基于DSP的數(shù)字示波器用戶圖形化的開發(fā)

介紹了應(yīng)用在RIGOL DS1000系列數(shù)字示波器上的用戶圖形界面的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)分析了用戶圖形界面（GUI）的設(shè)計(jì)思路，并簡(jiǎn)單介紹了軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和流程。

隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)復(fù)雜性也在不斷提高。所以在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)用戶圖形化（GUI），已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。在測(cè)量?jī)x器中，圖形化界面也是廣泛采用，一種是嵌入操作系統(tǒng)，大多數(shù)的用戶圖形化界面（GUI）都是在操作系統(tǒng)（如OS、WinCE、Linix）的支持下， 調(diào)用系統(tǒng)的各種API函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。這些操作系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)GUI提供了大量的庫(kù)函數(shù)，也為編程人員提供了界面設(shè)計(jì)的良好平臺(tái)。但是這種嵌入技術(shù)，對(duì)硬件要求高，相當(dāng)于嵌入一臺(tái)計(jì)算機(jī)，如利用WinCE就可以十分方便的設(shè)計(jì)出具有Windows風(fēng)格的圖形界面。另一種是，直接利用DSP技術(shù)，開發(fā)小型系統(tǒng)。這種系統(tǒng)精簡(jiǎn)，對(duì)硬件要求低，但功能相對(duì)單一。

本文這款數(shù)字示波器是普源精電（RIGOL）公司推出的DS1000系列，其設(shè)計(jì)完全自主完成，貼近國(guó)人使用習(xí)慣。其用戶圖形界面（GUI）是在VisualDSP++ 4.0 Kernel的基礎(chǔ)上開發(fā)的，界面風(fēng)格緊緊與儀器的功能相聯(lián)系。在完成了儀器的波形和菜單等顯示的基礎(chǔ)上，RIGOL團(tuán)隊(duì)也做了一些通用性的用戶圖形界面，如文件管理器等。當(dāng)然，所設(shè)計(jì)的用戶圖形界面，在功能強(qiáng)大方面是遠(yuǎn)不能與WinCE等所比擬的，但是對(duì)于儀器的使用者來說，已經(jīng)是足夠的方便——因?yàn)檫@畢竟是儀器的用戶圖形界面，而不是掌上電腦PDA的用戶圖形界面。

用戶界面實(shí)現(xiàn)原理

用戶圖形界面的實(shí)現(xiàn)，需要硬件、軟件上的支持。如圖1所示，通過操作平臺(tái)（operation platform）的調(diào)配，調(diào)用顯示程序，顯示程序刷新顯示緩存，再由顯示驅(qū)動(dòng)程序，將顯示緩存中的內(nèi)容顯示到液晶屏上。

圖1 RIGOL DS1000數(shù)字示波器用戶圖形界面實(shí)現(xiàn)的原理圖

下面簡(jiǎn)要的介紹圖1中主要的幾個(gè)組成部分。

GUI圖形標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)

要在用戶圖形界面上顯示各種的圖形、圖案，除了硬件電路的支持外，還需要強(qiáng)大的軟件支持。而其中（GUI）的圖形標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)為最基礎(chǔ)，而不可或缺的。用戶圖形界面（GUI）的圖形標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)包括最基本的畫點(diǎn)、畫線、畫矩形、填充矩形、畫圓形、放置bmp格式的圖案、顯示中、英文等函數(shù)，該圖形庫(kù)功能越強(qiáng)大，就越可以支持復(fù)雜的用戶圖形界面（GUI）。

GUI的操作平臺(tái)的支持

僅僅有了繪制圖形的圖形標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，要實(shí)現(xiàn)用戶圖形界面，還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。圖形庫(kù)是單一畫面不可缺少的，但是要形成有機(jī)的、可操作的用戶圖形界面，還需要后臺(tái)有一個(gè)穩(wěn)定、功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)平臺(tái)。

操作平臺(tái)根據(jù)用戶的外界輸入（一般是鍵盤），以及系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)來決定下一步系統(tǒng)的狀態(tài)，從而調(diào)用相應(yīng)的GUI界面。如此，便實(shí)現(xiàn)了用戶圖形界面。

實(shí)現(xiàn)圖形化的硬件原理

RIGOL DS1000系列數(shù)字示波器采用的是320×234分辨率的TFT液晶顯示器，通過液晶的驅(qū)動(dòng)電路，可以使液晶正常顯示，通過幀信號(hào)同步、行信號(hào)同步、數(shù)據(jù)信號(hào)的時(shí)鐘（clock）同步，顯示點(diǎn)陣的數(shù)據(jù)將被從SDRAM中寫入到液晶顯示器的顯示緩沖器中，從而顯示出彩色圖像。

