（信號與信息處理專業(yè)論文）嵌入式gui在變電站自動化中的應用.pdf

摘要 嵌入式圖形用戶界面是嵌入式設備與使用者之間的對話接口，由于它具有良 好的人機交互性能，因此在嵌入式軟件系統(tǒng)中得到廣泛的應用。隨著嵌入式設備 在人們日常生活中的使用越來越廣泛，人們對高性能嵌入式圖形用戶界面的要求 也越來越迫切。在此背景下，對嵌入式系統(tǒng)的關鍵技術嵌入式g u i 的研究 有著非常重要的意義。 在變電站的日常運行和維護的過程中，需要將大量的遙信、遙測以及保護自 動裝置的信息通過顯示器顯示出來供維護人員觀測。傳統(tǒng)的變電站自動裝置的人 機界面已經遠遠不能適應當前的需求，因此開發(fā)研制出一套便于操作和使用的嵌 入式圖形用戶界面對變電站自動化的水平的提高有非常大的幫助。 本文首先分析了嵌入式操作系統(tǒng)及其g u i 技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并對幾種嵌入 式l i n u ) ( 下的g u i 系統(tǒng)進行了優(yōu)缺點的比較。通過閱讀和分析q t e m b e d d e d 的 源代碼，對q t e m b e d d e d 的系統(tǒng)架構進行了深入的剖析和研究，從不同的角度分 析了它的運行機制，為后面的移植及軟件編寫奠定了基礎。然后通過對變電站通 信控制器g u i 系統(tǒng)項目需求的分析，給出了系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的總體設計方案。 最后，在選定的硬件平臺上實現(xiàn)了b o o t l o a d e r 的移植、嵌入式l i i l u x 的移植及 其根文件系統(tǒng)的建立、q t e m b e d d e d 的移植以及變電站通信控制器圖形用戶界面 軟件的設計與實現(xiàn)等工作。 實踐證明，該g u i 系統(tǒng)可以較好的滿足變電站自動化對人機界面的需求。 關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 圖形用戶界面變電站自動化嵌入式l i i l u ) 【q t ，e m b e d d e d a b s t r a c t e m b e d d e d 孕a p h i cu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) i st l l ed i a l o g i c i 1 1 t e r f a c eb e 鉚e e n e m b e d d e dd e v i c e sa n du s e r s b e c a 】s e0 fi t s g o o di n t e r a c t i v ep e r f b n n a n c e ，e m b e d d e d g u ih 觴b e e nw i d e l yu s e di i le m b e d d e ds o 腳a r es y s t 鋤s a st l l ew i d e ru s eo f e m b e d d e dd e v i c e si no u rd a i l yl i v e s ，t i l er e q u i r e m e n tf o rh i 曲e rp e r f 0 咖觚c eo f e m b e d d e du s e ri n t e r f a c ei sm o r eu 唱e n t s o ，r e s e 2 u r c h e so ne m b e d d e dg u i ，w h i c hi s t h ec r i t i c a l t e c h n o l o g ) ，o fe m b e d d e ds y s t e m ，盯ev e 巧婦p o n a n t h lt h ep r o c e s so fd a i l yo p e r a t i l l g 鋤dm a i n t a i n i n go fs u b s t a t i o n ，al a r g en u m b e ro f i i l f o r m a t i o no ft e l e - i n d i c a t i o n ，t e l e m e 如u r e m e n t ，趾d s e l g p r o t e c t i o nd e v i c e s 打e a c q u h da n dd i s p l a y e di ns c r e e n st ob eo b s e r v e db yt h em a i n t a i n e 璐t h et m d i t i o n a l i n t e r f i a c ei i ls u b s t a t i o na u t o m a t i o nd e v i c e sc a nn o tm e e tt h ec u n e n td e m 鋤df a r a sa c o n s e q u 讎c e ，w h e t l l e rt l l e r ei sa ne m b e d d e dg u i i i lt h ec o m m u n i c a t i o nc o n t t o l l e r a n d w h e m e rt h ee m b e d d e dg u ii s e 弱yt 0o p e r a t e 鋤dc o n 仃o l 0 rn o t ，h a v ec r i t i c a l m f l u e n c e so nm ea u t o m a t i o nl e v e lo fas u b s t a t i o n h 1t l l ef i r s tp a r to ft h i st h e s i s ，t l l ed e v e l o p m e n t so ne m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ， e s p e c i a l l yo nt l l ee m b e d d e dg u it