（通信与信息系统专业论文）基于gui的喷码机图形用户界面应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济的迅速发展，消费者和政府对产品的标注信息要求越来越高；企业 对产品的管理水平也在不断提高，利用喷码技术对产品质量进行控制和跟踪、加 强销售渠道管理也越来越多。从喷码机产品质量来说，要求设备维修率低，打印 速度快、内容多；而从用户操作来说，对图形用户界面是否美观、人机交互是否 快捷可靠等方面有了更高的需求，这个问题成为喷码机企业要着手解决的问题。 目前，大多数的喷码机还处在用单片机来控制喷码机的喷墨打印，人机交 互按键繁琐而且显示不直观。将嵌入式系统引入喷码机，可以使喷码机更适应 现代企业的生产流水线，人机交互更方便直观快捷，图形用户界面也更加绚丽。 本课题以喷码机的图形用户界面和触摸屏的操作为中心，对嵌入式 g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 的实现进行了详细设计。通过理论上分析嵌入式 g u i 系统的设计思想和基本原则，并从技术角度上对嵌入式g u i 系统的体系结 构进行了深入研究，确定了喷码机图形用户界面的设计思路。课题采用三星公 司的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 4 0 搭建硬件平台，移植嵌入式l i n u x 系统和q t e m b e d d e d 软件，设计出符合喷码机操作习惯的图形用户界面和人机交互方式。 本课题的主要工作有：设计喷码机图形用户界面系统的总体架构；搭建可 实现图形用户界面的a r m 9 硬件平台；搭建可实现图形用户界面的软件平台架 构，移植嵌入式l i n u x 操作系统，实现l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 、触摸屏和鼠 标驱动；深入分析可移植的嵌入式g u i ，通过选择上层软件q t g e m b e d d e d ，设计 优良的喷码机图形用户界面；根据喷码机喷印内容大部分是汉字和数字，设计 基于上层软件q t o p i a 的拥有智能联想功能的拼音输入法，最后对触摸屏进行精 良校准，实现了人机交互方式中触摸屏操作的可靠性。 喷码机图形用户界面可进行喷码机的状态显示，通过触摸屏可进行参数设 置和中文的输入操作，实现了良好的人机交互功能。该应用研究说明，总体架 构平台、嵌入式g u i 软件q t e m b e d d e d 和人机交互方式的设计为更多机电产品 的图形用户界面的设计提出了良好思路，拥有良好的市场应用前景和发展潜力。 关键词：喷码机，嵌入式l i n u x ，q t e m b e d d e d ，图形用户界面，输入法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fe c o n o m y , c o n s u m e r sa n d g o v e r n m e n t i n f o r m a t i o no nt h ep r o d u c t sm a r k i n gi n f o r m a t i o nm o r ea n dm o r e b e c a u s eo ft h e i m p r o v e m e n to fe n t e r p r i s e sm a n a g e m e n tl e v e l s ，m o r ea n dm o r ee n t e r p r i s e su s et h e i n k j e tt e c h n o l o g yt oc o n t r o la n d t r a c kt h ep r o d u c tq u a l i t y , r e i n f o r c et h em a n a g e m e n t o fs a l e sc h a n n e l s f r o mt h eq u a l i t yo fi n k j e tp r i n t e r , c u s t o m e r sr e q u i r et h el o wr a t eo f m a i n t e n a n c e ，f a s ts p e e do fp r i n t i n ga n dm o r ec o n t e n t b u tf r o mt h eu s e r , w h e t h e rt h e g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ei sb e a u t i f u lo rn o ta n dw h e t h e rt h ei n t e r a c t i v ei s f a s to rn o t , b e c o m eap r o b l e mf o rt h ei n k j e tp r i n t e re n t e r p r i s e sn e e dt os o l v e a tp r e s e n t ，m o s to ft h ei n k j e tp r i n t e re n t e r p r i s eu s