從圖1可以看出，如果要更新液晶顯示器顯示的內(nèi)容，我們只需更新LCDbuffer中的顯示數(shù)據(jù)就可以了。

用戶圖形界面（GUI）軟件的設(shè)計(jì)思路

界面種類的劃分

對(duì)于用戶圖形界面（GUI）的設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單、統(tǒng)一的完成，要考慮到用戶在各種情況下的操作界面。根據(jù)這些界面所具備的共同點(diǎn)，我們將這些界面分成如下的種類，同一種類的界面中將具備相同或者相似的功能區(qū)域。每一種界面都會(huì)有相應(yīng)的處理程序，也有專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)的不同功能劃分出如下的界面種類：

A. 背景網(wǎng)格顯示界面；B.波形顯示界面；C. 幫助文檔瀏覽界面；D.菜單顯示界面；E. 文件管理瀏覽器界面；F. 文件名稱輸入界面；J.前景內(nèi)容顯示界面（包括各種參數(shù)顯示信息，測(cè)量信息以及提示信息等）。
各界面種類如圖2、3所示。

圖2 RIGOL DS1000數(shù)字示波器圖形界面說明1

圖3 RIGOL DS1000數(shù)字示波器圖形界面說明2

界面區(qū)域與外界輸入的相互配合響應(yīng)

由以上可知，顯示的圖形雖然形形色色，但是它們都可以抽象成具有共同屬性的某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就好比是圖形界面的靈魂，掌握了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就可以讓圖形界面隨之而變。

那么如何設(shè)計(jì)、控制、改變這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就成為實(shí)現(xiàn)用戶圖形界面（GUI）的關(guān)鍵了。要響應(yīng)外界用戶的輸入，我們需要制定一套機(jī)制運(yùn)行法則，而這套機(jī)制運(yùn)行法則就是狀態(tài)機(jī)（system status machine），也是用戶用以操作儀器的操作平臺(tái)（operation platform）。依據(jù)這套運(yùn)行法則，我們的系統(tǒng)根據(jù)外界的輸入來更改各種界面下使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)圖形界面的操作。

當(dāng)然，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，操作平臺(tái)不僅僅是改變GUI的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還要考慮任務(wù)調(diào)度以及其他任務(wù)模塊中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改變。

數(shù)字示波器的用戶圖形界面（GUI）的軟件設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)出一個(gè)好的用戶圖形界面，是一個(gè)龐大而巨細(xì)的工程。涉及到方方面面的相互關(guān)系，也涉及到實(shí)現(xiàn)過程中的許多細(xì)節(jié)的問題。

如何理清這些繁多的變化關(guān)系是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。RIGOL團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)使用一些全局變量作為各種狀態(tài)、各種模式下的標(biāo)志，用以改變用戶的圖形界面。但是因?yàn)樽兞康谋姸?，?dǎo)致變量之間的搭配的可能性成倍的增加，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移關(guān)系也就會(huì)成倍的增加。這對(duì)于編程者來說，與其說是在編程，還不如說是在做一道極其龐雜的邏輯組合題。

所以，這樣的思路在理論上是可行的，但在實(shí)際中是不可取的。我們應(yīng)該盡量的去其枝葉，找到能夠貫穿整個(gè)系統(tǒng)、標(biāo)志不同狀態(tài)以及模式的變量或者結(jié)構(gòu)。最終，我們以鍵盤的輸入鍵值為主線，輔以各種的全局變量，來控制系統(tǒng)狀態(tài)的變化。鍵值雖然有許多，但是因?yàn)橹挥羞@么一個(gè)變量作為狀態(tài)量，系統(tǒng)狀態(tài)的變化就可以在掌控之中了。所以，在這個(gè)系統(tǒng)中，鍵值變量KEY_ID成為了主角，用戶界面將圍繞其進(jìn)行改變。

鍵值變量KEY_ID要根據(jù)用戶的輸入進(jìn)行改變。這里就不描繪狀態(tài)變量是如何轉(zhuǎn)移的。我們介紹對(duì)于既定的鍵值變量KEY_ID是如何完成用戶圖形界面輸出的。圖4為實(shí)現(xiàn)用戶圖形界面的軟件流程圖。

圖4 RIGOL DS1000系列示波器數(shù)字實(shí)現(xiàn)用戶圖形界面的軟件流程圖

結(jié)語

目前，國(guó)內(nèi)的數(shù)字示波器，除了測(cè)量信號(hào)的性能指標(biāo)較低外，在系統(tǒng)的整體性、用戶的可操作性等功能上都不及國(guó)外產(chǎn)品考慮得周詳。

為了彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在這方面的缺陷，RIGOL開發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的這款DS1000系列數(shù)字示波器除了實(shí)現(xiàn)高存儲(chǔ)深度、高測(cè)量精度等功能之外，更是注重了圖形用戶界面的設(shè)計(jì)。繼續(xù)保持其在技術(shù)上的創(chuàng)新和人性化、本土化的優(yōu)勢(shì)，新的用戶圖形界面使得用戶能夠比以往更加容易測(cè)量與分析波形。

隨著儀器的功能增多，會(huì)對(duì)用戶圖形界面（GUI）提出更高的要求，那么就要求GUI更加系統(tǒng)化、模塊化、功能化。所以，在這方面還有許多工作要做。