半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的嵌入式GUI開(kāi)發(fā)

Linux在臺(tái)式機(jī)上的成功，使大家看到了Linux在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中的輝煌應(yīng)用前景。嵌入式Linux具有源碼開(kāi)放、硬件需求低、軟件模塊化、可隨意配置免許可、可移植等特點(diǎn)，符合工控領(lǐng)域可靠性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性等要求。Qt是奇趣（Trolltech）公司開(kāi)發(fā)的一套跨平臺(tái)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，擁有直觀(guān)、強(qiáng)大的API接口和C++類(lèi)庫(kù)，2000年發(fā)布的Qt/Embedded Linux版本可用于Linux嵌入式設(shè)備，Qt/Embedded Linux提供了自己的窗口系統(tǒng)，并且可以作為X11的輕量級(jí)替代產(chǎn)品。半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等優(yōu)點(diǎn)，作為一種新穎的激光光源，已經(jīng)廣泛用于軍事、醫(yī)療、通信、工業(yè)等領(lǐng)域，如激光通信、激光雷達(dá)、激光手術(shù)、激光焊接。半導(dǎo)體激光器的特性受驅(qū)動(dòng)電流和溫度的影響，閾值電流隨溫度的升高而增大，當(dāng)達(dá)到閾值電流時(shí)輸出光功率隨注入電流成線(xiàn)性變化，相同注入電流在不同溫度下的輸出光功率也不同，溫度的變化也會(huì)引起中心波長(zhǎng)的漂移，所以，半導(dǎo)體激光器的控制包括對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的控制和工作溫度的控制。半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的控制方法多樣，利用Qt/Embedded開(kāi)發(fā)的嵌入式圖形用戶(hù)界面能夠方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

1開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的控制核心處理器采用Sitare系列ARM處理器AM3354，其最高運(yùn)行頻率可達(dá)800 MHz，集成了基于A(yíng)RM Cortex A8的微處理器單元（MPU），POWERVR SGXTM圖形加速器，可編程實(shí)時(shí)單元和工業(yè)用通信子系統(tǒng)，保證系統(tǒng)在低功耗運(yùn)行的同時(shí)擁有高性能。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，外接256 MB的SDRAM和2 GB的NANDFLASH；電源管理芯片TPS65217用于處理器的電源管理，它能提供靈活的加電和斷電時(shí)序并擁有電源正常輸出、按鈕監(jiān)視器等附加功能；外接7寸LCD液晶顯示觸摸屏，處理器內(nèi)的LCD控制器集成了LCD接口顯示驅(qū)動(dòng)器控制器，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后可直接連接LCD模塊；AM3354處理器最多可支持6個(gè)UART，系統(tǒng)通過(guò)串口與LD驅(qū)動(dòng)源連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1 LD驅(qū)動(dòng)源控制硬件結(jié)構(gòu)圖

嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)屬于跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)，由于目標(biāo)機(jī)CPU和宿主機(jī)CPU擁有不同的架構(gòu)，需要構(gòu)建一個(gè)交叉編譯環(huán)境，使在宿主機(jī)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序經(jīng)過(guò)交叉編譯后能夠在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。用來(lái)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為宿主機(jī)，一般運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。嵌入式設(shè)備屬于目標(biāo)機(jī)。這里使用的宿主機(jī)為安裝了Ubuntu操作系統(tǒng)的X86計(jì)算機(jī)（Ubuntu是一個(gè)以桌面應(yīng)用為主的Linux操作系統(tǒng)），目標(biāo)機(jī)為AM3354為處理器的嵌入式主板，操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux.由于Qt /Embedded和Qt/X11有一樣的API，在開(kāi)發(fā)嵌入式環(huán)境的應(yīng)用程序時(shí)，可以先在帶Qt/X11庫(kù)的宿主機(jī)上開(kāi)發(fā)。

在此安裝的交叉編譯器版本為arm-linux-gcc-4.4.3，支持硬浮點(diǎn)運(yùn)算。解壓到某一目錄下，在系統(tǒng)啟動(dòng)文件/etc/profile設(shè)置交叉編譯器環(huán)境變量，最后導(dǎo)入環(huán)境變量，#arm-linux-gcc-v命令可以查看編譯器是否添加成功。安裝嵌入式Qt應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)庫(kù)，解壓Qt/Embedded庫(kù)到相應(yīng)目錄下并編譯。在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，要正確設(shè)置環(huán)境變量，以使應(yīng)該程序能正確調(diào)用安裝目錄下的庫(kù)文件。

2 Qt/Embedded應(yīng)用程序軟件設(shè)計(jì)

Qt/Embedded軟件體系摒棄了X lib庫(kù)，將外部輸入設(shè)備抽象為鍵盤(pán)和鼠標(biāo)事件，采用幀緩沖作為底層圖形接口，應(yīng)用程序可以直接寫(xiě)內(nèi)核幀緩沖，避免了使用繁瑣的X lib/Server機(jī)制。