es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rt o c o n t r o lt h ei n k j e tp r i n t i n g t h ei n t r o d u c t i o no fe m b e d d e ds y s t e m sw i l lm a k ei tm o r e a d a p t e dt ot h ep r o d u c t i o nl i n e so fm o d e me n t e r p r i s e ；t h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n w i l lb em o r ec o n v e n i e n ta n di n t u i t i v e ，t h es c r e e nw i l ls h o wab r i l l i a n tg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e t h i ss u b j e c to fi n k j e tp r i n t e rg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ea n dt o u c hs c r e e no p e r a t i o n s a c h i e v e dt h er e a l i z a t i o no fe m b e d d e dg u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) i nd e t a i l s a f t e r t h ed e s i g no fs y s t e m ，u s i n gt h ea r m 9s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0c h i pt ob u i l dt h eh a r d w a r e p l a t f o r m ，t r a n s p l a n t i n gt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e m sa n dq t e m b e d d e ds o f t w a r e ，w e d e s i g n e di n k j e tp r i n t e rg r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c ea n dg o o di n t e r a c t i o nw i t hg o o d c u s t o m a r y m a i nt a s k sa r e ：d e s i g nt h eo v e r a l lp l a t f o r mf r a m eo fi n k j e tp r i n t e rg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ；s e tu pt h ea r m 9h a r d w a r ep l a t f o r mo fg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ；r e a l i z et h e s o f t w a r ep l a t f o r ma r c h i t e c t u r eo fg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，t h et r a n s p l a n t a t i o no f e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，a n dt h er e a l i z a t i o no fl c d ( l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ) ，t o u c hs c r e e na n dm o u s ed r i v e n ；a n a l y s i st h ep o r t a b l ee m b e d d e dg u i ，s e l e c t t h et o ps o f t w a r eq t e m b e d d e dt od e s i g ng o o dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c eo fi n k j e t p r i n t e r ；b e c a u s eo fi n k j e tp r i n t e rp r i n t i n gc o n t e n ta r ec h i n e s ec h a r a c t e r sa n dn u m b e r s ， d e s i g n e das o f t w a r eo fs m a r tp i n y i ni n p u tb a s e do nq t o p i a ；f i n a l l y , t o u c hs