基于NiosⅡ嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)μC/GUI在便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀上的移植

便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?。便攜式設(shè)備是由硬件與軟件緊湊組合的一個(gè)單元模塊，是一種體積小、智能化程度高、功能全、使用靈活、操作方便的便攜機(jī)，適合家庭使用、外出攜帶等用途。為了使便攜式心電監(jiān)護(hù)儀實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互和更加方便的顯示，這里提出一種GUI界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就是在基于NiosⅡ處理器的嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)μC／GUI的移植，使之實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1 μC／GUI的系統(tǒng)移植

1．1 μC／GUI簡(jiǎn)介及可移植性分析

μC／GUI是Micrium公司開發(fā)的通用的嵌入式圖形用戶界面軟件，其中圖形用戶接口GUI(Graphical User Interface)。該界面軟件被設(shè)計(jì)用于為任何使用一個(gè)圖形LCD的應(yīng)用提供一個(gè)有效的不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口。它能工作于單任務(wù)或多任務(wù)的系統(tǒng)環(huán)境下。μC／GUI適用于使用任何LCD控制器和CPU的任何尺寸的物理和虛擬顯示，具有源代碼開放及模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

μC／GUI的代碼全部用ANSI的C語(yǔ)言編寫的，具有很強(qiáng)的移植性。由于μC／GUI采用分層結(jié)構(gòu)，即具有驅(qū)動(dòng)接口層和應(yīng)用層，因此可方便地移植到各種 CPU下使用。μC／GUI對(duì)各類圖像LCD顯示器具有良好的支持，并且有常見的2D圖形庫(kù)和窗口管理功能，而且消耗較少的系統(tǒng)資源，占用RAM和ROM 的空間很小。在典型的應(yīng)用中，μC／GUI需要的資源如表1所示。由表1可見，運(yùn)行μC／GUI需要的系統(tǒng)資源不是很多，并支持幾乎所有類型的CPU與大多數(shù)的LCD模塊，μC／GUI的源代碼規(guī)模適中，移植過程中可將不需要的代碼進(jìn)行剔除，而且結(jié)構(gòu)層次清晰，因此適合用于嵌入式系統(tǒng)中。

1．2 μC／GUI移植原理

嵌入式用戶圖形界面系統(tǒng)μC／GUI與嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ都是美國(guó)Micrium公司產(chǎn)品，μC／GUI能更輕易地在 μC／OS-Ⅱ上應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)與μC／0S-Ⅱ的無(wú)縫結(jié)合。在NiosⅡ嵌入式系統(tǒng)中，Altera公司已經(jīng)將μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植成功并且提供使用，所做的工作是將μC／GUI移植到NiosⅡ嵌入式平臺(tái)之上，使其能與μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)結(jié)合使用，采用μC／GUI 3．98版本的源代碼進(jìn)行移植。

μC／GUI的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，μC／GUI函數(shù)庫(kù)為用戶程序提供GUI接口，包含的函數(shù)有文本、數(shù)值、二維圖形、輸入設(shè)備以及各種窗口對(duì)象。其中，輸入設(shè)備可以是鍵盤、鼠標(biāo)或觸摸屏；二維圖形包括圖片、直線、多邊形、圓、橢圓、圓弧等；窗口對(duì)象包括按鈕、編輯框、進(jìn)度條、復(fù)選框等。

μC／GUI函數(shù)庫(kù)可以通過GUIConf．h文件進(jìn)行配置，包括內(nèi)存設(shè)備，窗口管理器，支持操作系統(tǒng)、觸摸屏，以及配置動(dòng)態(tài)內(nèi)存的大小等。在移植中，需要根據(jù)系統(tǒng)需要以外設(shè)所支持的功能對(duì)GUIConf．h文件進(jìn)行配置。