e c h n o l o g y w e r es u n l m a l i z e d p m ds e v e r a lk i n d so f e m b e d d e dg u is y s t e m si i ll i n u xw e 心a l s oc o m p a r e di nt l l i sp a r t t h e n ，b yr e a d i i l g 鋤da n a l y s i i l gt h ec o d e so fq t ，e m b e d d e d ，t i l es y s t e ma r c h i t e c t u r eo ft i l eq t e m b e d d e d w 鵲觚a l y z e di i ld e t a i l a n dt l l eo p e r a t i o nm e c h a n i s mo ft 1 1 i ss y s t e mw 弱a l s os t i l d i e d 舶ms e v e m la s p e c t s t h ea b o v ep a n sb u i l du pt t l ef 1 0 u i l d a t i o no fp o i t i n g 鋤ds o m v 撒 d e v e l o p m e n tf o rm ep r o j e c ti i lt 1 1 i st l l e s i s f o l l o w m gt 1 1 a t ，a r e rac o m p r e h e n s i v e c o n s i d e r a t i o no ft l l e p r o j e c tr e q u i r e m e n t so ft h ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r sg u i s y s t e mf o ras u b s t a t i o n ，t i l ed e s i g ns c h e m et i l a tq t e m b e d d e dw 鵲a d o p t e da s 也em a i n d e v e l o p m e n tt o o l i se s t a b l i s h e d f i n a l l y t l l em a i np a n so ft l l i s p r o j e c t ，m c l u d i i l g p o r t i n gb 0 0 t l 0 a d e rt ot l l es p e c i f i ch 盯d w 盯ep l a t f o m ，p o n i n ge m b e d d e dl i n u ) ( s y s t e m 鋤de s t a b l i s h i n gi t sr o o tf i l e s y s t e m ，p o r t i n gq t e m b e d d e d ，a 1 1 dd e s i 印i i l gt l l e g u is o f t w 盯eo fc o m m u n i c a t i o nc o n 仃o l l e rf o ras u b s t a t i o n ，w e r e 灑仃o d u c e d 鋤d d e s c r i b e di nd e t a i l i i l p r a c t i c e ，t h ea p p l i c a t i o n o fm e g u is y s t e mc o n f i m e dt 1 1 a ti tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs u b s t a t i o na l l t o m a t i o nw e l l 1 ( e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；g u i ；s u b s t a t i o n 鋤t o m a t i o n ；e m b e d d e dl i r m x ； n l 碩士學位論文 1 1 變電站綜合自動化 第1 章緒論 變電站綜合自動化系統(tǒng)是利用先進的計算機技術、現(xiàn)代電子技術、通信技術 和信息處理技術等實現(xiàn)對變電站二次設備( 包括繼電保護、控制、測量、信號、 故障錄波、自動裝置及遠動裝置等) 的功能進行重新組合、優(yōu)化設計，對變電站 全部設備的運行情況執(zhí)行監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調的一種綜合性的自動化系統(tǒng)。 通過變電站綜合自動化系統(tǒng)內各設備間相互交換信息，實現(xiàn)數(shù)據共享，完成變電 站運行監(jiān)視和控制任務。變電站綜合自動化替代了變電站常規(guī)二次設備，簡化了 變電站二次接線。變電站綜合自動化是提高變電站安全穩(wěn)定運行水平、降低運行 維護成本、提高經濟效益、向用戶提供高質量電能的一項重要技術措施【l 】。 變電站作為整個電網中的一個節(jié)點，擔負著電能傳輸、分配的監(jiān)測、控制和 管理的任務。變電站繼電保護、監(jiān)控自動化系統(tǒng)是保證上述任務完成的基礎。在 電網統(tǒng)一指揮和協(xié)調下i 電網各節(jié)點( 如變電站、發(fā)電廠) 具體實施和保障電網的 安全、穩(wěn)定、可靠運行。變電站自動化系統(tǒng)是變電站的核心系統(tǒng)，對變電站及電 網的安全運行是至關重要的。因此，要求變電站綜合自動化系統(tǒng)運行高效、實時、 可靠，對變電站內設備進行統(tǒng)一監(jiān)測、管理、協(xié)調和控制。同時，又必須與電網 系統(tǒng)進行實時、有效的信息交換、共享，優(yōu)化電網操作，提高電網安全穩(wěn)定運行 水平，提高經濟效益，并為電網自動化的進一步發(fā)展留下空間。 