c r e e n c a l i b r a t i o na c h i e v et h er e l i a b i l i t yo fh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n q t e m b e d d e d 武汉理工大学硕士学位论文 e n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g no fi n k j e tp r i n t e rg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ea n dp i n y i ni n p u t m e t h o da r ed i f f i c u l t i e s t h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c eo fi n k j e tp r i n t e rc a nd i s p l a yt h es t a t u s ，r e a l i z et h e s e t t i n g o fp a r a m e t e ra n d i n p u t o fc h i n e s ec h a r a c t e r , a n da c h i e v eag o o d h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n t h ea p p l i c a t i o ns t u d ys h o w st h a tt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h ep l a t f o r ma n dt h ed e s i g no fh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o np r o p o s eag o o di d e ao f g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ed e s i g nf o rm o r ee l e c t r i c a lp r o d u c t s 。t h ed e s i g nh a sg o o d m a r k e tp r o s p e c t sa n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：i n k j e tp r i n t e r , e m b e d d e dl i n u x ，q t e m b e d d e d ，g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ， i n p u tm e t h o d u i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得武汉理工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 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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) 圈盛隅蚓 武汉理i ：大学硕t 学位论文 第l 章绪论 髓着经济的迅速发展，消费者对产品信息的标注和要求也越来越高，政府 和有关部门也不断出台新的法律法规，对此进行严格的规范和管理。同时，企业 本身的质量管理和自动化管理水平也在不断提高利用喷码技术进行产品质量 控制和跟踪、加强销售槊道管理和仓储管理等的业务也越来越多。 1 1 课题的研究背景与意义 喷码技术可用于喷印生产刚钥、批号、条形码以及商标图案、防伪标记和 中文字样。进出口贸易规模的不断扩大，客观上要求中国商品标识及识别技术 与国际标准接轨，喷码机的应用日益广泛和普及，对喷码机的要求也随之越来 越高。 如图1 - 1 所示，喷码机广泛应用于两方面：一是产品包装行业，如食品、饮 料、酒类及医药等行业；二是产品本身即在产品上标注其规格型号等，使其 成为产品本身的一部分内容，主要分稚在电线电缆、建筑材料、电子产品和商 务印刷等行业l i l 。 图1 - 1 喷码机的部分应用图 1 0 多年前购买各种食品、化妆品、烟酒的时候，产品外包装上面喷印的 各种生产同期、批号、条型码以及商标图案，使用的都是来自国外的喷吗技术。 从法国依玛士公司1 9 8 9 年进入中国市场以来美国伟迪捷公司、英国多米诺公 武汉理工大学硕士学位论文 司、日本日立公司等公司纷纷跟进，业务量不断攀升，开放使这些公司在中国 迎来了高速发展。这些喷码机的外国公司在中国建立了强大的喷码机生产、销 售、服务系统，产品成为食品生产线上必备的设备。 在中国的喷码机市场，国外品牌所占市场份额已经超过8 0 ，国内品牌仅 有2 0 左右。前者的客户主要是大型企业，而后者的主要客户是中小企业。直 到1 9 9 6 年，一家名为北京科诺华电子技术有限公司的企业推出了中国第一台批 量生产的喷码机，才彻底打破了美、德、英、日等少数几个发达国家的垄断。 