（机械设计及理论专业论文）煤矿救援用雷达式生命探测仪嵌入式数据终端的开发.pdf

1 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。 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：姬新签名：色亟日期：丝幽 摘夏 摘要 我国作为世界第一产煤大国，从业人员超过1 0 0 万，但煤矿安全问题却一直 形式严峻，矿难新闻不绝于耳。通过对一些煤矿事故进行分析，不难发现几个共 性问题：地面无法对井下人员进行精确人员定位，一旦煤矿事故发生，抢险救灾、 安全救护的效率低，搜救效果差。为此，如何更快地发现生还被困人员并对其进 行精准定位便成为灾后搜救成功与否的关键所在。本课题既为开发一款煤矿救援 用雷达式生命探测仪嵌入式数据终端。 本文首先介绍了国内外有关生命探测方面的嵌入式设备的研究现状，针对其 硬件方面的不足以及在煤矿特殊环境下应用提出了基于a r m + d s p 的非对称多处 理器的硬件架构。其后根据硬件平台以及目前流行的嵌入式开发趋势，选择了 l i n u x 内核。在确定了系统软件的内核后，经过对比现有的g u i 平台与数据库后， 在满足课题要求的前提下根据运行的稳定性，开发的经济性以及体积尽量小巧的 原则，最终在上层软件选择了通过q t e 开发g u i 与通过s q l i l e 开发数据库的组 合。 最后通过交叉编译软硬平台的搭建；对内核进行适合的裁减；嵌入式硬件平 台上b o o t l o a d e r 与内核的烧写；编写h p i 总线驱动程序，并将其按照字符性设 备编译，完成通信模块的开发；通过q t e 中的新建各种控件的方式实现坐标系 模式与地图模式的待救人员位置显示，并将相应的信号与函数插槽连接，在相应 的函数插槽中通过c + + 编程调用s q l i t e 的a p i 完成对数据库的各种操作，并完 成人机交互与数据管理模块的开发。最终完成了煤矿救援用雷达式生命探测仪嵌 入式数据终端的开发过程。 关键词嵌入式；l i n u x ：q t ：s q l i t e a b s t r a c t a b s t r a c t a st h eb i g g e s tc o a l m i n i n gc o u n t r yi nt h ew o r l d ，c h i n ah a sm o r et h a no n e m i l l i o ne m p l o y e e si nt h i si n d u s t r y h o w e v e r , t h ep r o b l e mo fc o a lm i n es a f e t yh a sb e e n s e v e r e n e w so fc o a lm i n ea c c i d e n t sa r ef r e q u e n t l yo nt h en e w s p a p e r a f t e ra n a l y s i s s o m eo ft h ec o a lm i n ea c c i d e n t s ，s e v e r a lc o m m o np r o b l e m sa r ef o u n d ：i ti sh a r df o r g r o u n ds t a f ft og e tt h ea c c u r a t el o c a t i o no fc o a lm i n el a b o u r su n d e r g r o u n d ；o n c ea n a c c i d e n th a p p e n e d ，t h ee f f i c i e n c yo fd i s a s t e rr e l i e fa n ds e a r c h r e s c u ei s v e r yl o w t h e r e f o r e i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo ns u c c e s s f u lr e s c a l eh o wt of i n ds t r a n d e d p e r s o n n e la n dl o c a t et h e i rp o s i t i o na c c u r a t e l y t h i st h e s i si n t r o d u c e sad e v e l o p i n g p r o c e s so fa ne m b e d d e dr e a rs y s t e mo far a d a rl i f e d e t e c t i n g i nt h i st h e s i s ，f i r s ta ni n t r o d u c t i o no ft h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yi