（机械电子工程专业论文）基于嵌入式linux和qtembedded的喷码机编辑系统的研究与实现.pdf

北京服装学院硕士学位论文 基于嵌入式l in u x 和q t e m b e d d e d 的喷码机 编辑系统的研究与实现 摘要 嵌入式l i n u x 的出现为嵌入式操作系统提供了一种极有吸引力的选择。在 嵌入式l i n u x 下，嵌入式g u i 系统q 娆m b e d d e d 提供了一种面向对象的用户界面 开发模式，方便了图形用户界面的开发。在喷码机行业，很少有应用嵌入式 l i l l u x 和q t e m b e d d e d 的例子。本文研究了这两种技术在喷码机编辑系统中的 应用，系统地总结了基于嵌入式l i n u x 和叫e m b e d d e d 的喷码机编辑系统软件 的设计思路和开发方法。 喷码机编辑系统软件实现了人机交互的图形用户界面。本文第一章介绍 了选题背景、选题的科学依据和研究内容。第二章介绍了硬件平台的选择依 据，在此基础上阐述了本项目嵌入式开发平台的构建过程。第三章详细讨论 了喷码机编辑系统软件的总体设计和关键算法，包括用户界面的设计和通信 程序的设计。第四章具体讲述了编辑系统用户界面主要功能的实现方法。第 五章对全文进行了总结，并对进一步的工作提出了展望。 关键词：喷码机编辑系统；嵌入式l i n u x ；i n t e lx s c a l e 处理器；g u i ； q l e m b e d d e d ；q t o p i a 北京服装学院硕士学位论文 t h ei t e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fi n kj e t p r i n t e r c o d e re d i t i n gs y s t e mb a s e do n e m b e d d e dl i n u xa n d q t e m b e d d e d w i t ht 置1 ed e v e l o p m e n to fc i n b e d d e dt e c h n o l o 呈me m b e d d e do p e m t i n gs y s t e m i sb e c o m i n gm en e c e s s a r yp a no f 锄b e d d e ds y s t e m e m b e d d e dl i n u xi sa n a t t m c t i v eo p t i o nf o rc i n b e d d e d 叩e r a t i n gs y s t e m ，i th a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d s i nd e v e l o p i n go fe m 晚d d e ds y s t e m ，u 1 e 印p l i c a t i o no fe m b e d d e dg u ii sb e c o l n i n g i n c r e 勰i n g l yw i d e s p r e a d a s 锄e m b e d d e dg u is y s t e l n ，q 旺m b e d d e dp r o v i d e sa n o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o d u s i n gm i sm e t h o dt od e v e l o pu s e ri n t e r f a c e u n d e re i i i b e d d e dl i n u xo p 锄t i l l gs y s t e mi sv e r ya d v a n 协g e o u st 0m ed e v e l o p e r b u ti nt h ei n kj e tp r i m e r c o d e ri n d u s t r y ，t h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e dl i n u xs y s t e i ，1 锄dq 娓m b e d d e di sv e r yr a r e t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h ea p p l i c a t i o no fe l n b e d d e dl i n l l ) 【a n d0 t e m b e d d e d i ni i l k i e tp r i n t e r c o d e re d i t i n gs y s t 锄i ta l s os u m m a r i z e st h ea u m o r sw o r ki n s o r w a r ed e s i g no fe d i t i n gs y s t 锄b a s e do n 啪b e d d e dl i n u xa n d 叫e m b e d d e d t h i se d i t i n gs y s t e mc a ni m p l 锄e n