现在喷码机行业的国内企业也越来越多遍地开花，但是大多是在中低端的喷码 机市场，喷码机国产企业成规模的很少，只有北京的科诺华、志恒达等几家， 面对成熟的美、英、法等国外企业的产品竞争，除了价格便宜之外，我们更要 开发拥有自己优点符合中国市场的喷码机系统。 中国标识喷码行业2 0 0 7 年市场规模已经在l o 亿元人民币以上，国内喷码 机市场年均增长率达到了3 0 左右。据行业人士分析指出，随着中国广大企业 与世界接轨，走向国际步伐的加快，中国标识行业将在未来5 年内继续迅猛发 展，预计到2 0 1 0 年将形成5 0 亿元以上的市场规模。而一台喷码机每年需要的 油墨耗材使用量在2 万元到1 0 万元左右，油墨又由喷码机制造厂商提供，所以 占领了喷码机市场后的维护保养以及油墨供应带来的市场规模更有1 4 0 亿元到 7 0 0 亿元【2 】o 随着中国信息产业发展，机电产品也迅猛发展，在产品的人机交互界面设 计水平发展上日显滞后，这对于提高产业综合素质，提升与国际同等业者的竞 争能力等等方面无疑起了制约的作用。 出色的界面不仅能够清晰的勾画出所依托系统的大体结构，并且能够大大 减少操作的工作量和复杂性。纵观国际标示行业在图形用户界面设计方面的发 展现状，许多国际知名公司早已意识到g u i ( g r a p h i cu s e r i n t e r f a c e ) 在产品方面产 生的强大增值功能，以及带动的巨大市场价值，因此在公司内部设立了相关部 门专门从事g u i 的研究与设计，同业问也成立了若干机构，以互相交流g u i 设 计理论与经验。他们将喷码机的屏幕操作进行不断改进，带有中文显示和触摸 屏，有的还将程序软件进行中文化。越来越多的公司也将嵌入式系统引入喷码 机控制系统的开发，例如德国r e a 喷码机等，这些喷码机根据a r m 芯片搭建 控制系统架构，使得喷码机体积不断减小，功能强大、界面美观、操作快捷【3 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 嵌入式g u i 概述 用户界面u i ( u s e ri n t e r f a c e ) 是用户与产品进行交互的操作方式，即用户与产 品之间互相传递信息的方式，其中包括信息的输入和输出，早期称之为人机界 面1 4 j 。用户界面存在于用户与硬件之间，更主要的体现在用户与软件之间，作为 用户与产品之间的中介。衡量用户界面优劣的标准在于它是否对用户友好，这 包括外观和感觉两个因素。好的用户界面美观易懂、操作简单且具有引导功能， 使用户感觉愉快、兴趣增强，从而提高使用效率。 图形用户界面g u i 是继字符用户界面c u i ( c h a r a c t e r u s e r i n t e r f a c e ) 之后提出 的第二代用户界面技术，现在己经被很多产品采用，它因美观大方、简单易用 而深受广大用户的喜爱，用户不再需要死记硬背大量的命令，而可以通过窗口、 菜单等方便地进行操作，充分体现了人们对操作人性化、简易化的孜孜追求【5 】。 从用户的观点来看，图形用户界面g u i 是系统的一个至关重要的方面，用 户通过g u i 与系统进行交互【6 j 。所以，它应该是界面友好的、高可靠性的，并 且能够快速装入的g u i 系统。从二次开发者的角度看，g u i 应该是一个友好的 开发环境，开发者无需经过艰苦的学习就能适应开发过程。另外，嵌入式系统 往往是一种定制设备，它们对g u i 的需求也各不相同。有的系统只要求一些图 形功能，而有些系统要求完备的g u l 支持，因此g u i 也必须是可定制的。 总之，嵌入式g u i 就是在嵌入式系统中为特定软硬件设备或环境而设计的 图形用户界面系统。嵌入式g u i 不仅要具有通用g u i 的特征，而且在实际应用 中嵌入式系统对其还有如下基本要求：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性 和可配置。 目前国内外已推出了多种用于嵌入式环境的图形用户界面系统，它们的实 现方法主要有：第一种，按照需求开发满足自身特定需要的g u i 系统：第二种， 将g u i 作为一个软件层从应用程序中剥离，g u i 的支持逻辑由应用程序自己负 责；第三种，设计一个支持大多数常见的g u i 对象的应用编程接口库、使其具 有与其它通用开发工具相类似的调用方法的g u i 系统。目前发展比较成熟的， 也是嵌入式系统开发厂商一般会选择的有如下几种嵌入式g u i 系统：m i n ig u i ， m i c r ow i n d o w s ，o p e ng u i ，q t e m b e d d e d 等【7 】o 在上述实现方法中，第一种方法能够设计实现符合特定需要的嵌入式g u i ， 也可能具有简捷、高效等特点，但它存在着专用性强和开发成本高的缺点，每 武汉理工大学硕士学位论文 当需求有改变时都要重新开发。 第二种方法属于一种临时解决方案，利用这种手段编写的程序，无法将显 示逻辑和数据处理逻辑划分开来，程序结构不便于调试，而且还导致大量的代 码重复，由于嵌入式系统本身就具有c p u 运算速度慢、内存容量小等特点。 第三种方法是将嵌入式g u i 以应用编程接口库的形式摆在了用户面前【8 】， 使其能很快地被具有编程经验的程序员所接受，同时它还可以根据需求做出适 当的剪裁进而转变成如第一种方法所实现的专用嵌入式g u i ，也可根据需求对 原有的应用编程接口库进行扩充，适合于大多数用户的开发，很多成功的嵌入 式g u i 都是通过这种方式实现的。