nl i f ed e t e c t i n g s y s t e ma n dt h er e s e a r c ho fe q u i p m e n ta r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h ed i s a d v a n t a g eo f e x i s t e dh a r d w a r ea n da p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，w ed e v e l o p e dah a r d w a r es y s t e mi n a s y m m e t r yp r o c e s s o rf r a m eb a s e do na r m + d sp a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m a n dp r e v a l e n te m b e d d e dd e v e l o p i n gt r e n d ，l i n u xh a sb e e nc h o s e na st h ek e m e l a f t e r t h es o f t w a r ek e r n e lh a db e e nf i x e d t h eg u id e v e l o p i n gp l a t f o r l na n dd a t a b a s eh a v e b e e nc o m p a r e di ne a c hf i e l d i nm e e t i n gt h ed e m a n do fo u rp r o j e c t ，q t ea n ds q l i t e a r ec h o s e nb a s e do ns t a b i l i t y ，e c o n o m ya n dc o m p a c t n e s s a tl a s t ，a f t e rt h ec r o s sc o m p i l ep l a t f o r mh a sb e e nb u i l ta n dt h eb o o t l o a d e ra n d k e m e lh a v e b e e nb u r n e di nt h ee m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m ；t h i st h e s i ss h o w sh o wt o c o d et h eh p ib u sd r i v e rp r o g r a m ，a n dh o wt oc o m p i l et h ec o d e sa sc h a r a c t e rd e v i c e f i l et of i n i s ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t e dm o d u l e t h ed a t am o d u l ea n d i n t e r f a c em o d u l eh a v eb e e nf i n i s h e db yc r e a t i n gc o m p o n e n t st os h o wt h es t r a n d e d l a b o u r sp o s i t i o ni nc o o r d i n a t em o d e la n dm a p m o d e l ，c o n n e c t i n gt h es i g n a la n ds l o ti n f u n c t i o n c a l l i n gt h es q l i t e sa p ii nc o r r e s p o n d i n gf u n c t i o nd u r i n gc + + p r o g r a m m i n g f i n a l l y t h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fa ne m b e d d e dr e a rs y s t e mo far a d a r1 i f e - d e t e c t i n gi s a c c o m p l i s h e d k e yw o r d se m b e d d e ds y s t e m ；l i n u x ；q t ；s q l i t e u 北京t 业人学t 学硕i + 学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究意义1 1 2 国内外的研究现状2 1 3 研究任务及主要工作一5 2 1 系统总体介绍6 2 1 1 硬件部分6 2 1 2 软件部分。