tm eg r a p h i c su s e ri n t e 血c eo fi n kj e t p r i n t e r c o d e rf o r h u m a n m a c h i n ei n t e m c t i o n c h a p t 叮1i n 仃o d u c c st h eb a c k g r o u n d s c i e n t i f i cb a s i s 卸dr c s e a r c hc o m e n to ft h i sp r o j e c t c l l a p t e r2p r e s e n t sm eb a s i s 0 fs e l e c t i n gp r o c e s s o r h a r d w a r ep l a t f o n na n de l i l b e d d e dg u is y s t e m t h e ni t i n t r o d u c e sh o wt oe s t a b l i s ht l l er e l a t e ds o r w a r ed c v e l o p m e n tp l a t f b 衄i nc h a p t e r 3 ，t h eo v e r a nd e s i 星皿a n dk e ya l g o r i t l l mo fe d i t i o ns y s t e ms o r w a r c 挪ed i s c u s s e di n d e t a i l i nc h a p t e r4 ，t h ed e t a 订e dr e a l i z a t i o no f 掣a p h i c su s e ri n t e r f a c ei sd e s c r i b e d t h e1 a s tc h a p t e fo ft h i st h e s i si st h es u m m a 秽o ft h i sp r o i e c t ，a n dt h em r t h e r d e v e l o p m e n tp r o s p e c to f m i si n k j e tp r i n t e r c o d e re d i t i n gs y s t 锄i sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：i n k j e tp r i n t e 托o d e re d i t i n gs y s t c m ；e m b e d d e dl i n u x ；i n t c ix s c a l e p r o c e s s o r ；g u i ；q t e m b e d d e d ；q t o p i a 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：固铐签字臁砷年胡脚 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：司 步 导师签名： 签字日期：卅年i t 月，日签字日期：乞。u 年，。月，二日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 了 疋 辞 北京服装学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 喷码机是一种通用的包装设备。它能够以非接触、高速、墨水快于的方式准确地在不 同材料( 如金属、玻璃：塑料等) 的物体表面喷印商标、防伪图案、生产日期、保质日期、 批号、规格、条形码等标识。喷码机一般均具备自动计数、时间日期自动更新等功能，广 泛应用于饮料、食品、烟酒、医药、化工、电子电器、铝塑管材等行业。 在喷码机行业中，国外的几大品牌占据了我国市场的大部分份额。虽然最近几年国内 也出现了很多新的品牌，发展也很迅速，但是相对来说国内这个行业的历史比较短，还处 于一个成长期。在技术产品的可靠性、制造质量等方面与国外的成熟品牌相比还存在着 一定的差距。 1 1 1 喷码机的基本工作原理 喷码即“喷墨编码”，它综合了许多相关的技术，如机械、电子、流体力学、精细化 工等，利用这些技术使非常微小的墨滴从喷头中喷出，墨滴穿过空气，最后落在被喷印物 的表面上形成喷印图案。喷码机豹基本工作原理如图l 所示。 墨 压电晶体 充电槽 高压偏转板 旯寻芎= 茜已 奄沁。 位置 回收管 创 工件 图1 喷码机基本工作原理 从图l 中可以看出，每个喷印字符都包含由墨滴组成的线或竖列组成的点阵。首先墨 水在压力作用下注入喷嘴，喷嘴前端的压电晶体在正弦驱动电压的作用下发生周期性机械 形变，对即将喷出的墨水产生挤压，这样墨水在喷出喷嘴时就被“预挤断”墨水在喷出 l 北京服装学院硕士学位论文 喷嘴后进入充电槽内飞行的过程中分裂成一束墨漓当墨滴分裂时，喷码机就会在充电槽 上加上一个电压，从而使每个墨滴都带有静电电荷，墨滴所携带的电荷大小由充电槽的电 压决定。随后，墨滴就穿过两个高压偏转板之间的静电场，根据每个墨滴所携带的静电电 荷的大小，每个带有电荷的墨清飞行方向就会发生偏转。最终，不同充电量的墨滴在移动 的工件上形成图案。