在LCDConf．h文件中定義了與硬件有關(guān)的各種屬性，如液晶的大小、顏色以及與液晶的接口函數(shù)。而LCD驅(qū)動(dòng)文件則負(fù)責(zé)把μC／GUI的各種函數(shù)解釋成LCDConf.h文件定義的液晶接口函數(shù)，這個(gè)文件與具體的硬件連接無(wú)關(guān)。在移植時(shí)，需要對(duì)LCDConf．h文件進(jìn)行配置，并針對(duì)LCD控制器編寫相應(yīng)的LCD驅(qū)動(dòng)文件。

2 μC／GUI在NiOSⅡ上的移植設(shè)計(jì)

2．1 TFT LCD IP核結(jié)構(gòu)

μC／GUI的移植是基于IP核的移植，編寫TFT LCD控制器，所以移植時(shí)，在底層配置文件，參數(shù)的配置要和TFT LCDIP的相關(guān)參數(shù)相匹配，否則不可能移植成功，該IP核的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

液晶屏采用臺(tái)灣統(tǒng)寶公司的TRDB_LCM 3．6寸屏，該屏的分辨率是320x240，支持24位色，也就是RGB888模式，但是由于Avalon總線支持傳輸數(shù)據(jù)寬度的差異，因此只用16位色，即RGB為565的模式。由于DE2-70有2個(gè)32 MB的SDRAM，所以拿使用其中一塊作為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，Nio-sⅡ處理器將圖像數(shù)據(jù)寫入該SDRAM中，在NiosⅡIDE中用軟件控制緩沖器的開啟，當(dāng)開啟緩沖器之后，該BUFFER會(huì)源源不斷地讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)，為避免讀數(shù)據(jù)和NiosⅡ處理器向其中寫入數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生沖突，Avalon總線自動(dòng)在二者之間加入了一個(gè)Arbitrator仲裁模塊來決定執(zhí)行哪個(gè)操作。

配置LCD采用3線串行總線配置LCD，緩沖器以Avalon存儲(chǔ)器映像主機(jī)的方式從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)，然后以Avalon Streaming Soume的方式把這些數(shù)據(jù)傳送到LCD控制器上，LCD控制器是以Avalon Streaming Sink的方式接收從緩沖器傳來的數(shù)據(jù)，LCD控制器生成時(shí)序，在適當(dāng)時(shí)候?qū)?shù)據(jù)送出到TFT LCD屏上顯示。

2．2 移植過程

2. 2．1 μC／GUI的文件組織結(jié)構(gòu)

μC／GUI是以ANSI C源碼包的形式提供的。源碼包由配置文件目錄(Config)和庫(kù)函數(shù)目錄(GUI)2個(gè)文件目錄組成。在Config目錄中包含了LCDConf．h、GUITouchConf．h、GUIConf．h 3個(gè)配置文件，這3個(gè)文件分別用于LCD底層接口的配置、觸摸屏底層接口的配置以及μC／GUI自身的配置。在GUI目錄中的庫(kù)函數(shù)文件按照不同功能又分成若干子目錄如圖3所示，各子目錄所實(shí)現(xiàn)的功能如表2所示。

2．2．2 移植過程

首先建立一個(gè)硬件系統(tǒng)，采用Altera公司的QuartusⅡ9．0版本的配套軟件，硬件系統(tǒng)在QuartusⅡ集成的 SOPCBuilder系統(tǒng)開發(fā)工具中建立，添加NiosⅡ處理、JTAG調(diào)試模塊、添加定時(shí)器SDRAM控制器、BUFFER IP、TFT LCD IP以及其他部分組件，最后生成一個(gè)硬件系統(tǒng)。然后在NiosⅡIDE環(huán)境下針對(duì)該系統(tǒng)建立一個(gè)TFT LCD軟件工程，并且將μC／GUI有關(guān)的源代碼拷貝到工程目錄下，修改LCDConf．h、GUIConf． h、LCDLin32．c以及GUI_X_uCOS.c文件，使之與LCD控制相匹配，在該系統(tǒng)中，LCD采用16位數(shù)據(jù)總線，而CPU是32位的NiosⅡ軟核處理器，先查看一下μC／GUI所支持的數(shù)據(jù)寬度信息，其數(shù)據(jù)寬度和NiosⅡ處理器所支持的寬度基本吻合，只要在改動(dòng)代碼時(shí)注意就可以。以下是具體的代碼實(shí)現(xiàn)情況：