Qt/Embedded應(yīng)用程序設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境圖形編程方式，一種是代碼編程方式。無(wú)論使用哪種方式都會(huì)涉及元對(duì)象系統(tǒng)。元對(duì)象系統(tǒng)是對(duì)C++進(jìn)行擴(kuò)展的一種機(jī)制，Qt使用這種機(jī)制創(chuàng)建了獨(dú)立的軟件組件，它提供了關(guān)鍵的兩項(xiàng)技術(shù)：信號(hào)-槽以及內(nèi)省。內(nèi)省功能對(duì)于實(shí)現(xiàn)信號(hào)和槽是必需的，并且允許應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)人員在運(yùn)行時(shí)獲得有關(guān)QObject子類(lèi)的“元信息”，包括一個(gè)含有對(duì)象的類(lèi)名以及它所支持的信號(hào)和槽的列表。信號(hào)和槽是Qt通信機(jī)制的核心。當(dāng)一個(gè)特殊的事情發(fā)生時(shí)便可以發(fā)射一個(gè)信號(hào)，而槽就是一個(gè)函數(shù)，它在信號(hào)發(fā)射后被調(diào)用來(lái)響應(yīng)這個(gè)信號(hào)，通常一個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)槽，一個(gè)信號(hào)也可以關(guān)聯(lián)多個(gè)槽，多個(gè)信號(hào)也可以關(guān)聯(lián)到同一個(gè)槽上。

2.1串口通信的實(shí)現(xiàn)

在Qt中并沒(méi)有特定的串口控制類(lèi)，大部分使用第三方寫(xiě)的qextserialport類(lèi)。該類(lèi)包含兩個(gè)類(lèi)：QextSeri-alBase類(lèi)和Posix_QextSerialPort類(lèi)，后者繼承前者，而QextSerialBase類(lèi)又繼承自Qt軟件自帶的QIODevice類(lèi)。在QextSerialBase類(lèi)中涉及到了一個(gè)枚舉變量QueryMode，它有兩個(gè)值Polling和EventDriven，Polling指的是查詢(xún)方式讀/寫(xiě)串口，EventDriven是事件驅(qū)動(dòng)方式。事件驅(qū)動(dòng)方式就是使用事件處理串口的讀取，一旦有數(shù)據(jù)到來(lái)，就會(huì)發(fā)出readyRead（）信號(hào)，就可以關(guān)聯(lián)該信號(hào)來(lái)讀取串口的數(shù)據(jù)。

在事件驅(qū)動(dòng)的方式下，串口的讀/寫(xiě)是異步的，調(diào)用讀/寫(xiě)函數(shù)會(huì)立即返回，它們不會(huì)凍結(jié)調(diào)用線(xiàn)程。而查詢(xún)方式Polling讀/寫(xiě)函數(shù)是同步執(zhí)行的，信號(hào)工作在這種模式下是不起作用的，但這種模式下開(kāi)銷(xiāo)較小，可以建立定時(shí)器來(lái)讀取串口的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果顯示在Qt的圖形用戶(hù)界面上。這里采用Polling查詢(xún)方式讀/寫(xiě)串口。設(shè)置一個(gè)100 ms的定時(shí)器，通過(guò)Qt特有的信號(hào)與槽機(jī)制，將定時(shí)溢出信號(hào)關(guān)聯(lián)到讀串口槽函數(shù)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集顯示。

程序流程：首先新建一個(gè)串口類(lèi)，設(shè)置串口通信的屬性，最常見(jiàn)的屬性設(shè)置包括通信端口、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)、停止位以及控制流等，然后讀/寫(xiě)串口。

每個(gè)設(shè)備端口在/dev目錄下都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的文件，Linux下的文件用文件描述符來(lái)描述，它指向內(nèi)核中每個(gè)進(jìn)程打開(kāi)的文件記錄表。串口資源的文件路徑是/dev/ttyO*，因此對(duì)串口的操作就像對(duì)普通文件的操作一樣，部分操作程序如下：

struct PortSettings myComSetting = {BAUD9600，DATA_8，PAR_NONE，STOP_1，F(xiàn)LOW_OFF，500}；

QString portName ="/dev/ttyO2"；

myCom=new Posix_QextSerialPort（portName，myComSetting，QextSerialBase：：EventDriven）；

myCom->open（QIODevice：：ReadWrite）；

QByteArray temp=myCom->readAl（l）；

2.2軟鍵盤(pán)的調(diào)用

文中設(shè)計(jì)的軟鍵盤(pán)包括字母、數(shù)字的輸入、大小寫(xiě)字母的切換以及退格、回車(chē)等功能。在Linux環(huán)境的QtDesigner下，創(chuàng)建一個(gè)新的Widget，將Buttons選項(xiàng)中的PushButton按鍵拖入到軟鍵盤(pán)區(qū)域內(nèi)，然后根據(jù)需要修改每個(gè)按鍵上面的文本屬性和名字屬性。