在不需要喷印的墨滴上不施加静电电荷，而这些墨滴就被收集在回收 管内。 1 1 2 课题背景介绍 鉴于喷码机市场的广阔前景，以及国内喷码机市场基本上被国外产品垄断的现状，北 京某公司和我院共同研制开发了拥有自主知识产权的喷码机产品( 本课题称之为i 型喷码 机) ，其中的电气控制系统是委托我院研制开发的。 电气控制系统是喷码机的关键组成部分，主要任务包括喷印控制、液路循环控制、粘 度检测与控制、相位检测与控制、人机对话、喷印信息编辑、故障检测报警等。i 型喷码 机控制系统的结构如图2 所示。 图2i 型喷码机的硬件结构框图 喷码机的控制任务非常多，而且对实时性的要求也很高，单个c p u 很难同时兼顾所有 的控制任务，因此i 型喷码机采用双c p u 方案，并用普通的s r a m 芯片作为公用存储器， 配合软件逻辑实现了存储器共享。其中，控制c p u 负责完成喷码机所有的控制任务和故障 检测，编辑c p u 负责人机对话、喷印信息编辑及故障报警等工作。i 型喷码机在设计时很 大程度上考虑了降低硬件成本的要求，其硬件结构尽量做到简单，而软件设计却相对比较 复杂。整体看来，i 型喷码机的设计在很多方面有独到之处，如电路设计、人机界面设计、 双c p u 共享r a m 的方案等。 但是，随着科技的发展，市场对喷码机的要求也不断提高，对技术的应用和需求正在 不断发展和变化。用户要求产品具备更高的可靠性和稳定性，并适应越来越高的生产线速 度的需要，对喷印信息多样化的要求也越来越高。然而实际应用的效果却说明i 型喷码机 已很难再适应市场的需求，产品的升级换代迫在眉睫。 在今天看来，l 型喷码机的系统结构和功能相对比较单一首先i 型喷码机设计中采 2 北京服装学院硕士学位论文 用了双c p u 方案，编辑c p u 和控制c p u 均为1 6 位处理器，处理效率较低；其次没有操作系 统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，这样不仅开发时工作量大，对开发者 的要求高，也不利于只后的维护和软件的移植；再次，i 型喷码机没有考虑到对网络通信 协议的支持，不能满足以后多台喷码机联网控制的需求因此有必要开发新的喷码机机型 ( 本课题称之为i i 型喷码机) 嵌入式技术的发展也促使喷码机开发人员加快开发i i 型喷码机的脚步。现在，相关微 电子技术，尤其是嵌入式3 2 位、6 4 位处理器、大容量存储器都得到了飞速发展，嵌入式技 术日益完善，3 2 位微处理器在嵌入式系统中已经占据主导地位。在软件方面，嵌入式操作 系统已经从简单走向成熟，它能够有效管理越来越复杂的系统资源，能够提供库函数、驱 动程序、工具集以及应用程序。它的出现使硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序 移植和维护中解脱出来。 随着微电子技术的发展，嵌入式处理器、大容量存储器等微电子产品的价格日益降低， 因此在型喷码机的设计中硬件成本不再是主要考虑的因素，而把研究重点放在实现产品 的高性能和高可靠性上，以适应高端用户的需求，增强与国外品牌竞争的能力。图3 是i l 型喷码机控制系统的硬件结构设计框图。 图3i i 型喷码机的硬件结构框图 i i 型喷码机拟采用4 个c p u ，其中的通信c p u 负责协调喷码机内部各c p u 之间的关系； 同时考虑到原来的控制c p u 任务过于繁重，既降低了产品的可靠性又增加了软件设计的复 杂程度，因此将原来l 型喷码机控制c p u 负责的任务分成两部分，由两个c p u 来完成。喷 印控制c p u 专门负责喷印控制的任务，其它的控制任务交由液路控制c p u 完成。而编辑c p u 除了要完成i 型喷码机编辑c p u 的任务，还负责喷码机与管理p c 机之间的联网控制。 本课题正是在这样的背景下提出的。作为型喷码机软件研制开发的一部分，本课题 将嵌入式l i n 弧操作系统引入到喷码机产品中，这对于喷码机产品来说有一定的新意。本 课题研究了嵌入式l i n i l 】【和q t e n i b i e d d e d 技术在喷码机编辑系统平台中的应用与实现，可 3 北京服装学院硕士学位论文 以作为以后i i 型喷码机软件开发的技术参考。 1 2 选题的科学依据 1 2 1 操作系统的引入 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t 锄) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减， 适用于应用系统，对功能，可靠性，成本，体积，功耗等方面有特殊要求的专用计算机系 统f l 】。总体上嵌入式系统由硬件和软件两部分组成，一般包含嵌入式微处理器、嵌入式外 围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件这4 个部分，其组成如图4 所示。 l嵌入式应用软件 3 i 嵌入式操作系统 ： l 嵌入式处理器li 嵌入式外围 哎备l 嵌入式硬件平台 图4 嵌入式系统组成【2 】 并非所有的嵌入式系统都是这样的组成结构，从软件组成方面来说，操作系统并不是 必要的。嵌入式系统不同于通用计算机系统，其应用程序可以没有操作系统直接在芯片上 运行。