發(fā)展變電站綜合自動化的必要性還體現(xiàn)在以下幾個方面：一是隨著電網規(guī)模 不斷擴大，新增大量的發(fā)電廠和變電站，使得電網結構日趨復雜，這樣要求各級 電網調度值班人員掌握、管理、控制的信息也大量增長，電網故障處理和恢復卻 要求更為迅速和準確；二是現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，特別是電子技術的發(fā)展，計算 機技術的普遍應用，對電網可靠供電提出了更高的要求；三是市場經濟的發(fā)展， 使得整個社會對環(huán)保要求更高，這樣也對電網的建設、運行和管理提出許多的要 求，如要求電力企業(yè)參與市場競爭，降低成本，提高經濟效益：要求發(fā)電廠、變 電站減少占地面積。要解決上述問題，顯然僅依靠各級電網調度運行值班人員是 難以解決的?，F(xiàn)代控制技術的發(fā)展，計算機技術、通信技術和電力電子技術的進 步與發(fā)展，電網自動化系統(tǒng)的應用，為上述問題提供了解決方案。這些技術的綜 第l 章緒論 合應用造就了變電站綜合自動化系統(tǒng)的產生與發(fā)展 2 1 。 1 2 圖形用戶界面( g u i ，g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) 計算機用戶界面是指計算機與其使用者之間的對話接口，是計算機系統(tǒng)的重 要組成部分。計算機的發(fā)展史不僅是計算機本身處理速度和存儲容量飛速提高的 歷史，而且是計算用戶界面不斷改進的歷史。人機交互界面作為個獨立的、重 要的研究領域己倍受各界人士的關注。從計算機技術的發(fā)展過程來看，人機界面 技術引導了相關軟硬件技術的發(fā)展，是新一代計算機系統(tǒng)取得成功的保證。 計算機發(fā)展的初期，主要用于科學計算等任務，當時用戶不關心界面方面的 細節(jié)。隨著計算機的發(fā)展和普及，人們對人機界面的要求越來越高，對它的研究 也受到了人們的高度重視。研究表明，人機交互的內容、形式將影響最終用戶使 用計算機和計算機技術的推廣，甚至影響人們的工作和生活。國外對大量軟件系 統(tǒng)的統(tǒng)計分析結果表明，人機界面的開發(fā)工作量極大，占軟件系統(tǒng)開發(fā)總工作量 的4 0 6 0 左右，而且不同用戶對界面的要求不同，使得它成為計算機軟件研 制中最困難的部分之一。美國2 l 世紀信息技術計劃的基礎研究內容( 軟件、人機 交互、網絡、高性能計算) 中就包含了人機交互技術的研究。與此同時，圍繞人 機建模己形成了計算機產業(yè)又一新的競爭領域。美國人機建模研究在信息技術中 被列為與軟件和計算機并列的六項國家關鍵技術之一，并被認為“對于計算機工 業(yè)有著突出的重要性，對其它工業(yè)也是很重要的 。美國國防關鍵技術計劃不僅 把人機交互界面列為軟件技術發(fā)展的重要內容之一，而且還專門增加了與軟件技 術并列的“人機界面 這一內容。日本f p i e n d 2 1 計劃( f u t u r ep e r s o n a l i z e d i n f o m a t i o ne n v i r o m 鈕td e v e l o p m e n t ) 的目標就是開發(fā)2 l 世紀的計算機界面。我 國9 7 3 、s 8 6 3 、十五計劃均將人機界面技術列為主要內容。 g u i 是“g r a p h i c su s e ri n t e 血c e 首字母的簡寫，一般譯為“圖形用戶界面( 或 者圖形用戶接口) 。它是一種人與計算機接口的技術，該技術除了使用字符外， 主要使用圖形、圖標、圖象和控件等界面與用戶進行交互和接口。計算機用戶通 過使用輸入設備( 如鼠標、鍵盤、觸摸屏等) 操作和使用圖象、圖標和控件等與計 算機進行交互，計算機將結果顯示在輸出設備上供用戶觀察。g u i 是在命令行方 式上，人機接口的一次巨大飛躍。 窗口系統(tǒng)( w i n d o w s ) 最早出現(xiàn)在名為s a g e 的實時圖象顯示系統(tǒng)中。上世紀 2 碩士學位論文 6 0 年代，人們在研究s r j 人工智能系統(tǒng)時，第一次使用鼠標操作窗口系統(tǒng)；7 0 年代早期，x e r o x 的p a r c 團隊在移植s r i 時，將g u i 定義為w i m p 標準，即 w i n d o w s 、i c o n s 、m e n u s 和p o i n t e r s 肌1 1 d o 、) i r nm e n u s ，基本上形成了現(xiàn)代g u i 系統(tǒng)的雛形。隨后g u i 被廣泛應用，得到了大力發(fā)展，第一個商業(yè)化的g u i 系 統(tǒng)m a c i n t o s h ，以及隨后的w i n d o w s 系統(tǒng)，極大的推動了計算機的推廣和普及。 圖形用戶界面系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)上的發(fā)展，與在桌面系統(tǒng)的發(fā)展類似，基本 上是一個從無到有、從字符界面到使用圖形圖象交互的過程。早期的工控系統(tǒng)基 本沒有用戶界面，或者僅僅靠簡單的文字信息和l e d 顯示與用戶進行交互。隨 著嵌入式技術的發(fā)展，近年來消費電子、通信、汽車、工業(yè)和軍事等領域廣泛采 用嵌入式系統(tǒng)。在信息家電、p d a ，s m a np h o n e 等眾多受歡迎的終端產品中， 已經可以看到相對成熟的g u i 系統(tǒng)。完善的圖形用戶界面( g u d 不僅可以表示豐 富的內容，而且具有多種表達方式，已經成為現(xiàn)代終端系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的重要 組成部分，也是當今主流的人機界面。 同時，終端系統(tǒng)己經開始廣泛采用3 2 位處理器芯片，配置觸摸屏、鍵盤等 多種輸入設備和l c d 等圖象顯示設備，這為g u i 在嵌入式系統(tǒng)上應用提供了基 礎硬件平臺。因此，嵌入式g u i 系統(tǒng)的發(fā)展不但成為可能，而且也是應用發(fā)展 的必然要求。 圖形用戶界面的廣泛流行是當今計算機技術的重大成就之一，它極大地方便 了非專業(yè)用戶的使用，人們不再需要死記硬背大量的命令，而可以通過窗口、菜 單方便地進行操作。