8 2 2 开发环境的建立9 2 2 1 交叉编译9 2 2 2 图形用户界面开发环境的建立1 0 2 2 3 嵌入式数据库开发环境的建立1 4 2 3 本章小结1 7 第3 章通信模块的开发。1 8 3 1h p i 通信协议18 3 2 通过h p i 总线读写的实现：2 1 3 3d s p 驱动的开发2 5 3 4 本章小结2 9 第4 章数据管理模块及人机接口模块的开发3 0 4 1 数据管理模块的开发3 0 4 2 人机接口模块模块的开发3 4 4 2 1q t e m b e d d e d 编程3 4 4 2 2q t e m b e d d e d 的图形开发3 8 4 3 系统的运行4 6 4 4 本章小结4 8 结论4 9 参考文献5 0 北京t 业人学t 学顾i j 学位论文 攻读硕士学位期间所发表的学术论文5 3 致谢5 4 第1 章绪论 1 1 研究意义 第1 章绪论 煤矿是我国的主要能源，我国也是世界第一产煤大国，从业人员超过1 0 0 万。随着我国经济的不断发展，矿产开采深度的加大，开采强度的不断增强，采 矿安全问题日益凸显。【1 】我国煤矿安全事故仍然处于高发态势，重、特大事故尚 未得到有效遏制。在分析近期几个煤矿发生的特大事故时发现几个共性问题：地 面与井下人员的信息沟通不及时；地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及 作业情况，进行精确人员定位；一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护的效率 低，搜救效果差。为此，如何更快地发现生还被困人员并对其进行精准定位便成 为灾后搜救成功与否的关键所在。如何有效增大雷达系统在潮湿煤岩层环境下的 探测距离是雷达式生命探测仪能否更好地应用于井下救援的关键问题之一，为 此，构想的雷达式生命探测仪( 以下简称生命探测仪) 将基于低频二次雷达，二 次雷达与一次 目标，二次雷 器”。工作时， 个系统固定时 系统原理见下 北京- e q k 人宇t 7 ：f 毋! i j 宁1 谚论文 本课题按照“模块化”的原则对雷达进行设计，各模块之间采用电缆或无线通 信的方式连接。这样设计有两大优点：一方面有助于调试，系统出现故障可以分 块派出，如果需要对某一模块电路进行改进，只需要将该模块段可即可；另一方 面有助于消除各单元电路之间的干扰，从而降低干扰对检测信号信噪比的影响。 生命探测仪包括以下部分： ( 1 ) 雷达系统f j i 端 ( 2 ) 人载应答器 ( 3 ) 预处理器 ( 4 ) 数据处理器 ( 5 ) 数据显示，保存及打印终端 。 其中作为最后一部分的数据终端是生命探测仪不可或缺的一部分，它的功能 类似p d a ，作为一种嵌入式设备，它的作用是将数据处理器( d s p ) 处理好的距 离方位等数据信息通过上下位机间通信传输到数据终端，将待救人员的位置信息 通过友好易用的人机界面直观的显示给煤矿抢险救援人员，并根据需要提供通过 u s b 接口将数据传输到移动存储设备，或在打印机上将结果打印出来的支持， 以及与p c 机进行通信的支持。这些操作都需要大量的数据交互，统需处理的数 据量不大的情况下，数据的管理还比较容易，当系统数据量增大到一定规模，一 般系统中都采用文件系统来进行管理。在文件系统中，数据按内容、结构和用途 组成一系列命名的文件，用户可以通过操作系统对文件进行打开、读、写、定位 和关闭等操作。在这种情况下，我们就需要引入一种既满足基本功能需求，又能 保持性能及体积的特殊文件系统嵌入式数据库。然而由于应用目的的不同， 面向煤矿井上监控系统的嵌入式数据库与其它应用的嵌入式数据库又存在着一 些不同之处。煤矿井上监控系统中的嵌入式数据有如下特点：用到的数据类型 较少，支持的数据类型通常包括整型、字符型、字符串型、浮点型几种；其实时 性要求较高，数据处理容量较大，要求有较快的数据存取速度，但一般只需要提 供基本的条件查询。 1 2 国内外的研究现状 生命探测仪是伴随着生物医学工程、雷达以及电子技术的发展以及军事、医 学、社会的需要而产生的。有文献l 】表明该技术的研究主要集中在美国、日本、 德国以及俄罗斯等国家。对现有的探测设备进行分类，主要基于以下几种原理： ( 1 ) 光学探测法 利用光学成像原理研制的类似于摄像头探测仪，可以深入到废墟底下探测被 困人员是否存在。优点是系统简单、便携性好、结果直观。 2 第1 币绪论 ( 2 ) 红外线探测法 所有不处于绝对零度的物体均会发出不同波长的电磁辐射，基于这一原理， 红外热成像仪利用热释电传感器，感受人体释放的红外线信号，从而实现对人的 定位。 ( 3 ) 声波探测法 声频探测是一项比较成熟的探测技术，它是通过利用声频传感器来感知声 音，并传出电信号，经放大后显示出声频图谱的技术。 ( 4 ) 人体生物电场感应法 美国d k i j 生命卫士实验室利用感受人体的生物电场新技术，研制出d k l 生命探测仪。d k f l d k l 生命探测器是借着感应人体所发出超低频电波产生之 电场( 由心脏产生) 来找到“活人 的位置。