特别是对于简单的嵌入式系统来说，应用程序直接控制硬件的设计更有利于程序与 硬件的交互，从而提高整个系统的速度，所以很多早期的嵌入式开发人员认为嵌入式系统 不需要操作系统。 伴随着嵌入式技术的发展，用户对嵌入式产品的需求也越来越复杂，许多p c 机上的应 用都有在嵌入式系统中实现的需要，这使嵌入式软件的设计也越来越复杂，如果不使用操 作系统很难达到多任务、多个中断处理过程的多任务系统的设计要求。为了合理地调度多 任务，合理地利用系统资源以及系统函数，选配合适的嵌入式操作系统开发平台，这样才 能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。目前嵌入式系统已 发展到了一个新的阶段，即以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统，嵌入式操作系统成为 整个系统软件的核心。 在喷码机行业，很少有应用嵌入式操作系统的例子。但是从喷码机编辑系统角度来看， 北京服装学院硕士学位论文 随着用户对信息编辑和控制的要求越来越复杂，对软件设计的要求必然也越来越高，因此 引入操作系统很有必要。主要体现在以下几点：( 1 ) 应用喷码机的行业越来越多，喷码编辑 的内容也越来越多样化，已经远远超出简单的喷印生产只期和文字组合的阶段。这必然增 加编辑系统软件的复杂程度，引入操作系统不但可以胜任只益复杂的编辑软件设计，而且 也利于软件的维护和同后的移植。( 2 ) 为了满足同益变化和发展的用户需求，编辑系统的硬 件结构也变得越来越复杂。操作系统可以有效地管理硬件资源，能够把硬件虚拟化，使得 开发人员从繁忙的驱动程序开发和维护中解脱出来。( 3 ) 引入操作系统可以方便地支持各种 网络通信协议，满足未来多台喷码机之间联网控制的需求。( 4 ) 使用操作系统可以缩短产品 开发周期，有利于提高产品的市场竞争力。正是基于以上的考虑，本课题引入了操作系统。 1 2 2 嵌入式l i 舢x 操作系统 目前，市场上有众多的嵌入式操作系统，代表性的有以下几种【1 l 【3 j ： ( 1 ) v x w b r k s v x w d r l 【s 操作系统是美国w i n d 黜v c r 公司于1 9 8 3 年为分布式环境设计开发的具备网络 功能的一种嵌入式实时操作系统( r t o s ) ，是t o m a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分， 是典型的商用操作系统。v x w o r k s 具备良好的实时性、稳定性和可靠性，因为其友好的开 发环境、高性能的系统内核，在实时操作系统领域是首屈一指的。 v x w j r k s 具有可裁减微内核结构、高效的任务管理、灵活的任务闻通信、微秒级的中 断处理、支持多种处理器、支持t c p i p 网络协议等诸多优点，总之v x w o d ( s 无疑是一款 非常优秀的实时系统，但是选择这款操作系统的开发和使用成本非常高。 ( 2 ) w 铀d o w sc e w i n d o w sc e 是微软推出的面向3 2 位嵌入式系统应用的操作系统，它能在多种处理器 体系结构上运行，通常适用于对内存占用空间有一定限制的设备。w i n d o w sc e 采用模块 化设计，它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先级、多任务的操作系统， 操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k b 的r o m 。w i n d o w sc e 是专为新一代非传统p c 设备 而设计的，包括掌上电脑、手持电脑、车载电脑等。w i n d o w sc e 的主要缺点有：是收费 的系统，没有开放源代码，开发人员很难实现产品的定制；效率、功耗方面表现并不出色， 运行程序庞大，占用过多系统内存。 ( 3 ) p c o s l i p c f o s 1 i 是典型的实时操作系统，是专为嵌入式应用而设计的，可用于8 位、1 6 位或 5 北京服装学院硕十学位论文 3 2 位单片机或数字信号处理器( d s p ) ，它的特点是：公开源代码，代码结构清晰：可移植 性强。适用于多种硬饽平台；可裁减，可固化：抢占式的实时内核，多任务，可管理6 4 个任务，任务的优先级必须不同；函数调用和服务的执行时问具有可确定性；实用性和可 靠性。但由于p c o s i i 仅是一个实时内核，有很多工作需要用户自己去完成，而不像其它 实时操作系统那样提供给用户很多功能强大的a p l 函数接口。 ( 4 ) 嵌入式“n 畎 在众多的操作系统中，l 缸畎操作系统是发展最快、应用最广泛的开源操作系统。l i n u x 本身的种种特性镬其成为嵌入式开发中的首选。嵌入式“n 隧有着嵌入式操作系统需要的 很多特色：开放源代码，适用于多种c p u 及多种硬件平台，性能稳定，裁剪性好，开发和 使用都很容易。 嵌入式l 纽娃有大量豹应用软件可以使用，大部分都是开放源代码和免费的，也有很 多免费的开发工具，因此软件的开发和维护成本很低。嵌入式i i 玎碱有优秀的网络功能， 此外，还具有稳定、内核精悍、运行所需资源少的优点，十分适合嵌入式应用。