圖形用戶界面的主要特征是： w m p ，其中 w ( w i n d o w s ) 指窗口，是用戶或系統(tǒng)的一個工作區(qū)域，一個屏幕上可以有多 個窗口。 i ( i c o n ) 指圖標，形象化的圖形標志，易于人們隱喻和理解。 m ( m e n u ) 指菜單，可供用戶選擇的功能提示。 p ( p o i n t i n gd e v i c e s ) 指鼠標器等，便于用戶直接對屏幕對象進行操作。 用戶模型 g u i 采用了不少d e s l c t o p 桌面辦公的隱喻，使應用者共享一個直觀的界面框 架。由于人們熟悉辦公桌的情況，因而對計算機顯示的圖形符號的含義容易理解， 第1 章緒論 例如：文件夾、收件箱、畫筆、工作薄、鑰匙及時鐘等。 直接操作 過去的界面不僅需要記憶大量命令，而且需要制定操作對象的位置，如行號、 空格數(shù)、x 及y 的坐標等。采用g u i 后，用戶可以直接對屏幕上的對象進行操 作，如拖動、刪除、插入以至放大和旋轉等。用戶執(zhí)行操作后，屏幕能立即給出 反饋信息或結果，因而被稱為“所見即所得( 肌a ty o us e gi s 、脅a ty o ug e t ) ”。 并且用視、點( 鼠標) 代替了記、擊( 鍵盤) ，給用戶帶來了方便。 1 3 課題的目的與意義 變電站綜合自動化系統(tǒng)要將大量的遙控、遙信、遙測以及保護自動裝置信息 通過顯示器顯示出來，因此人機界面是否友好，成為變電站運行人員關心的問題， 也是自動化專業(yè)及綜合自動化廠家需要解決的問題。傳統(tǒng)的變電站自動化裝置一 般只有中英文數(shù)據顯示，交互信息少，調試運行界面簡陋，往往導致使用上的困 難和操作上的失誤。隨著變電站自動化水平日益提高，要求電力自動裝置調試操 作更加方便，人機界面更加友好智能，交互信息更加豐富。傳統(tǒng)的人機界面顯得 相對落后，不能滿足要求。因此，研制和開發(fā)出一種既能顯示包括主接線圖、三 遙數(shù)據、設備定值、歷史事件、通信報文等豐富的系統(tǒng)數(shù)據和信息，同時又操作 方便、界面友好的人機界面成為了當前的迫切需求。 在今天的變電站自動化系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)自動裝置所使用的微處理器速度越 來越快，性能越來越高，從頻率幾兆、十幾兆的8 位單片機，走向頻率上百兆的 1 6 位、3 2 位數(shù)字信號處理器和嵌入式微控制器；存儲系統(tǒng)容量越來越大，讀寫 越來越方便；而它們的價格也越來越便宜。這使得系統(tǒng)能夠承擔起采用嵌入式 g u i 所造成的額外c p u 和存儲系統(tǒng)消耗。另一方面，人機接口設備也在不斷的 升級，就液晶顯示器l c d 而言，已逐漸向大分辨率、灰度和彩屏發(fā)展，有些場 合已經使用了觸摸屏。這些為采用嵌入式g u i 設計更加友好和更加豐富的人機 界面提供了硬件基礎。 采用嵌入式g u i ，可以利用它所提供的強大的顯示和繪圖功能、豐富的圖形 元素( 窗口、菜單、控件等) 以及方便的應用編程接口，開發(fā)出高質量的人機界面， 滿足產品的需求。本論文的主要目的是設計出一套能夠滿足變電站通信控制器實 際需求的嵌入式g u i 系統(tǒng)，從而滿足當前變電站綜合自動化發(fā)展的迫切需求。 4 碩士學位論文 嵌入式g u i 技術在變電站綜合自動化中的應用，能夠極大節(jié)省開發(fā)和維護成本， 極大豐富人機交互信息，更有利于變電站現(xiàn)代化的進程，并能夠大大地提高電力 系統(tǒng)的安全運行水平，對國內變電站綜合自動化的發(fā)展具有重大的意義。 1 4 論文的內容及組織結構 綜合電力行業(yè)智能化發(fā)展的趨勢，根據變電站自動化的市場需求，利用嵌入 式g u i 技術實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)中的人機交互勢在必行。本文就是在這種形 勢下，針對變電站自動化系統(tǒng)中對人機界面的信息豐富性、操作便捷性、安全性、 可靠性和工作的高效性的需求，提出了一種基于嵌入式g u i 技術的人機界面的 實現(xiàn)方法。本文所討論的主要內容包括：基于嵌入式g u i 的人機界面的系統(tǒng)設 計及其在硬件平臺上的具體實現(xiàn)。 論文的組織結構如下。 第一章主要結合變電站綜合自動化技術的發(fā)展趨勢，分析了設計和開發(fā)基于 嵌入式g u i 技術的人機界面的必要性和重大意義。 第二章介紹了嵌入式系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)及其g u i 技術的概況，并對幾 種常見的嵌入式g u i 系統(tǒng)進行了分析和比較。 第三章在仔細閱讀了q t e m b e d d e d 源代碼的基礎上，對其系統(tǒng)架構進行了深 入的剖析和研究，為下一步的移植及軟件編寫奠定了基礎。 第四章提出了系統(tǒng)的總體設計方案。 第五章詳細介紹了系統(tǒng)平臺的搭建及軟件設計的具體實現(xiàn)過程，對系統(tǒng)的調 試技術做了簡單的介紹，最后介紹了對系統(tǒng)進行測試的情況。 第六章對課題進行了簡單的總結并對進一步的工作進行了展望。 第2 章嵌入式系統(tǒng)及其g u i 技術概述 第2 章嵌入式系統(tǒng)及其g u i 技術概述 2 1 嵌入式系統(tǒng)概況 2 1 1 嵌入式系統(tǒng)的定義 嵌入式系統(tǒng)的一般定義是：“以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬 件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計 算機系統(tǒng)”。廣義上講，凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式 系統(tǒng)。所以也有人簡單的說：“嵌入式系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算 機硬件系統(tǒng)之中。 