d k f l d k l 配备特殊电波过滤器可将 其它动物，诸如狗、猫、牛、马、猪等不同于人类的频率加以过滤去除，使d k f l d k l 生命探测器只会感应到人类所发出的频率产生之电场。 ( 5 ) 基于r f i d 射频身份识别技术的系统定位法 r f i d ( 无线射频识别技术) 是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是 利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 传输特性，实现对被识别物体的自 动识别。r f i d 定位系统主要由地面控制中心、井下基站以及人载通信器组成。 c m c 负责整个通信定位系统的管理与控制，通过地面管理中心可以对井下人员 以及相应设备进行实时的监控。 ( 6 ) 雷达探测法 电磁波照射人体后，根据多普勒原理其反射波中必然加载有人体的生理信 息，人体微动与回波频率等之间具有相关性，而人体生理运动( 如心跳、呼吸) 会 引起人体表面微动。发射信号与接收信号混频后得到一反映了目标距离和人体生 命特征的调相信号。对该信号进行滤波、检波、a d 转换、数字信号分析等处理， 可以得到人体的生命信息【1 2 】。 但是有生命探测仪的数据终端的报道确很少见到。有资料报道，荷兰海牙 n t o 物理与电子实验室开发了一种手持式穿墙雷达，用于城市作战和反恐特种 作战。该仪器由雷达收发两用机、一个p a d 型显示和处理单元以及一个电池连 接器组成。为了获得障碍物后面的人的精确位置，它采用两个传感器( g p s 或者 固定不变的双路连接) 同步操作，进行三角测量，并使用高分辨率雷达处理，不 仅可以观测到心影御呼吸信号，还可以显示障碍物后面人的外貌细节f 1 3 】。 目前，第四军医大学已研制出我国首台雷达式生命探测仪，其研究成果现阶 段处于国内领先水平。但由于其前期研制的雷达式生命探测仪主要是基于p c 机 实现数据处理和控制功能。这种系统虽然从功能上满足了雷达式生命探测仪的使 用需求，但由于其体积较大、重量较重，不便于携带，并不能满足生命探测仪在 3 北京t 业入学t 学坝l 学位论义 抢险救灾中的实际使用需求。文献【1 4 】【1 5 表明，第四军医大学已经开展雷达生 命探测仪数据处理及控制设备的小型化技术的研究，提出了m c u + d s p + a d 芯 片的解决方案。但文献 1 6 1 显示目前他们开发的数据处理设备面临着显示输出及 刷新屏幕延迟明显，无法实时显示等诸多的问题，根据这些情况，本课题提出了 采用嵌入式处理器代替控制器的全新解决方案。 自从2 0 世纪9 0 年代以来，嵌入式技术全面展开，目f j i 已成为数字类产品的 共同发展方向。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，g u i 屏幕为中心的多 媒体界面给人很大的亲和力。采用嵌入式技术开发雷达式生命探测仪数据终端不 论从功能上还是使用需求上无疑都是最佳的选择。但是随着嵌入式设备应用的不 断深入，单一架构的处理器已经越来越难以满足诸如数据处理、进程调度以及和 外设通信各方面对处理器要求较高的复杂需求。在这样考虑下，目前一些嵌入式 处理器的研究趋势主要是将任务管理、通信、人机交互、数字信号处理等功能较 为不同的模块通过各种方式组织起来。目前这种结合的趋势有两种：一种是对称 多处理器方式，这种方式在一个芯片中既可以包含r i s c 处理器核心、d s p 以及 绘图核心、存储器控制器、i o 等等不同的部分，只需一套开发工具，即可完成 开发，如a d i 公司的b l a c k f i n 系列处理器；另一种是非对称多处理器方式，既 r i s c + d s p 方式，这种方式将两个处理器通过总线相连接，需要两套丌发工具分 别对r i s c 与d s p 处理器丌发，然而这种方式有着及大的成本优势。本课题既是 采用的后面一种方式，用a r m 处理器取代前述第四军医大学的数据终端解决方 案中的单片机作为作为处理器，仍然保留的d s p 处理器进行数据的计算。这种 模式不但解决了数据无法时实显示的问题，而且可以通过嵌入式数据库对大量的 数据进行管理，而这也就要求研究人员开发出一款全新的应用程序。根据a r m 处理器运算速度快并且支持丰富的外设的特点，新的应用程序除了能对数据库进 行查找，选择和读写等操作外还要拥有简单易用操作操作界面，方便救援人员的 使用。 有关嵌入式操作系统软件方面，近十年来发展迅速，也有相当部分的成熟软 件系统。国外商品化的嵌入式实时操作系统，已进入我国市场的有w i n d r i v e r 、 m i c r o s o r 、q n x 和n u c l e a r 等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银 ( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s y s t e m ，中科院推出的h o p e n 嵌入式 操作系统。