嵌入式系统经 常有一些特殊的要求，而普通的p c 上的图形窗口系统是不能满足这些要求的。 比如特殊的外观效果，控制提供给用户的函数，提高装载速度，特殊的底层图形 或输入设备。因此可见嵌入式系统必定要有自己的g u i 。 综上所述，嵌入式g u i 就是在嵌入式系统中为特定的硬件设备或环境而设计 的图形用户界面系统【1 3 1 。所以嵌入式g u i 不但要具有以上有关g u i 的特征，而且 在实际应用中，嵌入式系统对它来说还有如下的基本要求： 轻型，占用资源少 高性能 高可靠性 可配置 2 2 2q t e m b e d d e d 简介 目前嵌入式l i n u x 的主流g u i 系统主要有m i n i g u l 、m i c r o w i n d o w s 、o p e n g u l 、 o t e m b e d d e d ，这些g u i 在接口定义、体系结构、功能特性存在很大差别，采取 的技术路线也有所不同。m i n i g u i 是建立在比较成熟的图形引擎之上，开发的重 点在于窗口系统，其小巧精致并且尽量与w i n 3 2 兼容。m i c r o w i n d o w s 目前开发 的重点在底层的图形引擎，窗口系统和图形接口方面功能比较欠缺，与w i n 3 2 和 xw i n d o w s 窗口系统保持兼容，提供了相对完善的图形功能。o p e n g u l 基于一个 用汇编实现的x 8 6 图形内核，提供了一个高层的c c + + 图形窗口接口，它的资 源消耗小，可移植性差，不支持多进程。 o t e m b e d d e d 是一个多平台的c + 十图形用户界面应用程序框架，其对象容易 扩展，可移植性好，支持多个g u i 平台的交互开发。现在，q t e m b e d d e d 已经被 广泛地应用于各种嵌入式产品和设备中，从消费电器( 如智能手机、机顶盒) 到 工业控制设备( 如医学成像设备、移动信息系统等) 。 q t e 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，与x 1 1 北京工业大学t 学硕士学位论文 版本的q t 在最大程度上接口兼容，采用帧缓存( f r a m e b u f f e r ) 作为底层图形接 口。q t g m b e d d e d 的类库完全采用c + + 封装，并且有着丰富的控件资源以及较好 的可移植性，大范围的q t g m b e d d e da p i 可用于多种开发项目。q t g m b e d d e d 的 实现结构如图2 3 所示： o t e m b e d d e d 应用程序 q w s s e r v e r - - 图形事件服务 l q t g m b e d d e d f z a ：m e b u f f e r 1 输入设备驱动 i l i n u x 操作系统 底层硬件平台 图2 3q t g m b e d d e d 的实现结构【l 叫 f i g u r e 2 3q t e m b e d d e di m p l e m e n ts t r u c t u r e s q t g m b e d d e d 的底层图形引擎基于f r a m e b u f f e r 。f r a m e b u f f e r 是一种驱动 程序接口，它将显示设备抽象为帧缓冲区。该驱动程序的设备文件一般是 d e v f b o 、d e v f b l 等。对用户而言，它和d e v 下的其他设备没有什么区别， 用户可以把f r a m e b u f f e r 看成一块内存，既可以从这块内存中读取数据，也可以 向其中写入数据，而写操作立即反应在屏幕上。为运行q t e m b e d d e d ，嵌入式 l i n u x 内核要支持f r a m e b u f f e r 。q t e m b e d d e d 是q t 的面向嵌入式应用的简化版 本，它包括一组完备的g u i 类、操作系统封装、数据结构类、功能类和组合类。 大部分q t 的应用程序可以经过简单的编译与重设窗口大小移植到q t e m b e d d e d 。 q t o p i a 是一个基于o t e m b e d d e d 开发的一个嵌入式的桌面环境和应用程序 集，如地址本、图像浏览、m e d i a 播放器等，还包括娱乐和配置工具，广泛用于 p d a 等掌上设备。可以方便地在q t o p i a 桌面环境中添加用户应用程序或者对桌 面进行配置。q t o p i a 平台由q t o p i a 库( o t e ，l i b q p e ，l i b q t o p i a l ，q t o p i a p i m ) 和q t o p i as e r v e r l a u c h e r 组成。q t o p i as e r v e r l a u c h e r 是控制窗口系统、进 程问通信、发起所有应用和其他核心任务的主要服务程序。它包含完整的应用层、 灵活的用户界面、应用程序启动程序以及开发框架。q t o p i a 特性如下： 窗口操作系统 游戏和多媒体 工作辅助应用程序 同步框架 p i m 应用程序 1nl e r n el 成用程序 外发环境 输入法 j a c a 集成 本地化支持 个性化选项 无线支持 本系统就是采用ql o p i a 开发的用户操作界面，其友好的界面给人耳目一新 的感觉。 2 3 c p u 模块 本系统采用了集成了a 1 瑚9 2 0 1 处理器系列的$ 3 c 2 4 4 0 的u t u 2 4 4 0 一s 工控单 板机如图2 - 4 。该单扳机为本系统提供了丰富的控件，如音频输入输出、外扩i o 、 网口、串口等，满足了本系统的需求。在实现操作界面方面，采用了三星公司的 l t p 7 0 0 w v f 0 1l e d7 寸8 0 0 x 4 8 0 分辨率t f t 真彩超薄液晶触摸屏，且具有l e d 背光，它具有不用高压逆变器，不发热，功耗低，可长时f n i 作的优点。 幽2 - 4u l u 2 4 4 0s 工控单板机 f 1 9 u m 2 qu t u 2 4 4 0 - si p cs b c 在选择硬件的核心部分c p u 时主要考虑了以下几个方面的因素： 首先，所开发的程序今后可以被方便的移植，所以考虑采用嵌入式l i n u x 系 统，而这种系统支持控制能力非常强的a p 洲9 2 0 t 处理器，所以决定采用当前流行 的三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 处理器。 其次，为了缩短开发的周期，选用a r m 二次开发板该开发板需要集成系统 开发所需要的硬件设备，这样便省去了硬件设计及调试所需的大量时问，将大部 北京工业人学工学硕j 二学位论文 分时间放到嵌入式l i n u x 系统移植以及系统软件开发上。 鉴于以上两点原因，选用了u t u 2 4 4 0 - s 工控单板机，该单板机给使用者提 供了3 4 个g p i o 接口、1 0 0 m 的以太网口、u s b 口、三个u a r t