本课题也将采用第三种方法利用成熟的嵌入 式g u i 来开展图形用户界面的系统搭建和设计工作。 1 3 课题的主要任务与目标 由于产品间的差异性较大，因此需要投入大量的研发人员去设计不同的图 形用户界面。这种情况下，如果有一种通用的人机界面基础，各种不同产品的 人机界面只需要简单的编程即可实现就变得十分必要。开发的嵌入式平台，也 可以很方便的移植到各类喷码机系统中，以实现喷码机企业产品升级的需要。 本课题以嵌入式系统图形用户界面为研究对象，选用三星的a r m 9 系列嵌 入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 为硬件核心，以嵌入式l i n u x 操作系统和图形软件 q t e m b e d d e d 为软件平台构建了嵌入式图形用户界面系统，并对该系统的改进 方向作出展望。 本课题的主要任务和目标如下： ( 1 ) 以三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 芯片为核心搭建喷码机人机交互需要的a r m 9 硬件平台，方便后续的软件开发工作。 ( 2 ) 将嵌入式l i n u x 系统引入喷码机控制系统，设计一个可以开发图形用户 界面和触摸屏的软件平台，并实现l c d 、u s b 鼠标驱动和触摸屏驱动，使系统 拥有丰富的人机交互功能。 ( 3 ) 将嵌入式g u i 软件q t e m b e d d e d 引入人机交互系统，对q t e m b e d d e d 实现图形用户界面的原理和图形用户界面系统的开发方法做出研究，并结合课 题阐述具体设计过程。研究喷码机的功能实现，对喷码机图形用户界面进行设 计，使操作更清楚、更容易掌握，抓住界面的中文化课题，设计出易操作功能 4 武汉理工大学硕士学位论文 丰富的操作界面。 ( 4 ) 传统喷码机采用键盘输入，l c d 屏幕很小，操作繁琐，设计了拥有智能 联想功能的拼音输入法，提出触摸屏的校准算法优化。基于1 0 4 寸的大屏幕l c d 使人机交互中可以更加友善的输入中文，操作简单灵活，输入速度提高，简化 喷码机系统的交互方式，顺利喷印出优美的文字和数字。 本课题应用研究说明，喷码机的优美图形用户界面系统可以快速实现，人 机交互更加方便简单，产品更加高端，如进一步优化，能迅速占领市场，替代 国外进口产品，当然本课题的思路也可方便应用到其他机电产品人机交互系统 的开发过程。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章图形用户界面总体设计 随着整个社会技术的不断革新进步，用户的要求也越来越高，在功能满足 要求的前提下，对界面的美观与否、操作方面快捷与否等方面有了更高的需求。 本章将对喷码机图形用户界面系统进行总体设计，包括硬件平台的设计和软件 平台总体设计。 2 1 总体设计 喷码机图形用户界面系统的总体结构分为四大部分，包括：嵌入式硬件、 嵌入式操作系统、图形用户界面和人机交互方式。硬件是系统软件运行的基础， 它提供了嵌入式系统软件运行的物理平台；嵌入式操作系统和嵌入式应用软件 则是整个系统的核心，提供人机交- 百t 9 。 h 、 输入法设计 第 5 人机交互方式 触摸屏校准优化设计 童 基于q t e m b c d d e d 的 一1 _ _ - - j 、 第 软 图形用户界面 、f 喷码机图形用户界面设计 4 童 件 嵌入式l i n u x 系统 开发环境建立 嵌入式l i n u x 编译第 3 l c d 触摸屏u s b 鼠标驱动 童 设备驱动程序 l c d 显示器触摸屏 硬 、- l c d 显示屏触摸屏设计 第 件 a r m 夕i - 围电路功能设计 2 a 刚板童 s 3 c 2 4 4 0 喷码机图形用户界面总体架构一_ 、 本课题的主要工作 、q 图2 1 喷码机图形用户界面平台总体设计 如图2 1 所示，根据设计目标，本课题设计了喷码机图形用户界面总体架构， 主要包括喷码机图形用户界面硬件平台及软件平台的设计，以完成1 0 4 寸l c d 6 武汉理工大学硕士学位论文 的优美图形界面显示、人机交互方式的优化。将嵌入式系统引入喷码机控制系 统的开发，使喷码机适应现代企业生产流水线，使喷码机界面美观，人机交互 功能方便强大。 涉及到图形用户界面的硬件平台的设计，选择三星公司的a r m 芯片 $ 3 c 2 4 4 0 作为核心进行设计，主要包括a r m 芯片外围电路设计、l c d 触摸屏 电路设计，在本章硬件平台搭建部分进行具体的设计，最后通过喷码机的整体 硬件电路搭建在一起进行总体调试。 软件平台的设计是本课题的重点内容，通过将嵌入式系统“宿主机目标板” 的开发模式引入喷码机，首先搭建宿主机开发环境，进行嵌入式l i n u x 的编译、 驱动的实现，然后进行喷码机图形用户界面设计以及交互方式的设计；最后通 过调试，烧写到目标板，实现喷码机图形用户界面和人机交互。 图形用户界面及交互方式的设计，将使人机交互主要完成以下三大功能： ( 1 ) 用户通过液晶显示屏l c d 触摸屏对系统参数、喷印参数和墨路操作参 数等的设定。 ( 2 ) 用户通过液晶显示屏l c d 、触摸屏、智能拼音输入法编辑喷印内容。 ( 3 ) 液晶显示屏l c d 可以向用户显示喷印过程中的相关系统信息。 