这无疑促进了嵌入式系统空前繁荣的局面，但这些专用的操作系统都 是商业化产品，其高昂的价格不仅使一些中小公司忘而却步，并且其源代码的封 闭性也大大限制了开发者的积极性。因此丌源的l i n u x 在嵌入式领域异军突起， 蓬勃发展。l i n u x 为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是个和u n i x 相似、以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。支持广泛的 计算机硬件，包括x 8 6 ，a l p h a ，s p a r e ，m i p s ，p p c ，a r m ，n e c ，m o t o r o l a 等现 4 第l 帚绪论 有的大部分蕊片。程序源码全部公开，任何人可以修改并在g n u 通用公共许可 证( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行，这样，开发人员可以对操作系统进行定 制，再也不必担心像m sw i n d o w s 操作系统中“后门的威胁。同时由于有g p l 的控制，大家开发的东西大都相互兼容，不会走向分裂之路。l i n u x 带有u n i x 用 户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的应用软件都已移植到了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口管理器( xw i n d o w s ) 。 其强大的语言编译器g c c 、g + + 等也可以很容易得到。不但成熟完善、而且使用 方便。目前n e c 、索尼已在销售个人视频录象机等基于l i n u x 的消费类电子产 品，摩托罗拉也已在其智能手机上全面普及了l i n u x 操作系统。 1 3 研究任务及主要工作 本课题的最终任务是根据需求开发出一款合适的煤矿救援用生命探测仪的 数据终端，但因为种种原因，硬件部分仅进行了系统结构的设计，只是使用开发 平台进行仿镇实验并没有开发出实物。因此本课题的重点也就在软件的开发。在 本课题的软件开发过程中除了进行一些功能模块的开发外，还编写了未来制造煤 矿救援用生命探测仪的数据终端实物时需要的一些外部外部设备驱动程序，为未 来的后续的研制打好了基础。 本课题的数据终端的丌发是一个软硬件紧密结合的过程，在对操作系统内核 裁减时需要尽量精简，同时在交叉编译时也要注意源代码的体积，利用最低的资 源实现需要的功能，降低系统功耗和成本；同时考虑到煤矿救援设备要求数据显 示直观，具体的特殊性，此终端还须提供一个友好易用的图形化界面。本课题的 主要工作内容如下： 与课题内容相关的软件和硬件资料的收集与整理， l i n u x 内核的配置与编译系统的研究，系统开发环境的建立， 图形用户界面的开发与移植， 嵌入式数据库的研究及开发， a r m 处理器与d s p 处理器通信接口的研究及开发。 5 北京t 业人学t 学硕l 学位论文 第2 章系统总体和开发环境的建立 2 1 系统总体介绍 本课题为用于煤矿救援的雷达式生命探测仪数终端研制。主要分成两部分， 包括硬件和软件的开发，下面分别进行阐述。 2 1 1 硬件部分 本课题计划研制的终端采用a r m 做c p u ，d s p 做数据处理器，板载存储设 备为6 4 mr o m ，6 4 mr a m ，终端还包括一个彩色液晶触摸屏做为输入输出设备， 同时还提供丰富的外围接口支持，包括现在很多设备都支持的u s b 串行通信接 口以及和d s p 和p c 机进行上下位机通信的通信接口。外设部分示意图如下： 图2 1 外设部分示意图 f i g 2 - 1p e r i p h e r a le q u i p m e n ts c h e m a t i cd i a g r a m 本课题采用三星公司基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 做c p u ，$ 3 c 2 4 1 0 芯片 是三星公司专门为p d a 、i n t e m e t 设备和手持设备等开发的高性能、低功耗的微 处理器，工作频率2 0 3 m h z ，采用2 7 2 脚f b g a 封装，内含一个a r m 9 2 0 t 内核 和如下片内外围【1 7 】： 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示器) s d r a m 控制器 3 个通道的u a r t 4 个通道的d m a 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟 6 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b g d p 为高性能3 2 位浮点d s p ，适用与专业音频信号处理，其主 频可达3 0 0 m h z ，处理速度高达2 4 0 0 m i p s 1 8 0 0 m f l o p s 。