狹義上講，人們更加強調那些使用嵌入式微處理器構成獨立 系統(tǒng)，具有自己的操作系統(tǒng)并且具有某些特定功能的系統(tǒng)【3 1 。 在現(xiàn)在日益信息化的社會中，計算機與網絡已經滲透到我們日常生活的每一 個方面，而嵌入式系統(tǒng)，正是這個滲透過程的主要推動力量。與我們生活息息相 關的家用電器、汽車電子、我們隨身攜帶的手機、m p 3 、手表、p d a 、數(shù)碼相機、 數(shù)碼錄像機，這一切都與嵌入式系統(tǒng)密切相關；而在工業(yè)領域，使用嵌入式設備 控制的生產流水線、數(shù)字機床、智能工具也正在其中扮演著極其重要的角色。 與通用計算機不同，嵌入式系統(tǒng)是針對具體應用的專用系統(tǒng)，一般具有成本 敏感性，它的硬件和軟件必須高效地設計，好的嵌入式系統(tǒng)是完成目標功能的最 小系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般要求高的可靠性，例如在高溫、高壓、電磁干擾嚴重的 工業(yè)環(huán)境就對嵌入式系統(tǒng)有很高的要求。嵌入式處理器的功耗、體積、處理能力 在具體應用中也有很高的要求，這在消費類電子產品方面表現(xiàn)的非常明顯。嵌入 式處理器要針對用戶的具體需求，對芯片配置進行裁減和添加，才能達到理想的 效果。嵌入式系統(tǒng)軟件與嵌入式應用軟件也與通用計算機有所不同。一般嵌入式 軟件要求高質量的代碼與高可靠性。另外，許多嵌入式應用系統(tǒng)要求系統(tǒng)軟件具 有實時處理能力，在多任務嵌入式系統(tǒng)中，對重要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼 顧的合理調度是保證每個任務及時執(zhí)行的關鍵。 2 1 2 嵌入式系統(tǒng)的歷史沿革 嵌入式系統(tǒng)的概念是在1 9 7 0 年左右出現(xiàn)的。隨著新技術的不斷出現(xiàn)，嵌入 6 碩士學位論文 式系統(tǒng)也不斷的向前發(fā)展，進入9 0 年代后，以計算機和軟件為核心的數(shù)字化技 術取得了迅猛發(fā)展，掀起了一場數(shù)字化技術革命。多媒體技術與1 1 1 t e m e t 的應用 迅速普及，消費電子、計算機、通信( 3 c ) 一體化趨勢日趨明顯，嵌入式技術再度 成為一個研究熱點。綜觀嵌入式技術的發(fā)展，大致經歷了以下4 個階段 4 】。 第一個階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時具有監(jiān)測、 伺服、指示等設備與其相配合，典型的應用如數(shù)控機床。這種系統(tǒng)大部分應用于 一些專業(yè)性極強的工業(yè)控制系統(tǒng)中，并且一般沒有操作系統(tǒng)的支持。它使用匯編 語言編程對系統(tǒng)進行直接控制，運行結束后清除內存。這一階段系統(tǒng)的主要特點 是：系統(tǒng)結構和功能都相對單一，處理效率較低，存儲容量較小，幾乎沒有用戶 接口。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡便、價格很低，因此以前在國內工業(yè)控制領域 應用較為普遍，但是它已經遠遠不能適應高效的、需要大容量存儲介質的現(xiàn)代化 工業(yè)控制和新興的信息家電等領域的需求。 第二個階段是以嵌入式c p u 為基礎、以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。 這一階段系統(tǒng)的主要特點是：c p u 種類繁多，通用性比較弱；系統(tǒng)開銷小，效 率高；操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴展性；應用軟件比較專業(yè)，但用戶界面不 夠友好；系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)負載以及監(jiān)控應用程序的運行。 第三個階段是以嵌入式操作系統(tǒng)( e o s ) 為標志的嵌入式系統(tǒng)。比較典型的嵌 入式操作系統(tǒng)包括：v x w o r k s 、l i n u 】【、p s o s 、o s 9 、w i i l c e 等。這一階段系統(tǒng) 的主要特點是：嵌入式操作系統(tǒng)能運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好； 操作系統(tǒng)內核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和可擴展性；具備文件和目 錄管理、設備支持、多任務、網絡支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大 量的應用程序接口( a p i ) ，開發(fā)應用程序相對簡單；同時，其嵌入式應用軟件較 為豐富。 第四個階段是以基于1 1 1 t e m e t 為標志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個正在迅速發(fā)展 的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于i l l t e m e t 之外，但隨著i i l t e m e t 的發(fā)展 以及m t e m e t 技術與信息家電、工業(yè)控制技術等的結合日益密切，嵌入式設備與 i i l t e m e t 的結合將代表著嵌入式技術的未來發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)的技術特點 2 1 3 嵌入式系統(tǒng)的技術特點 嵌入式系統(tǒng)一般指非p c 系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分，它是集硬件、軟 7 第2 章嵌入式系統(tǒng)及其g u i 技術概述 件于一體的可獨立工作的“器件”。