2 2 图形用户界面硬件平台设计 系统硬件平台的搭建，首先参考喷码机系统的性能指标，确定系统总体框架， 将构成系统整体的各个模块的功能进行划分和详细定义，然后针对各个模块功能进 行硬件设计，本课题中主要对a r m 主控板和人际交互系统硬件进行设计。 图2 2 喷码机整体系统组成框图 7 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 2 所示，喷码机整体系统由人机交互系统，喷码机控制器包括上位机 a r m 主控板和下位机f p g a 主控板，墨水供应及回收系统，电压控制模块与喷 头，以及同步检测装置等五大部分组成。 如图2 3 所示，详细组成框图中是涉及到本课题的硬件电路a r m 主控板和 人机交互系统的框架结构。 电源管理 s d r a m 存 n o r f l a s h 储 n a n d f l a s h 器 看门狗 复位电路 人机交互接口 触摸屏 嵌入式 处理器 s 3 c 2 4 4 0 人机交互接口 t f tl c d 帕接口 图2 3 喷码机图形用户界面硬件框图 整个硬件框图主要包括a r m 芯片、外围存储器模块、l c d 显示器与触摸 屏模块。$ 3 c 2 4 4 0 芯片外围电路的设计都比较成熟，下面简要介绍存储模块以及 通信接口的功能，重点放在跟显示有关的l c d 和触摸屏的设计。 2 2 1a r m 外围电路 在喷码机控制系统中，早期较常用的主控制器为8 位单片机，它具有价格 低廉、容易实现等优点，但由于8 位单片机的功能少、速度低、片内资源也不 丰富等缺点，更无法驱动真彩的l c d 屏。并根据喷码机对实时性要求比较高， 以及除了处理人机交互系统之外还要控制喷码机外部设备的动作，软件体系的 代码量和数据存储能力，本系统嵌入式处理器采用三星公司的a r m 9 处理器 s 3 c 2 4 4 0 。 该芯片是基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，功耗低， 集成度高，主频可达4 0 0 m h z ，含有m m u ( m e m o r ym a n a g eu n i t ) ，支持绝大部 8 武汉理工大学硕士学位论文 分嵌入式操作系统【l0 1 。 该芯片内部有l c d 控制器，支持t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 型带触摸屏t s p ( t o u c hs c r e e np a n e l ) 的液晶显示屏，8 通道的1 0 位a d c 拥有4 个触摸屏位置开 关信号( t s y m ，t s x m ，t s x p ，t s y p ) ，使得l c d 触摸屏模块设计十分简单【l l 】。 ( 1 ) 存储器的设计 喷码机要实现人机交互功能和其他控制硬件功能，降低软件开发难度，在 系统中采用了b o o t l o a d e r 、操作系统、q t e 等软件资源。$ 3 c 2 4 4 0 处理器内部不 带f l a s h r o m 和s d r a m 存储器，必须通过扩展外围存储模块，规划整个喷 码机软件资源，设计了喷码机的外围存储模块组成。 外围存储器模块选型资料如表2 1 ： 表2 1 外围存储器选择列表 型号厂家备注 容量 s s t 3 9 v f l 6 0 1s s tn o i 之f l a s h1 m k 9 f 1 2 0 8 u o cs a m s u n g 三星n a n d f l a s h6 4 m h y 5 7 v 5 616 2 0 h y u n d a i 现代 s d r a m3 2 m 2 n o r f l a s h ：负责系统启动，作为嵌入式操作系统的引导程序的存储设备， 安装在b a n k o 地址空间为0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 - 0 x 0 0 2 0 0 0 0 0 ；该存储器的特点是在芯 片内执行，这样可以直接将代码写到f l a s h 中运行，不必把代码读到系统的r a m 中。 n a n d f l a s h ：负责操作系统内核程序、文件系统和应用程序q t e 的存储； 其特点是常用于数据存储介质，缺点在于需要特殊的系统接口，c p u 需要驱动 程序才能从n a n d f l a s h 中读取数据，要将数据从n a n d f l a s h 中拷贝到 s d r a m 中，再供c p u 顺序执行。n a n d f l a s h 不对应任何b a n k ，因此不能 对其进行总线操作，也就无法像n o r f l a s h 和s d r a m 一样通过地址直接进行 访问。进行操作时，必须通过n a n d f l a s h 控制器的专用寄存器才能完成，写 操作以块方式进行，读操作可以按字节读取。 s d r a m ：负责系统的正常运行，作为外存设备，安装在b a n k 6 地址空间 为o x 3 0 0 0 0 0 0 0 o x 3 4 0 0 0 0 0 0 ：从f l a s h 中读取数据的速度相对较慢，而$ 3 c 2 4 4 0 运行的速度却很快，其执行指令的速度远高于从f l a s h 中读取指令的速度。 