c 6 7 1 3 采用了2 级c a c h e 结构，片上共有2 6 4 k 8 位存储器，其中4 k 8 位l 1 pc a c h e 、4 k 8 位l 1 d c a c h e 、2 5 6 k 8 位l 2r a m c a c h e 。并具有丰富的片上外设资源，其中包括【1 8 1 ： 2 个m c a s p 2 个m c b s p 2 组1 2 c 总线 1 组g p i o 2 个3 2 位通用定时器 1 个1 6 位主机接口h p i 3 2 一位的e m i f 总线，有4 个间，每个空间均可与s d r a m 、s b s r a m 和异 步外设实现无缝接口。 两个处理器间的通信由c 6 7 1 3 支持的1 6 位h p i 实现，外围的通信接口u s b 则由a t 4 3 3 0 1 构成u s bh u b 实现；板载存储设备为6 4 mf l a s hr o m ， 3 2 m x 2s d r a m ：终端还包括一个彩色液晶触摸屏做为输入输出设备，触摸屏采 用f m 7 8 4 3 驱动。全部硬件，包括电源部分，集成在一个类似p d a 的数据终端 里。整个硬件部分的结构如下图所示： 7 北京t 业人学t 学硕f j 学位论艾 2 1 2 软件部分 图2 2 硬件部分的结构图 f i g 2 - 2h a r d w a r ef r a m e w o r k 该课题主要工作为进行嵌入式设备的软件开发。由于$ 3 c 2 4 1 0 处理器集成 了m m u ，可以运行标准的a r m l i n u x 内核。因此该终端采用l i n u x 作为操作 系统，所有功能都建立在嵌入式l i n u x 基础上。通过l i n u x 内核的裁剪，实现在 最低配置的硬件平台上运行能够实现必要功能的软件，对与此同时，开发一个此 嵌入式设备专用的存放煤矿救援数据信息的数据库，并为其配备一个优秀的图形 用户界面，使数据终端能够和用户进行友好的信息交互，方便使用者进行数据的 存取、查询等操作。软件部分的研究主要包括以下部分内容： 第2 币系统总体和开发环境的建、， ( 1 ) 数据管理模块，该终端需要对各种采集来的数据进行储存和管理，由 于数据量较大，采用了数据库的方式。这部分的内容主要是开发一个嵌入式数据 库，用存放d s p 传给数据终端待救人员的距离，方位等信息，便于救援人员在 雷达系统没有进行数据采集的情况下仍能查询到以往的待救人员的信息。 ( 2 ) 人机接口模块，嵌入式设备能得到广泛的普及与发展，最重要的因素 就是它能提供非常友好的用户界面，考虑到煤矿救援设备使用的特殊性，友好易 用的图形化界面是必不可少的。 ( 3 ) 通信模块，如前所述本课题采用非对称多处理器方式，通信模块的作 用是使a r m 处理器能够访问、处理d s p 计算得到的位置、距离等数据，保证 整个生命探测仪的数据终端能够上下位机通信。 整个生命探测仪的数据终端应用程序的开发，可以分为以上三个模块。嵌入 式l i n u x 操作系统具有源代码开放、可以定制、内核小、良好的可移植性等众多 优点，所有的功能模块均构建于嵌入式l i n u x 之上，包含上下位机通信模块、数 据管理模块、界面显示和人机交互模块等。软件结构如下图所示： 图2 - 3 软件部分结构图 f i g 2 - 3s o f t w a r ef r a m e w o r k 2 2 开发环境的建立 2 2 1 交叉编译 应用层 中间层 系统层 发雷达式生命探测仪数据终端应用程序的开发通过交叉编译来完成。交叉编 译，就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码。这里需要注意的是平台， 实际上包含两个概念：体系结构( a r c h i t e c t u r e ) 和操作系统( o p e r a t i n gs y s t e m ) 。 一般而言，需要交叉编译的原因有两个：首先，在项目的起始阶段，目的平台尚 9 北京t 业人学i 。学坝f j 学位论义 未建立，因此需要做交叉编译，以生成我们所需要的b o o t l o a d e r ( 启动引导代码) 以及操作系统核心；其次，当目的平台上资源的限制，当我们编译大型程序时， 依然可能需要用到交叉编译。本课题的交叉编译主要通过m i n i c o m 实现，配置 过程如下： ( 1 ) 在宿主机l i n u x 界面下建立终端，在终端的命令行提示符后输入m i n i c o m ， 回车，就会看到m i n i c o m 的启动画面。启动后，先按c t r l + a 键，再按z 键( 注 意不是连续按，c t r l + a 松开后才按z ) ，进入主配置界面。 ( 2 ) 进入配置界面后按上下键选择s e r i a lp o r ts e t u p ，进入端口设置界面，这里 有几个重要选项改为如下值： a - s e r i a ld e v i c e ：d e v t t y s 0 e - b p s p a r b i t s ：115 2 0 08 n1 f ，e 硬件流，软件流都改为n o ，若要使用p c 机的串口2 来接板子的串e l1 做 监控，改为：d e v t t y s l 即可。 ( 3 ) 选好后按e s c 键退出，选择s a v es e t u pa s d f l 保存退出，以后只要启动 m i n i c o m 就是该配置，无需再做改动。 ( 4 ) 配置完成后，用串口线连接好p c 机和开发板，启动开发板，即可在m i n i c o m 上看到启动信息，并可以执行操作控制。 z 利f ；舢坼，廿 “j抟碥e 】p ：“协冉 图2 4m i n i c o m 控制界面 f i g 2 4m i n i c o m c o n s o l e 2 2 2 图形用户界面开发环境的建立 本课题需要一个轻量级的图形用户界面系统来进行人机交互，而且开发图形 l o 第2 币系统总体和开发环境的建、 用户界面系统的工作量极大，加上不同拥护对界面的要求也不尽相同，因此，图 形用户界面系统的设计已成为计算机软件研制中最困难的部分之一，大量的用于 嵌入式系统的、功能强大的、轻量级的图形用户界面支持系统也应运而生。其中 比较著名的有： ( 1 ) t i n yx ： t i n yx 是标准x w i n d o w 在嵌入式系统的小巧实现，作为一个图形环境，x - w i n d o w 是成功的，但由于在体系接口上的原因，他对多媒体等方面的支持性不是 很强【1 9 】。 ( 2 ) m i c r o w i n d o w s - m i c r o w i n d o w s 是典型的基于s e r v e r c l i n e n t 体系结构的g u i 系统，提供了相 对完善的图形功能和一些高级的特性，如a l p h a 混合、三维支持等。该系统为了 提高运行速度，也改进了基于s o c k e t 套接字的x 实现模式，采用了基于消息机 制的s e r v e r c l i e n t 传输机制【2 0 】。 ( 3 ) m i n i g u i m i n i g u i 是由国内自由软件开发人员设计开发，是一种面向嵌入式系统或者 实时系统的图形界面支持系统。m i n i g u i 具有资源消耗小、速度快、效率高的特 点，但目前还不是很成熟，主要表现在：体系结构不完善，自有图形引擎的功能较 弱，控件的可定制性不好，基于线程机制的系统脆弱性在复杂应用中更为突出， 尤其是缺少一个方便的图形开发环境【2 l 】。 ( 4 ) q t e ： q t m 全称为q t e m b e d d e d ，是t r o l l t e c h 公司的产品，是一个多平台的c + + 图形用户界面应用程序框架，它注重于给用户提供精美的图形用户界面所需要的 所有元素。而且它是基于一种面向对象的思想，所以用户对其对象的扩展是相当 容易的，并且他还支持真j 下的组件编程【2 2 】。 这四种图形界面支持系统各有特点，但由于嵌入式平台常常有硬件资源限制 以及嵌入式开发中l i n u x 的广泛应用，t i n yx 与m i r c o w i n d o w s 在国内的嵌入式 开中并不常见，国内的研究人员在进行嵌入式g u i 的开发时主要选用m i n i g u i 与q t e m b e d d e d 支持系统。考虑到m i n i g u i 在稳定性方面还有所欠缺，最终选 择了q t 来开发雷达式生命探测仪数据终端的g u i 。q t e 软件的总体架构如下图 所示： 北京t 业人学t 学硕i 。学位论文 i i i 曼曼鼍曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼! ! ! 曼! 曼曼! ! 皇皇! 曼! ! ! 舅舅! 皇曼! 曼鼍! 皇寡曼! 曼曼量曼皇曼曼曼皇曼曼! 皇曼曼曼曼量曼 ，卜层控件类 。，。，。j 上层图形类 。，一。j 图形l 擎 事件驱动 一一 j 。“ r 气 f r a m e b u f f e r输入设备驱动 l i n u x 操作系统 图2 - 5q t e 总体架构图 f i g 2 5q t ef r a m e w o r k 从t r o l l t e c h 公司的网站上可以下载该公司所提供的q t e m b e d d e d 的免费版 本。在安装的把本次实验用到的三个文件拷贝至t j r o o t 2 4 1 0 c l q t 目录下。 