其中硬件部分包括微處理器( m p u ) 或者微控 制器器( m c u ) 以及相關支撐硬件如：存儲器( r o m 、r a m 、f l a s h 等) 、顯示設 備( l e d 、l c d 、觸摸屏等) 、通訊設備( 網絡、藍牙、紅外等) 及外部i o 接口、 圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件( o s ) 和實現(xiàn)特定功能的應用程序。應 用程序負責控制系統(tǒng)的運作和行為；而具有實時性和多任務操作特性的操作系統(tǒng) 則負責控制應用程序與硬件之間的交互作用。 其中作為硬件主體的微處理器或微控制器具有如下的特點： 對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時 間，從而使內部的代碼和實時內核的執(zhí)行時間減到最少。 具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結構已模塊 化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū)保 護功能，同時這也有利于軟件問題的診斷。 可擴展的處理器結構，這樣就能夠最迅速地擴展出滿足應用的最高性能的嵌 入式微處理器。 功耗極低，尤其是對于那些用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠 電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，比如需要功耗只有m w 甚至州級。 嵌入式系統(tǒng)的軟件包括與硬件相關的底層軟件、操作系統(tǒng)、圖形界面、通訊 協(xié)議、數(shù)據庫系統(tǒng)和應用軟件等。其中應用軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關鍵。 對嵌入式系統(tǒng)應用軟件的要求也與通用計算機有所不同，有如下幾個特點。 軟件要求固化存儲。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件 一般都需要固化在存儲芯片或單片機中，而不是存儲在磁盤等存儲介質中。 軟件代碼具有高質量和高可靠性。盡管半導體技術的發(fā)展，使處理器速度不 斷提高，芯片上的存儲容量不斷增加，但在大多數(shù)應用中，存儲空間仍然是寶貴 的，同時還存在實時性的要求。為此，要求程序編寫和編譯工具的質量要高，以 盡可能的減少程序二進制代碼的長度，提高程序的執(zhí)行速度。 許多應用要求操作系統(tǒng)( o s ) 具有實時處理能力。在多任務嵌入式系統(tǒng)中，對 重要性各不相同的任務進行統(tǒng)籌兼顧的合理調度是保證每個任務及時執(zhí)行的關 鍵。單純通過提高處理器速度無法達到要求并且效率低下。因此，這種任務調度 只能由嵌入式操作系統(tǒng)來完成，也就要求操作系統(tǒng)具有實時處理能力。 8 碩士學位論文 需要提供良好的用戶界面。對操作系統(tǒng)而言，這里的界面也可以稱作編程接 口( a p i ) ，提供完善方便的編程接口，可以大大簡化用戶應用程序的開發(fā)，同時可 以將用戶與系統(tǒng)硬件隔離，使所開發(fā)的程序具有良好的可移植性。而對于應用程 序，良好的用戶界面是用戶與系統(tǒng)進行交互的必要手段，美觀、使用方便是對這 部分的基本要求。 總而言之，與通用型計算機系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高； 功能強大、性能價格比高；實時性強，支持多任務；占用空間小，效率高；面向 特定應用，可根據需要靈活定制等特點，可以嵌入到現(xiàn)有任何信息家電和工業(yè)控 制系統(tǒng)中。 2 2 嵌入式l i n u x 2 2 1 嵌入式操作系統(tǒng)( e o s ) 概述 嵌入式操作系統(tǒng)是當今嵌入式系統(tǒng)的核心部分。嵌入式操作系統(tǒng)一般可以分 為兩類。一類是面向控制、通信等領域的實時操作系統(tǒng)；另一類是面向消費電子 產品的非實時操作系統(tǒng)。 下面對一些在國內廣泛使用的嵌入式操作系統(tǒng)進行簡單的介紹閻。 v x w 0 r k s v x w o r k s 是目前嵌入式系統(tǒng)領域中使用最為廣泛、市場占有率最高的嵌入 式實時操作系統(tǒng)，以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛的應用在軍事、航空、 航天、電力、通信等高精尖技術及實時性要求極高的領域中。v x w o d 【s 支持多 種處理器，如x 8 6 ，i 9 6 0 ，s 岫s p a r c ，m o t o r o l am c 6 8 x 雙，m m s ，p o w e rp c 等等。它使用的是和u n 不兼容的環(huán)境，大多數(shù)的v x w o r k sa p i 是專有的。 采用g n u 的編譯和調試器編寫程序。 q n x q n x 是一個實時的，可擴充的操作系統(tǒng)。q n x 提供了一個很小的微內核以 及一些可選的配合進程。其內核僅提供4 種服務：進程調度、進程間通信、底層 網絡通信和中斷處理，每個進程在獨立的地址空間內運行。所有的其它o s 服務， 都作為協(xié)作的用戶進程來實現(xiàn)，因此q n x 內核非常小巧( q n x 4 x 大約為1 2 k b ) 而且運行速度極快。 9 第2 章嵌入式系統(tǒng)及其g u i 技術概述 w m c e w i n c e 是由微軟公司推出的嵌入式實時操作系統(tǒng)，全稱是m i c r o s o f t w i i l d o w sc e 。它是從整體上為有限資源的平臺設計的多任務、多線程、多優(yōu)先 級的操作系統(tǒng)。其模塊化的設計允許它對于從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用 戶電子設備進行定制。w i n c e 的基本內核需要至少2 0 0 k b 。它最大的缺點是實 時性不好，是一個軟實時操作系統(tǒng)，只能用于對實時性要求不高的場合：同時由 于價格太高，使使用它開發(fā)的產品在成本上處于劣勢。 