s d r a m 是临时保存并运行操作系统、应用程序和用户数据的地方，使处理器更 9 武汉理工大学硕士学位论文 为迅速获得数据，但是系统断电后在s d r a m 中存储的数据将全部丢失。 ( 2 ) 其他外围扩展电路的功能设计 串口：使用m a x 3 2 3 2 进行r s 2 3 2 电平转换，可以用来下载应用程序，运 行b o o t l o a d e r ，主要用来调试相关的信息。 j t a g 接口：结合j t a g 仿真调试代理软件h j t a g 使用，用来实现b o o t l o a d e r 在n o r f l a s h 的烧写和更新，可以实现低成本的调试环境。 u s b 接口：主要功能是连接鼠标，进行人机交互，用u s b 直连线把宿主机 和目标板相连，通过加载u s b 驱动，可以使用u s b 下载较大的文件，比如l i n u x 内核、y a f f s 2 文件、应用程序。 网口：采用d m 9 0 0 0 芯片进行网线口扩展，主要用来挂载n f s 文件系统或 者更新内核和文件系统等。 ， 2 2 2l c d 与触摸屏 喷码机的显示设备目前主要采用l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 显示器，l c d 是一种采用液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器，功耗也比较小，所以目 前在工业设备中很常见。t f t 液晶的显示色彩逼真、平滑细腻、层次感强。鉴 于t f t 屏是应用的主流以及喷码机界面显示和后期升级软件的需要，因此课题 选用三菱公司出品的1 0 4 寸2 6 万色t f t 数字l c d 屏：a a l 0 4 v c 0 1 ，分辨率 6 4 0 4 8 0 。 $ 3 c 2 4 4 0 微处理器内置了l c d 控制器，这样方便了外扩l c d 。l c d 控制器 将显示缓存中的图像数据传输到外部供l c d 显示，并提供显示需要的控制信号 ( v f r a m e 、v l i n e 、v c l k 和v m ) 。如表2 2 所示，介绍了l c d 控制器接口 表【1 2 1 。 表2 2l c d 控制器接口表 符号说明功能 v c l k 刷新时钟 为数据传送提供像素时钟信号 v l i n e 行同步信号将行移位寄存器的内容传送至l c d v f r a m e 帧同步信号帧显示有效控制信号，表示一帧的开始 v m 交流控制电压极性的改变控制液晶分子的显示 v d 2 3 ：0 数据线像素输出数据线 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 4 所示，四线式电阻技术触摸屏包含两个阻性层，触摸屏的x 工作 面和y 工作面分别加在两个阻性层上。阻性层的两端都涂有一条银胶，称为该 工作面的一对电极。上下两个阻性层一个是水平方向，一个是竖直方向，分别 用来测量x 和y 的坐标位置，从各个电极各引出一条线共有四根引出线【1 3 1 。 a 面 + 一 图2 - 4 四线电阻式触摸屏原理结构图 触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络。某一层电极加上电压时，会 在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未 加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。当手指 或笔触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触， 因其中一面导电层( 顶层) 接通x 轴方向的5 v 均匀电压场，使检测层( 底层) 的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行a d 转换，并将得到的 电压值与5 v 相比即可得触摸点的x 轴坐标( 原点在靠近接地点的那端) ，即分 压原理。同理得出y 轴的坐标，这就是所有电阻触摸屏共同的最基本原理【1 3 】。 $ 3 c 2 4 4 0 芯片带有支持8 路l o 位的a d c 触摸屏控制器，提供了喷码机l c d 需要的触摸屏控制信号。我们选用的触摸屏采用四线电阻式触摸屏，触摸检测 部分安装在l c d 屏的表面，当接受到触摸产生的t s x p 、t s x m 、t s y p 、t s y m 信号时，处理器的触摸屏控制器转换为x 、y 坐标。 如图2 5 所示，l c d 与触摸屏模块与$ 3 c 2 4 4 0 连接的接口电路图。值得说 明的是，$ 3 c 2 4 4 0 并没有单独的6 ：6 ：6 的1 8 位色彩传输形式。但是$ 3 c 2 4 4 0 的 1 6 位模式中有两种色彩输出形式，一种是5 ：6 ：5 ，另一种则是5 ：5 ：5 ：1 。5 ：5 ：5 ：1 是 r g b i 色彩表示方法，其中i 表示光强，即r e d 由5 位数据位加1 位光强组成， g r e e n 和b l u e 同样也是由5 位数据位加l 位光强位组成，3 个光强位是一样 的。这种模式与r e d 6 位，g r e e n 6 位，b l u e 6 位( 6 ：6 ：6 ) 是一致的，因此可以 用这种模式控制a a l 0 4 v c 0 1 型的l c d 。