、 通过对以上四种操佟系统之闻性能静比较，同对结合喷码枧编辑系统的具体需求选择 操作系统，( 1 ) 从成本方面考虑，尽量选择免费开源的系统；( 2 ) 考虑应用系统的实时性需求， 总的来说，编辑系统的实时性要求不高；( 3 ) 考虑操作系统的通用性，包括对c p u 和硬件平 台的支持范围和囱硬件接口移檀的难度；“) 考虑操作系统是否具有可裁减性；s ，考虑操作 系统开发和使用的难易程度，以及开发调试工具的成本和完备性；( 6 ) 考虑操作系统能否满 足应用需求，即要求操作系统提供丰富的a p l 函数，便于应用层的开发。综合考虑了以上 几点。本课题选择了嵌入式“n t l ，【操作系统。 1 3 课题的研究内容与意义 本课题是i i 型喷码机研制开发的一个步骤，重点研究嵌入式胁峨和q c ，e m b c d d c d 技 术在喷码机编辑系统中的应用。主要研究内容包括：( 1 ) 编辑系统图形用户界面布局和菜单 的设计：( 2 ) 基于q t 压m b e d d e d 的编辑系统图形用户界面程序开发；( 3 ) 编辑系统与喷码机通 信模块之问数据传输的设计与实现。 本课题研究工作基本上是按照以下的流程展开的： ( 1 ) 选择硬件平台。本课题选用市场上推出的嵌入式l 柚u x 科研平台作为硬件平台，在 此基础上进行软件开发。 ( 2 ) 构建系统软件开发平台。包括选择嵌入式g u l 支持系统、在开发主机建立嵌入式 6 北京服装学院硕士学位论文 开发环境和构建嵌入式g u i 开发平台。 ( 3 ) 根据喷码机编辑系统的特点和用户的需求分析设计编辑系统用户界面 “) 提出系统软件设计方案，开发应用程序。 随着信息技术的进步，嵌入式操作系统在各行各业都得到了广泛的应用，逐渐发展成 为嵌入式系统的核心。而在喷码机行业，嵌入式操作系统的应用还比较少。通过市场考察 发现喷码机产品中有应用砌n d o w sc e 操作系统的机型，但使用效果并不太好。目前为止， 还没有发现引入嵌入式l i 曲x 操作系统的机型。本课题通过研究嵌入式i j n 璐操作系统在 喷码机编辑模块的应用，为以后操作系统在喷码机产品中的推广提供了参考，因此本课题 具有较强的实际应用价值。 7 北京服装学院硕士学位论文 第二章编辑系统开发平台的构建 2 1 选择硬件平台 为了加快开发速度，选用市场上早已推出的嵌入式“伽x 开发平台作为课题硬件平台 这类平台已经实现了l i n u x 操作系统的移植，并提供了比较完整的驱动和应用程序，有利于 在此基础上进行本课题的软件开发，同时也可以作为喷码机硬件开发的参考。 2 1 1i n t e ix s c a i e 处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，在硬件平台的选择中，处理器的选择是最重 要的。在选择处理器时要考虑的主要因素有： ( 1 ) 处理器的性能。处理器的性能取决于多个方面的因素，如处理器的时钟频率，内部 寄存器的大小，指令字的长度等。对于许多嵌入式系统设计来说，目标不在于挑选速度最 快的处理器，而是选取能够满足系统各方面要求的处理器。 ( 2 ) 处理器的技术指标。设计人员首先要考虑的是，系统所要求的一些硬件能否无须过 多的胶合逻辑就可以连接到处理器上。其次考虑该处理器的一些支持芯片，如d m a 控制 器、内存管理器、中断控制器、串行设备和时钟等的配套。 ( 3 ) 功耗。这是嵌入式系统的重要指标，根据产品的应用领域考虑对功耗的要求。一般 消费类电子产品选购的微处理器要求高性能、低功耗。如果用于工业控制，则对功耗方面 的考虑不作为重点。 “) 软件支持工具。仅有一个好的处理器，没有较好的软件开发工具的支持也是不行的， 因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起很重要的作用。 ( 5 ) 处理器是否内置调试工具。处理器如果内置调试工具，则可以大大缩小调试周期， 降低调试的难度。 目前在嵌入式领域广泛应用的是a r m ( a d v 柚c e dr i s cm a c h i n 嚣) 系列处理器，其采 用的a r m 技术知识产权( i p ) 核是由a r m 公司提供的。a r m 3 2 位体系结构目前被公认 为是嵌入式应用领域领先的3 2 位嵌入式r i s c ( r e d u c e di n s i 九l d i o ns e cc o m p u t e r ) 微处理 器结构【4 】。a r m 微处理器己遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线 系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用大约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a i l m 技术正在逐步渗入到人们生活的各个方面 1 北京服装学院硕士学位论文 在与操作系统的结合方面，a r m 处理器和嵌入式“n 憾操作系统的结合正变得越来越 紧密。并在嵌入式领域得到了广泛的应用。很多嵌入式产品包括消费类电子产品、网络、 无线设备，汽车，医疗和存储产品等都采用了a r m + “n 峨的结构。 