l i n u x l i n u ) 【是一種類似于u n i ) ( 的操作系統(tǒng)，是一個完全免費的操作系統(tǒng)。它的 內核代碼是全部從頭編寫的，只是由于它符合p o s l 0 0 3 1 標準，并且u n i ) ( 中 所有的命令它都有，同u n 政十分相似，所以人們也稱它為u n i ) 【的“克隆 。自 1 9 9 1 年誕生至今，l i n u x 在很多方面己經趕上甚至超過了很多商用的切呵系統(tǒng)。 它充分利用了x 8 6 c p u 的任務切換機制，實現(xiàn)了真正的多任務、多用戶環(huán)境。 嵌入式l i n l l ) 【在l i n l l ) 【操作系統(tǒng)的基礎上，針對嵌入式系統(tǒng)的特點進行了一 些裁剪，從而使其可以在資源有限的嵌入式系統(tǒng)上運行。由于l i n u ) ( 本身的諸多 優(yōu)勢，在嵌入式系統(tǒng)這個i t 產業(yè)的新的關鍵領域，嵌入式l m u ) 【逐漸成為了嵌 入式操作系統(tǒng)的熱點。 2 2 2 嵌入式l i n u x 的優(yōu)勢和特色 l i n u x 從1 9 9 1 年問世到現(xiàn)在，短短的十幾年時間已經發(fā)展成為功能強大、 設計完善的操作系統(tǒng)之一。在新興的嵌入式操作系統(tǒng)領域，l i n l l ) 【也獲得了飛速 發(fā)展。嵌入式l i n u ) ( 的開發(fā)和研究是操作系統(tǒng)領域中的一個熱點，目前已經開發(fā) 成功的嵌入式系統(tǒng)中，大約有一半使用的是l i n u x 。l i i l u x 之所以能在嵌入式系 統(tǒng)市場上取得如此輝煌的成果，與其自身的優(yōu)良特性是分不開的【5 】。嵌入式l i n u x 有如下一些顯著的優(yōu)點。 廣泛的硬件支持。l i n u x 能夠支持x 8 6 、a l 蝴、m i p s 、a l p h a 、p o w e r p c 等多種體系結構，目前已經成功移植到數(shù)十種硬件平臺，幾乎能夠運行在所有流 行的c p u 上。 內核高效穩(wěn)定。l m 似內核的高效和穩(wěn)定已經在各個領域內得到了證實， l i i l u 又的內核設計非常精巧，分成進程調度、內存管理、進程間通信、虛擬文件 1 0 碩士學位論文 系統(tǒng)和網絡接口五大部分，其獨特的模塊機制可以根據用戶的需要，實時地將某 些模塊插入到內核或從內核中移走。這些特性使得l i n u x 系統(tǒng)內核可以裁剪得 非常小巧，尤其適合于嵌入式系統(tǒng)的需要。 開放源代碼，軟件豐富。l i i l u ) 【是開放源代碼的自由操作系統(tǒng)，它為用戶提 供了最大限度的自由度，由于嵌入式系統(tǒng)千差萬別，往往需要針對具體的應用進 行修改和優(yōu)化，因而獲得源代碼是至關重要的。l i l l u ) ( 的軟件資源十分豐富，每 種通用程序在l i r m x 上幾乎都可以找到，并且數(shù)量還在不斷增加。在l i n u x 上 開發(fā)嵌入式應用軟件一般不用從頭做起，而是可以選擇一個類似的自由軟件做為 原型，在其上進行二次開發(fā)。 優(yōu)秀的開發(fā)工具。開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的關鍵是需要有一套完善的開發(fā)和調試工 具。傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)調試工具是在線仿真器( 1 1 1 c i r c l l i te m u l a t o r ，i c e ) ，它通 過取代目標板的微處理器，給目標程序提供一個完整的仿真環(huán)境，從而使開發(fā)者 能夠非常清楚地了解到程序在目標板上的工作狀態(tài)，便于監(jiān)視和調試程序。但是 在線仿真器的價格非常昂貴，而且只適合做非常底層的調試，如果使用的是嵌入 一式l i n u x ，一旦軟硬件能夠支持正常的串口功能時，即使不用在線仿真器也可以 很好地進行開發(fā)和調試工作，從而可以節(jié)省開發(fā)費用。嵌入式l i n u ) 【為開發(fā)者提 供了一套完整的工具鏈( t 0 0 lc h a m ) ，它利用g n u 的g c c 做編譯器，用g d b 、k g d b 、 x g d b 做調試工具，能夠很方便地實現(xiàn)從操作系統(tǒng)到應用軟件各個級別的調試。 完善的網絡通信和文件管理機制。l i i l u ) 【從誕生之日起就與1 1 1 t e m e t 密不可 分，它支持所有標準的i l l t e m e t 網絡協(xié)議，并且很容易移植到嵌入式系統(tǒng)當中。 此外，l m u ) 【還支持e x 也、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 、y a 仟s 等文件系統(tǒng)，這些都為開 發(fā)嵌入式系統(tǒng)應用打下了良好的基礎。 2 3 嵌入式g u i 技術 2 3 1 人機界面概述 計算機人機界面是指計算機與其使用者之間的對話接口，是計算機系統(tǒng)的重 要組成部分。計算機的發(fā)展史不僅是計算機本身處理速度和存儲容量飛速提高的 歷史，同時也是計算機人機界面不斷改進的歷史。早期的計算機是通過面板上的 指示燈來顯示二進制數(shù)據和指令，人們則通過面板上的開關、扳鍵及穿孔紙帶輸 第2 章嵌入式系統(tǒng)及其g u i 技術概述 入各種數(shù)據和命令。5 0 年代中、后期，由于采用了作業(yè)控制語言( j c l ) 及控制臺 打字機等，使計算機可以批處理多個計算任務，從而代替了原來笨拙的手工扳鍵 方式，提高了計算機的使用效率。1 9 6 3 年，美國麻省理工學院在7 0 9 7 0 9 0 計算 機上成功地開發(fā)出第一個分時系統(tǒng)c t s s ，該系統(tǒng)連接了多個分時終端，并最早 使用了文本編輯程序。從此，命令行形式的多用戶分時終端成為7 0 年代乃至8 0 。 年代用戶界面的主流。