因?yàn)檫@里是基于TFT LCD IP核的移植，所以要定義LCD的讀寫函數(shù)，即LCD_READ_MEM(Off)和LCD_WRITE_MEM(Off，data)以及顯示緩存區(qū)的起始位置，讀寫函數(shù)中的Off和data都是32位的無(wú)符號(hào)數(shù)，而操作函數(shù)IORD_32DIRECT()以及IOWR_32DIRECT()都是一次執(zhí)行 32位數(shù)的操作，剛好和NiosⅡ處理器的數(shù)據(jù)寬度相匹配。由于支持μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，所以要對(duì)GUI_X_uCOS．c文件進(jìn)行修改，增加系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)OSTimeDly(1)，使之能與μC／OSⅡ操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，以及3個(gè)子函數(shù)，void GUI_X_Log(const char*s){GUI_USE_PARA (s)；}；void GUI_X_Warn(const char*s){GUI_USE_PARA(s)；}；void GUI_X_ErrorOut(const char*s){ GUI_USE_PARA(s)；}；LCDLin32．e是對(duì)應(yīng)3200型號(hào)控制器的驅(qū)動(dòng)文件，由于在LCDConf．h中已經(jīng)對(duì)用到的參量進(jìn)行設(shè)置，所以無(wú)需修改，剩下的工作就是把不用的文件進(jìn)行剔除，以減少編譯時(shí)產(chǎn)生多余的代碼量。

3 移植驗(yàn)證

在NiosⅡIDE環(huán)境下修改配置文件以及驅(qū)動(dòng)文件，然后編譯該系統(tǒng)，系統(tǒng)編譯成功，編譯成功之后還有MICRIUM公司的聯(lián)系方式，這個(gè)是提醒用戶該系列軟件如果要用于商業(yè)目的是需要買license的，用于研究目的是免費(fèi)的。

圖片驗(yàn)證是采用μC／GUI自帶的位圖轉(zhuǎn)換工具uC-GUI-BitmapConvert．exe，該工具可以將．bmp格式圖片轉(zhuǎn)換成指定的C語(yǔ)言數(shù)組的形式保存，例如將蘭博基尼跑車標(biāo)志的圖片轉(zhuǎn)換成RGB565的格式進(jìn)行保存，加入工程，編譯工程，然后下載驗(yàn)證，如圖4所示。窗口管理組件驗(yàn)證采用代碼包中自帶的一個(gè)測(cè)試代碼，其效果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，移植是成功的。

4 結(jié)論

本文介紹了μC／GUI界面系統(tǒng)，以及NiosⅡ嵌入式系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了移植的過程，以及最終實(shí)現(xiàn)移植。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在嵌入式系統(tǒng)中使用μC／GUI進(jìn)行人機(jī)界面的開發(fā)，不但移植簡(jiǎn)單、使用靈活，而且功能強(qiáng)大，穩(wěn)定高效，大大降低了在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)圖形人機(jī)界面的復(fù)雜程度，而且 μC／GUI還提供了幾個(gè)非常實(shí)用的工具軟件，其中包括一個(gè)仿真器，它使得在進(jìn)行移植工作的同時(shí)，就可以在仿真器上進(jìn)行軟件界面部分的程序編寫，加快了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度。還有位圖轉(zhuǎn)換工具，可以輕松地將圖片轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言數(shù)組的形式保存，方便界面開發(fā)。μC ／GUI還支持其他PS2鼠標(biāo)、PS2鍵盤、觸摸屏，包含豐富的繪圖庫(kù)、動(dòng)畫顯示優(yōu)化、還可以自己加入中文字體，通過使用μC／GUI的各項(xiàng)功能，相信可以在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)出功能強(qiáng)大的人機(jī)界面，而且在嵌入式系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。