l c d c o n 5 寄存器的第11 位为0 时， 武汉理工大学硕士学位论文 3 卜_ v d d 5 v icoin訇iv d d 3 3 - v c o n 3 l 卜- c l c d 图2 5l c d 触摸屏与$ 3 c 2 4 4 0 接口图 2 3 图形用户界面软件平台总体设计 2 3 1 嵌入式g u i 的选择 m i n ig u i 是由魏永明主持开发的轻量级的图形用户支持系统，实现了简化 的类w i n d o w s9 8 风格。它基于s v g al i b 库的多窗口图形用户界面支持的系统， 支持p t h r e a d 的微客户服务器结构。它运行在多线程模式下，许多模块都可以 使用单独的线程来运行，同时还可以利用线程来支持多窗口。由于支持力量比 较薄弱，市场化程度不足，相对而言，m i n ig u i 的维护和再开发成本很大【1 4 1 。 m i c r ow i n d o w s 是由美国c e n t u r ys o f t w a r e 公司开发的开放源码的嵌入式 g u i 项目，主要特色在于提供了客户h i 务器体系结构，并提供了相对完善的图 形功能。它以较小的资源消耗、通用的f r a m eb u f f e r 技术、灵活的分层设计模 1 2 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 武汉理工大学硕士学位论文 式和丰富的a p l 支持等特点获得了广泛的关注，国内一些人士也参与开发，并 编写了g b 2 3 1 2 等字符集的支持。但它的图形引擎存在一些问题，无任何硬件加 速能力、图形引擎中存在许多低效算法和代码质量较差。 o p e ng u i 最初的名字叫f a s tg l ，支持多种操作系统平台。o p e ng u l 分三 层。最低层是由汇编语言写的快速图形引擎；中间层提供了图形绘制a p i ；第三 层用c + + 编写的，提供了完整的g u i 对象集。基于汇编实现的内核并利用m m x 指令提高运行速度，比较适合于基x 8 6 平台的实时系统，可移植性稍差。 q t e m b e d d e d 是著名的q t 库开发商t r o l l t e c h 正在进行的基于f r a m eb u f f e r 的面向嵌入式系统的q t 版本。由于k d e 等项目使用q 作为支持库，所以由许 多基于q t 的xw i n d o w s 程序可以非常方便地移植到q t e m b e d d e d 版本上。因 其面向对象、跨平台和界面设计更美观而得到广泛的应用。美中不足是其c + + 接口对某些应用来讲比较臃肿，而且如果在商品化产品中使用这个库，对硬件 的性能要求比较高。 q t o p i a 即q p e ( q tp a l m t o pe n v i r o n m e n t ) 是由著名的t r o l l t e c h 公司基于q t 的 嵌入式版本q t e m b e d d e d 库的基础上，专门针对p d a 、高端手机这类运行嵌入 式l i n u x 的移动计算设备和手持设备所开发的开放源码的一套应用程序包和开 发库，是o t 在l i n u x e m b e d d e dl i n u x 版本里的一个应用实现，界面优美，具有 广阔的发展前景【l 引。 总之，就性能而言，m i n ig u i 是为了满足工业控制系统而设计的，它在设 计之初就考虑到了小巧、高性能和高效率，因而比较适合实时性要求较高的工 业控制领域的简单应用；m i c r ow i n d o w s 和q t e m b e d d e d 侧重于高端、复杂图形 系统，对硬件的要求较高。从开发者角度来看，q t e m b e d d e d 的可移植性、稳定 性等都非常出色，其配套的工具也比较多，可以在较短时间内开发出高品质的 图形用户界面系统。 在喷码机图形用户界面设计的初期，选择了具有良好中文支持能力的m i n i g u i ，但是它没有配套的布局管理器和可视化的界面开发工具，所有对话框和控 件都需要在屏幕坐标系统中手工计算和布局，这对于复杂的应用来说是几乎不 能接受的。 改用q t e m b e d d e d 之后，在喷码机图形用户界面的开发过程，采用了q t 界 面开发工具q td e s i g n e r 和编写代码相结合的方式进行开发。q td e s i g n e r 是q t 提供给用户的开发工具，可以利用系统提供的控件按钮、对话框、表格等，同 武汉理工大学硕士学位论文 时可以利用工具u i c 将界面转换为c + + 代码，这样缩短了软件的开发周期。 2 3 2 嵌入式g u i 软件结构 拼音输入法 q t e m b e d d e d q t o p i a 嵌入式l i n u x l 内核 y a f f s 2f r a m e b u f f e r 设备驱动 b o o t l o a d e r 底层硬件平台s 3 c 2 4 4 0 图2 - 6 系统软件平台结构图 如图2 - 6 所示，软件部分设计总体上可以分为操作系统编译剪裁、所需驱动 编译、图形用户界面环境建立、嵌入式g u i 的设计、输入法和触摸屏优化设计 五个部分。 ( 1 ) 引导装载程序b o o t l o a d e r ，就是- - , j ,