軟鍵盤(pán)的實(shí)現(xiàn)是基于信號(hào)與槽機(jī)制。利用Qt的多信號(hào)映射機(jī)制，首先使用QSignalMapper類(lèi)來(lái)捆綁不同按鍵所發(fā)送的一系列無(wú)參數(shù)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為有參數(shù)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)函數(shù)可以響應(yīng)不同按鈕的功能；然后需要建立每一鍵值對(duì)應(yīng)的信號(hào)與槽之間的關(guān)系connect（ui->pushButton，SIGNAL（clicked（）），碼值信號(hào)調(diào)用sendCharacter（QChar）槽，從而實(shí)現(xiàn)正確的鍵值輸入。界面設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2軟鍵盤(pán)界面

Qt設(shè)計(jì)師窗口部件簡(jiǎn)單有限，某些情況下要自定義窗口部件。它有兩種方法：改進(jìn)法和插件法。插件法需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)插件庫(kù)，它為可選的額外功能提供了一個(gè)特殊接口。Qt設(shè)計(jì)師運(yùn)行時(shí)可以加載這個(gè)庫(kù)，并且利用該庫(kù)創(chuàng)建窗口部件的實(shí)例，本設(shè)計(jì)自定義了三個(gè)窗口部件QMeter、thermometer和led.

3程序的移植和發(fā)布

安裝了交叉工具鏈以及經(jīng)過(guò)交叉編譯的Qt/E庫(kù)后，就可以將前面編輯好的應(yīng)用程序進(jìn)行交叉編譯生成可執(zhí)行二進(jìn)制文件，然后發(fā)布到嵌入式控制板中。另外，在發(fā)布之前需要先移植tslib和Qt/E庫(kù)，tslib是電阻式觸摸屏用于校準(zhǔn)的一個(gè)軟件庫(kù)，是一個(gè)開(kāi)源的程序，能夠?yàn)橛|摸屏驅(qū)動(dòng)獲得的采樣提供諸如濾波、去抖、校準(zhǔn)等功能，通常作為觸摸屏驅(qū)動(dòng)的適配層，為上層的應(yīng)用提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口。解壓根文件系統(tǒng)到home路徑下，復(fù)制編譯好的tslib、Qt/E庫(kù)文件到根文件系統(tǒng)中，最后導(dǎo)出相應(yīng)的環(huán)境變量。應(yīng)該程序可以以界面圖標(biāo)的形式運(yùn)行，這時(shí)，就需要自己制作啟動(dòng)器文件，在for-linx/web/lighttpd/webpages/apps目錄下新建current.desk-top文件，然后編輯該文件：

#！/usr/bin/env xdg-open

[Desktop Entry]

Name=Serial

GenericName=Demo App

Icon=/forlinx/web/lighttpd/webpages/apps/images/current.png

Exec=/forlinx/web/lighttpd/webpages/shell/current.sh

Type=Application

ProgramType=gui

current.png是一個(gè)32×32的PNG圖標(biāo)文件，可根據(jù)自己的需要制作并存于相應(yīng)路徑下。交叉編譯生成的二進(jìn)制文件current放于forlinx/qt/bin目錄中。current.sh是編寫(xiě)的shell腳本，當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊界面圖標(biāo)時(shí)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行腳本文件里的命令：

#！/bin/sh

if test -e /dev/fb0；

then

width=′fbset | grep′geometry′| awk′{print $2}′′

height=′fbset | grep′geometry′| awk′{print $3}′′

let height=height-38

geo=′echo $widthx$height+0+0′

fi

pidof matrix_gui > /dev/null 2>

if [ $？ == 0 ]

then /forlinx/qt/bin/serial -geometry $geo$*

else

export TSLIB_TSDEVICE=/dev/input/touchscreen0

export QWS_MOUSE_PROTO=Tslib：/dev/input/touchscreen0

/forlinx/qt/bin/current -qws -geometry $geo$*

fi

如果需要開(kāi)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行程序，可以編輯啟動(dòng)時(shí)的執(zhí)行文件/etc/init.d/rcS，將啟動(dòng)程序路徑和可執(zhí)行應(yīng)用程序名添加到這里，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)程序的自動(dòng)運(yùn)行，在嵌入式主板上運(yùn)行效果如圖5所示。

4結(jié)語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、高可靠性以及友好高效的GUI被廣泛用于工業(yè)控制當(dāng)中?；赒t/Embedded設(shè)計(jì)的嵌入式控制界面實(shí)現(xiàn)了與單片機(jī)的串口通信、文字的編輯、控件的載入和顯示、數(shù)據(jù)的保存記憶、軟鍵盤(pán)的調(diào)用等功能。本文根據(jù)光纖激光器泵浦源的特點(diǎn)，以設(shè)計(jì)泵浦源驅(qū)動(dòng)的人機(jī)交互界面為前提，結(jié)合用戶(hù)需求和Qt/Embedded特點(diǎn)來(lái)開(kāi)發(fā)嵌入式控制面板。詳細(xì)介紹了基于Qt/Embedded的嵌入式應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程，并成功移植到嵌入板中控制LD正常工作。