8 0 年代初，由美國x e r o x 公司a l t o 計算機首先使用的 s m a l l t a l l ( 一8 0 程序設計開發(fā)環(huán)境，以及后來的l i s a 、m a c i n t o s h 等計算機，將用 戶界面推向圖形用戶界面的新階段。隨之而來的用戶界面管理系統(tǒng)和智能界面的 研究均推動了用戶界面的發(fā)展。用戶界面已經從過去的人去適應笨拙的計算機， 發(fā)展到今天的計算機不斷地適應人的需求。用戶界面的重要性在于它極大地影響 了最終用戶的使用，促進了計算機的推廣應用，甚至影響了人們的工作和生活舊。 由于開發(fā)用戶界面的工作量極大，加上不同用戶對界面的要求也不盡相同，因此， 用戶界面已成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。當前，i i l t e m e t 的發(fā)展異 常迅猛，虛擬現(xiàn)實、可視化及多媒體技術等對用戶界面提出了更高的要求。 2 3 2 圖形用戶界面( g u i ) 的結構模型及特征描述 圖形用戶界面( g u d 的廣泛流行是當今計算機技術的重大成就之一，它極大 地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們不再需要死記硬背大量的命令，而可以通過窗 口、菜單方便地進行操作。 一個圖形用戶界面系統(tǒng)通常由三個基本層次組成。它們是顯示模型，窗口模 型和用戶模型。圖2 1 給出了圖形用戶界面系統(tǒng)的層次結構。 圖2 1 中的最底層是嵌入式硬件平臺。硬件平臺的上面是操作系統(tǒng)。操作系 統(tǒng)之上是圖形用戶界面的顯示模型，它決定了圖形在屏幕上的基本顯示方式。不 同的圖形用戶界面系統(tǒng)所采用的顯示模型各不相同。例如大多數(shù)在u n i x 上運行 的圖形用戶界面系統(tǒng)都采用x 窗口作顯示模型；m sw i n d o w s 則采用m i c r o s o f t 公司自己設計的圖形設備接口( g d i ) 作顯示模型。顯示模型之上是圖形用戶界面 系統(tǒng)的窗口模型。窗口模型確定窗口如何在屏幕上顯示，如何改變大小，如何移 動，及窗口的層次關系等。因為x 窗口不但規(guī)定了如何顯示基本圖形對象，也 規(guī)定了如何顯示窗口，所以它不但可以充當圖形用戶界面的顯示模型，也可以充 當它的窗口模型。窗口模型之上是用戶模型，圖形用戶界面的用戶模型又稱為圖 1 2 碩士學位論文 形用戶界面的視感。它包括兩個部分：一是構造用戶界面的工具：二是對于如何 在屏幕上組織各種圖形對象，以及這些對象之間如何進行交互的說明。圖形用戶 界面系統(tǒng)的應用程序接口由其顯示模型、窗口模型和用戶模型的應用程序接口共 同組成。 桌面系統(tǒng) 用戶模型 窗口模型 顯示模型 操作系統(tǒng) 硬件平臺 圖2 一l 圖形用尸界面系統(tǒng)的層次結構 f 譫2 - l 咖c t u 他o f g u ls y s t e m 分層體系結構便于抽象、層次結構清晰、層之間的接口功能定義明確，而且 在層之間可以很方便的插入新的層，很容易增強系統(tǒng)的功能。采用分層體系，每 一層只需要關心與之相鄰的上下兩層之間的功能定義和接口，容易設計和實現(xiàn)， 一 也便于對單層的測試，每一層的可靠性可以大大提高。而層之間的接口定義相對 簡單、方便，大大方便了系統(tǒng)集成和測試，增強整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。采 用分層體系結構設計，在不修改層之間的接口定義的情況下，可以很容易的替換 和改寫其中的一層或者多層，可以方便的增強和改寫系統(tǒng)的功能。 g u i 的基本特性主要有以下幾點。 直接操作 g u i 采用的是位映像圖形顯示技術，用戶對應用程序的控制主要通過操縱顯 示在屏幕上的圖形對象來完成，這些圖形對象( 如窗口、菜單、按鈕等) 都是在軟 件的控制下由位映像圖形( 即點陣圖形) 來實現(xiàn)的。 用戶控制 應用程序的運行不再由編程安排耗時的過程來驅動，而是由用戶通過g u i 引入的輸入設備來移動光標或點擊圖形對象，實現(xiàn)對應用程序的直接操縱，這是 一種消息事件驅動方式，它體現(xiàn)了人在控制應用程序運行中的中心地位。 界面定制 第2 章嵌入式系統(tǒng)及其g u l 技術概述 g u i 允許用戶根據需要對應用程序的界面進行剪裁和定制，如移動、縮小或 放大窗口、設置顏色等。 界面一致 g u i 系統(tǒng)作為一個完整的運行環(huán)境，應該提供一個不依賴于具體問題的界面 設計標準，使得在不同環(huán)境下運行的各種應用程序的界面風格及與用戶交互的方 式都具有良好的一致性。 2 3 3g u i 在嵌入式系統(tǒng)中的地位及嵌入式系統(tǒng)對g u i 的要求 從用戶的觀點來看，g u i 是系統(tǒng)中最至關重要的一個方面：用戶通過g u i 與系統(tǒng)進行交互，所以g u i 應該易于使用并且非常可靠，而且它還需要有內存 意識，可以在內存受限的、微型嵌入式設備上運行。從二次開發(fā)者的角度看， g u i 是一個友好的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)者無需經過艱苦的學習就能適應開發(fā)過程，這 樣才能使得基于此平臺的應用很快地豐富起來。對于二次開發(fā)商而言，也才有興 趣使用此產品為終端產品制造商提供解決方案。另外，必須清楚的是，嵌入式系 統(tǒng)往往是一種定制設備，它們對g u i 的需求也各不相同。因此，g u i 也必須是 可定制的。從系統(tǒng)的體系結構來看，g u i 系統(tǒng)屬于應用層的軟件系統(tǒng)，但通常而 言，g u i 有別于一個簡單的圖形庫，一個g u i 系統(tǒng)通常會有自己的應用開發(fā)模 式，從這個意義上講，g u i 應該屬于中間件的范疇【引。g u i 在整個系統(tǒng)中所處的 位置如圖2 2 所示。 用戶應用程序 g u i 操作系統(tǒng) 硬件平臺 圖2 2g u i 在系統(tǒng)中所處的位置 f i g 2 -