c d r o o t m k d i r2 4 10 c l q t c d a r m 2 410 c l g u i q t s r c c p - a r ft m a k e 一1 1 3 t a r g zq t e m b e d d e d - 2 3 1 0 f r e e t a r g zq t x 1 1 - 2 3 2 t a r g z r o o t 2 410 c l q t 首先安装编译器a i t l l - l i n u x g c c - 3 4 1 ： c d a r m 2 410 c l g u i q t t o o l s t a rx j v fa r m l i n u x g c c - 3 4 1 t a r b z 2 c v i r o o t b a s hp r o f i l e 打开文件 将该文件中的p a t h 变量改为 p a t h = $ p a t h ：$ h o m e b i n ：a r m 2 4 1 0 c l g u i q t t o o l s ，存盘后退出。 s o u r c e r o o t b a s h _ p r o f i l e 如果安装正确的话，在任意路径下输入a r 后按t a b 键即可列出编译器文件。 下面安装q t e c d - 2 4 1 0 c l q t t a r - x z f t m a k e - 1 1 3 t a r g z 安装t m a k e e x p o r tt m a k e d i r = $ p w d t m a k e - 1 1 3 t a r - x 才q t - x1 1 2 3 2 t a r g z e x p o r tq t 2 d i r = $ p w d q t 一2 3 2 t a r - x z f q t - e m b e d d e d - 2 3 1 0 一f l e e t a r g z e x p o r tq t e d i r = $ p w d q t - 2 3 10 1 2 第2 帚 系统总体和7 f 发叫、境的建、y 环境变量的设置是非常重要的，它关系到能否正确的安装及编译这些安装 包，下面介 绍一下这些环境变量： t m a k e d i r 指向用于编译q t e m b e d d e d 的t m a k e i 具。 q t 2 d i r ：指向q t 一2 3 2 的文件夹。 q t e d i r ：指向q t - 2 3 1 0 的文件夹。 最后编译q t 各部件： c d $ q t 2 d i r e x p o r tt m a k e p a t h 2 $ t m a k e d i r l i b l i 肌x - g + + e x p o r tq t d i r = $ q t 2 d i r e x p o r tp a t h = $ q t d i r b i n ：$ p a t h e x p o r tl d l i b r a 尺芝p a t h = $ q t d i r l i b ：$ l d _ l i b r a r y _ p a t h c o n f i g u r e - n o x f t m a k e c p - a r fb i n u i c $ q t e d i r b i r d 北京厂业人字t 字坝f 掌1 、z 论义 在配置c o n f i g u r e 中一q v f b 用来支持v i r t u a lf r a m e b u f f e r ，d e p t h s 4 , 8 ，1 6 ，3 2 支 持4 位，8 位，1 6 位，3 2 位的显示深度，此外还可以添加如- s y e s t e m - j p e g 和g i f 来提供对j p e g 和g i f 的支持。配置系统同时还支持对特定平台系统选项的添加， 但一般来讲，儿是支持f r a m e b u f f e r 的l i n u x 系统都可以使用“l i n u x - g e n e r i c g + + 平台。详细的配置信息可以通过运行c o n f i g u r e h e l p 命令来查看。这步完成后， 我们会在$ q t e d i r i i b 目录下面看到l i b q t e s o 、l i b q t e s o 2 、l i b q t e s o 2 3 、 l i b q t e s o 2 3 1 0 这四个文件，将其上载到开发板内核的l i b 及u s r l i b 的目录下，有 了些个库以后我们就可以在a r m 平台上运行在p c 机上编译的q t 程序了。q t 在宿主机上的运行环境如下 图2 - 6q t 在宿主机上的运行环境 f i g 2 - 6q td e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t o nh o s tm a c h i n e 2 2 3 嵌入式数据库开发环境的建立 但是随着嵌入式软件发展的不断壮大，在众多的嵌入式应用中，很多应用都 存在着对设备中数据的管理问题。在系统需处理的数据量不大的情况下，数据的 管理还比较容易，当系统数据量增大到一定规模，一般系统中都采用文件系统来 进行管理。因此嵌入式数据库应运而生，目i j 常见的嵌入式数据库主要有： ( 1 ) m y s q l m y s q l 是由s u n 公司开发的多用户、多进程的s q ld a t a b a