a r m 处理器目前包括多个系列：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a i l m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c i c o 化系列、i n t d 的s 拓o n g a r m 系列和m t e ix s c a l e ，每一个系列提供一套相对 独特的性能来满足不同应用领域的需求。 本课题综合考虑了上面所说的各种因素并结合喷码机编辑系统硬件未来设计的需求， 选择的是h e l ) ( s c a l e 处理器。h n dx s c a l e 处理器采用a r mv 5 t e 体系结构，是h l _ t e l 公司 的s 仃o n g a r m 的升级换代产品，具有全性能、高性价比、低功耗等特点。 ；c a l e 处理器采用7 8 级超级流水线，支持动态跳转预测和分支目标缓冲器 b t b ( b 瑚c h1 硇科b u 伍神。同时，它还支持多媒体处理技术，新增加了d s p 功能的4 0 位 乘累加器，和特定d s p 型协处理器c p o 。) ( s c a l e 处理器包含存储器管理部件m h 仉，可 以识别可快存和不可快存( c a c h e a b l eo r n o n c a d l e a b l e ) 编码。同时，它还拥有3 2 k 字节的指 令c a c h e 和数据c a c h e 容量，并新增了2 k 字节小型数据c a c h e 和小型指令c a c h e ，是性能 非常优越的处理器。 2 1 2u p t e c h p x a 2 7 0 科研平台 选择硬件平台要结合型喷码机开发的硬件要求，i i 型喷码机是专为高端用户而设计 的，开发重点放在高性能和高可靠性的实现上，因此有必要选择市场上推出的面向高端需 求的嵌入式l 施畎科研平台。通过市场调研，并比较试用了多家生产商的产品，最终选择 的是博创科技公司最新推出的嵌入式科研平台u p t e c h p x 舵7 0 a 。 u l ，- t e c h p x a 2 7 0 a 是一款高端科研平台，由处理器核心板、主板和l c d 三部分组成， 并有丰富的接口资源和良好的可扩展性。产品使用i n t e lx s l ep 也7 0 嵌入式微处理器， 这是最新款的x 5 c a l e 处理器家族的升级产品，最高主频可达6 2 4 m h z 。 u p t e c h p x a 2 7 0 a 平台的逻辑框图如图5 所示。 9 北京服装学院硕士学位论文 图5u p t e c h p x a 2 7 0 a 平台的逻辑框图 该平台具体配置如下： ( 1 ) 硬件配置 u p t e c h p x a 2 7 0 a 的硬件配置如表1 所示： 表lu p - t e c h p x a 2 7 0 a 的硬件配置 配置名称 型号规格 c p u i n t c lx s c a l e 结构芯片p x a 2 7 0工作频率5 2 0 瑚z 以太网 d m 9 伽l o 支持正e e 8 0 2 3 的1 0 m 1 0 0 m b p s 模式 n o rf l a s h l m de 2 8 f 1 2 8 j 3 a1 6 位，1 6 m n a n df l a s h k 9 f 1 2 0 86 4 m 内存s d r a m h y 5 6 1 6 2 03 2 + 2 = 6 4 m l c ds h a r pi 。q 0 8 0t f r8 寸真彩液晶屏，6 4 0 1 4 8 0 分辨率 触摸屏g k 8 0 b u r rb r o w na d s 7 8 4 6 u s b 主从接口飞利浦i s p l1 6 l四个u s b 主接口，一个u s b 从接口 串口r s 2 3 22 个通用接口 视频口矧 外接符合v g a 标准的视频输出 i r d a 红外线h s d l 3 6 0 0 双向a g i l e m 兼容s 瓜和f 1 r 协议 调试接口 n a gj t a g 烧写f l h 音频编解码器 c i m 塔l o g i cc 嗍lc s 4 2 0 1 2 0 位数模转换，1 8 位立体声模数转换 3 2 位扩展总线接口g p i o和u p t e c h a i t m 2 4 l o - s 平台兼容 1 0 北京服装学院硕士学位论文 续表lu p 硼c h p x a 2 7 0 a 的硬件配置 配置名称型号规格 c f 接口p c m c i a 总线支持 s d 号接口m m c 控制器支持 i d e 硬盘接口 p c m c i a 卡接口 ( 2 ) 软件配置 采用i j n 慨2 6 9 内核，支持q t e m b e d d e d 、m “g u i 等嵌入式g u i 系统，并已经实现了 q 晚m b 训e d 的移植。驱动程序包括：串口、以太网接口、l d e 接口、s d 卡、c f 卡、音频、 l c d 显示、v g a 视频接口、触摸屏、u s bh o s t 、u s bd e v i c e 等多种驱动。 2 2 嵌入式开发环境的建立 嵌入式系统是专用计算机系统，其硬件不同于普通计算机，一般不能直接在这种系统 上进行软件开发。嵌入式系统的软件开发采用交叉编译调试的方法，交叉编译环境建立在 开发主机( 运行l i n l l ) 【的一台p c 机) 上，对应的开发板叫做目标系统，交叉开发模型如图6 所示。 开 串口，以太网接口等连接方式 目 发 1 交叉编译 7 标 主系 机 统 图6 嵌入式系统交叉开发模型 开发过程中，开发主机使用安装好的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制 代码( 这种代码并不能在开发主机上执行，而只能在目标系统上执行) ，然后把可执行文 件下载到目标系统上运行 嵌入式“n 1 1 】【开发环境有多种方案： ( 1 ) 在w i n d o w s 下安装虚拟机，再在虚拟机中安装“n u x 操作系统； ( 2 ) 采用多启动系统，在已经安装了w i n d o w s 操作系统的p c 上再安装“栅x 操作系统。 本课题考虑到日常工作用的比较多的是w i i l d o w s 操作系统，所以采用了第一种方案。 如果用第二种方案，多启动系统在同一时刻只能运行一个系统，在系统切换时需要重启计 i l 北京服装学院硕士学位论文 算机。而虚拟机可以真正在一台计算机上同时运行多个操作系统，但正是因为要同时运行 多个操作系统，此方案对计算机硬件要求比较高 本课题使用的虚拟机软件是v r t 唧毗，它的执行效率高，对操作系统的支持也很广泛， 能在w i n d o w s 和i i n 慨平台运行。要注意的是嵌入式目标系统通常是通过串口与开发主机连 接的，而虚拟机在默认情况下没有串口，需要添加串口。 设置好虚拟机的硬件设备后，接下来要安装操作系统和开发工具软件。本课题使用的 “肌x 操作系统是f c d o mc 0 3 ，开发工具软件主要是指交叉编译器，它用来实现应用程序 的交叉编译，生成在目标系统运行的二进制代码。交叉编译器是与硬件平台处理器体系结 构相关的，本课题的处理器基于a r m 体系结构，需要安装鳓- l i n l l x g o c 、姗1 i 1 1 _ l l 】【一g + + 和 枷1 1 i n u x g d b 等交叉编译调试工具。下面简单讲述一下开发环境的配置过程。 ( 1 ) 配置ij m i x 系统的n f s 服务 n f s ( n e 啪o f l 【f i l es y s t e m ) 网络文件系统最早是由s u n 公司开发的一种文件系统。 n f s 允许一个系统在网络上共享目录和文件。通过使用n f s ，用户和程序可以像访问本地 文件一样访问远端系统上的文件，这极大地简化了信息共享i ”。n _ f s 的特点正好适合嵌入 式系统的开发，因为目标系统没有足够的存储空间，l i n u x 内核挂接n f s 可以避免使用目 标系统存储介质，使应用程序的开发变得非常方便。 配置n f s 服务分成两个步骤：首先要关闭“n u x 系统的防火墙，否则“n u x 系统拒绝 所有外来口的访问，致使n f s 无法使用；其次设置n f s 服务的共享路径和允许访问这个 路径主机的口地址，将目标系统的皿加入到共享的主机口地址列表中。 ( 2 ) 配置系统的1 1 f 1 p 服务 册( 嘶v i a lf i l et m n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 是一种简单的网络传输协议，它是开发主机和 目标系统文件传输的一种方式，通过这种方式将“n 1 1 ) 【内核等影像文件下载到目标系统的内 存中，然后再烧录到f l a s h 存储中。1 f r p 协议是基于u d p 传输的，没有传输控制，所以 对于大文件的传输是不可靠的。但这正适合目标系统的引导程序，因为其协议简单，功能 容易实现，唧服务在l i n l l x 系统上有客户端和服务器两个软件包，配置1 f r p 服务，首先 要安装好这两个软件包，然后在l i n u x 系统服务列表中选中1 f r p ，这样就可以启用1 f r p 服 务。 ( 3 ) 配置“n u x 系统的m i n i c o m 串行通讯接口很适合作为控制台，在各种操作系统上都有现成的控制台程序可以使 用，比如w i n d o w s 系统的超级终端等，“n 1 1 ) 【操作系统中使用的是m i n i c o m 。通过这个控 1 2 北京服装学院硕士学位论文 制台，在开发主机可以对目标系统进行控制，实现交叉编译开发 在l i n 峨系统终端启动m i n i c o m 后，首先设置以下参数：波特率1 1 5 2 0 0 、数据位8 位、 停止位l 位、无奇偶校验、软件硬件流控设为无；串口设备根据开发主机实际使用的串口 进行设置：d e v m y s o 是串口l ， 配v 恤届0 是串口2 。 2 3 嵌入式g u i 的选择和实现 g u l ( g r a d h i c a lu s 盯i n t e 嘞) 图形用户界面，是指计算机与其使用者之间的对话接 口，是计算机系统的重要组成部分嗍。在嵌入式领域，许多嵌入式系统由于资源的限制， 用户界面非常简单，甚至可能没有显示界面，但随着电子技术的发展和嵌入式应用领域的 扩展，许多系统也涉及到了图形用户界面的开发，嵌入式图形用户界面正逐步成为嵌入式 系统不可缺少的一部分。 在嵌入式产品的开发过程中，对于不同的图形需求，采用不同的解决方案。功能简单 的图形设计，不一定要采用单独的g u i 产品。可以针对特定图形输出设备的接口，自行开 发图形相关的功能函数，但是这种方案有一个很大的缺点：可移植性差，维护成本高。界 面设计的另外一种方案是使用嵌入式g u i 系统，常用的有髓n y x 、m i n i g u i 、q “e m b 。d d 。d 、 m i c m w i n d o w s 、o 嘲g u i 等。本课题主要研究的是喷码机编辑系统人机界面的实现，用户 界面比较复杂，功能需求也很多，因此选择一个优秀的嵌入式g u i 系统进行用户界面开发 是非常关键的。 2 3 1 嵌入式g u l 的选择 本课题硬件平台支持两种嵌入式g u i 系统：m i n i g u i 和q i ，e m b e d d c d ，两者都是由独 立软件开发商提供的嵌入式g u l 产品，开源但采用双授权方式，针对商业使用收取软件许 可费用。m i n i g u i 属于中低端产品，具有跨操作系统特性，适合嵌入式产品小巧、高效的 特点。q i 胁b c d d c d 属于高端产品，对存储空间的要求较高。 ( i ) m i n i g u i m i l l i g u i 是一个面向实时嵌入式系统或者实时系统的轻量级g u l 支持系统，是我国为 数不多的在国际上比较知名的自由软件之一。它提供了完备的多窗口机制和消息传递机制 以及众多的控件和其它g u l 元素。其引人注目的特性和技术创新主要有： 有一个轻量级的图形系统。 完善的对多字体、中日韩文字输入法和多字符集的支持 1 3 北京服装学院硕士学位论文 提供图形抽象层以及输入抽象层以适应嵌入式系统各种显示和输入设备 提供m i i l i g u i - 1 h d s 、m i i l i g u i l i t e 、m i l l i g u i s t a i l d o 三种不同结构的版本以满 足不同的嵌入式系统。 提供了丰富的应用软件，其商业版本提供了针对手机、p d a 类产品、机顶盒以及工 业控制方面的诸多应用程序。 ( 2 ) q l 炬n l b e d d c d q 忸m b c d d e d 是著名的1 f o l l t e c h 公司发布的专门面向嵌入式应用的g u i 系统，是q t 的嵌入式版本，q 酗。d d c d 的主要特点有： 继承了q t 的全部标准a p i ，通过q t a p i 与l i i l u x 设备直接交互。 面向对象的体系结构使代码结构化、可重用、运行快速。 可移植性好，当移植q t e m b e d d e d 程序到不同平台时，只需重新编译代码，而不需 要更改代码。 可随意设置程序界面的外观。 支持国际化，程序本地化方便。 可以方便的连接数据库。 比较这两种嵌入式g u i 系统，作者认为m i i l i g u i 的功能相对比较简单，而q 征m b c d d e d 提供了非常完整的嵌入式g u i 解决方案，功能更加完备；另外q 帆1 皿b e d d c d 用c + + 编写， 为开发者提供了清晰的程序框架，更加容易使用，可以方便的编写自定义的用户界面程序。 本课题选用q l 厄m b c d d e d 作为嵌入式g u i 系统。q t ，e m b e d d e d 是s e r v 刮c l i e n t 结构， 在底层摒弃了x l i b ，并提供了比) ( 1 i b 和x w i n d o w 系统更加紧凑的窗口生成系统。采用 舶m e b u 脑作为底层图形接口嘲，这样做最显著的效果是减少了内存消耗。q i 厄r n b e d d e d 的实现结构如图7 所示。 q 征m 1 ) 。d d e d 应用程序 q w s s e r 一图形事件服务 q 把m b e d d e d f h m e b u 场嚣输入设备驱动 l i n 操作系统 底层硬件平台 图7q i 厄m b e d d c d 的实现结构【刀 1 4 北京服装学院硕士学位论文 z3 2 叫l 开发平台的实现 根据嵌入式系统交叉开发的原理，选用q 忱m 1 e d d c d 进行嵌入式系统图形用户界面的 开发时，首先要做的是在嵌入式目标系统和开发主机分别建立q l 厄m b e d d c d 环境。在嵌入 式目标系统移植程序运行所需的q i 厄m b e d d e d 运行库，并在开发主机安装开发所需的整个 q t 开发环境。本课题的硬件平台已经移植了q t 厄m b e d d e d 运行库，为了实现嵌入式g u i 开发平台，课题还需要完成的是在开发主机建立q t 开发环境。 2 3 2 1 开发主机f r a m b u 仟e r 的配置 o t ，e m b c d d e d 的底层图形引擎基于劬m e b u 丘h 。劬m e b u f r 盯是一个提供显示内存和显 示芯片寄存器从物理内存映射到进程地址空间中的设备，它是在“n 1 1 】【内核版本2 2 以后 推出的标准显示设备驱动接口。开发主机的“n u x 系统必须支持舳m e b u f 断，才能运行 q 忱m b e d d c d 应用程序，实现课题软件的交叉编译开发。本课题开发主机的l i n u x 操作系 _ 统是f c d o r ac o r e3 ，f e d o mc o r c3 系统采用l i n u ) 【2 6 内核版本，支持丘