基于ARM與WinCE的演示系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

引 言

演示系統(tǒng)從最初的純光學(xué)幻燈機(jī)開始，已經(jīng)有了數(shù)十年的歷史。發(fā)展至今，憑借與PC的整合優(yōu)勢(shì)，數(shù)字投影技術(shù)已經(jīng)成為主流。傳統(tǒng)意義上的數(shù)字演示系統(tǒng)由PC和投影設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)控制器、信號(hào)源和光學(xué)投影3部分功能。在演示過(guò)程中，由演示者直接操作PC，并由PC將待顯示信號(hào)輸出到投影設(shè)備。PC作為控制器和信號(hào)源，處于核心地位。在這一結(jié)構(gòu)中，以PC作為信號(hào)源有利于發(fā)揮其較強(qiáng)的處理能力，能夠帶來(lái)比較好的演示效果；同時(shí)，作為控制器，PC可以利用其豐富的人機(jī)交互能力提供便捷的操作。但另一方面，以PC為核心的演示系統(tǒng)也存在以下局限性：

①對(duì)PC的依賴性。演示系統(tǒng)必須配備1臺(tái)PC，作為操作和提供演示信號(hào)之用，為演示帶來(lái)不便。

②演示者的使用環(huán)境不能無(wú)縫遷移。在一些專業(yè)性較強(qiáng)的領(lǐng)域，演示者往往需要可以運(yùn)行專業(yè)軟件的環(huán)境，而專用于演示的PC往往不具備這種條件，演示效果自然受到很大影響。

1 總體設(shè)計(jì)思路和流程

1.1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

針對(duì)傳統(tǒng)演示系統(tǒng)存在的上述不足，以提高演示系統(tǒng)便攜性、易用性為目標(biāo)，嵌入式演示系統(tǒng)希望通過(guò)其他手段取代PC在演示系統(tǒng)的核心地位，從而使演示人員借助盡量少的設(shè)備，甚至不需要額外設(shè)備就能完成演示，并具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，使演示者獲得更好的使用體驗(yàn)。

1.2 實(shí)現(xiàn)途徑和方法

現(xiàn)階段，設(shè)備廠商主要通過(guò)配備USB、1394、讀卡器等接口的方式來(lái)提高系統(tǒng)的便攜性和易用性。這些接口通過(guò)投影機(jī)內(nèi)部的嵌入式處理器，讀取優(yōu)盤、SD卡、移動(dòng)硬盤等外置存儲(chǔ)器內(nèi)的文件，將文件信息轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)，輸出到投影設(shè)備上，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)PC演示，如EPSONEMP-1815。

從結(jié)構(gòu)上看，這種方法就是將嵌入式系統(tǒng)作為演示系統(tǒng)的控制器，優(yōu)盤、閃存卡等移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備作為演示信息源，從而將PC取代。雖然這樣能夠?qū)崿F(xiàn)脫離PC的演示，但整個(gè)系統(tǒng)還存在以下局限：

①硬件層的性能尚不足以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜文檔和數(shù)據(jù)的處理。雖然目前嵌入式系統(tǒng)相當(dāng)于1個(gè)精簡(jiǎn)的PC系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，其硬件性能已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，但是相對(duì)于PC的處理能力來(lái)說(shuō)還是有較大差距，以現(xiàn)階段嵌入式系統(tǒng)的處理能力，還無(wú)法完美地執(zhí)行大多數(shù)PC上的文檔數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用。

②軟件層方面，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件存在局限性。雖然嵌入式系統(tǒng)的軟硬件條件已經(jīng)與PC很接近，但無(wú)論是嵌入式的Windows系統(tǒng)還是Linux系統(tǒng)，都是其PC版本的精簡(jiǎn)，大部分PC上的專業(yè)軟件都還沒(méi)有對(duì)應(yīng)于嵌入式系統(tǒng)的版本，無(wú)法滿足專業(yè)演示的多樣化需求。

1.3 設(shè)計(jì)方案

為滿足要求，嵌入式演示系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上主要有以下兩方面的考慮：

(1)基于嵌入式系統(tǒng)自身處理能力的本地文件演示

現(xiàn)有的嵌入式演示系統(tǒng)，都是通過(guò)USB接口、讀卡器等讀取優(yōu)盤、閃存卡等存儲(chǔ)介質(zhì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)本地文件的支持。雖然這種依賴嵌入式系統(tǒng)自身處理能力的方式具有之前分析的軟硬件方面的不足，但已完全能勝任一些對(duì)運(yùn)算要求不高的演示任務(wù)。

(2)基于網(wǎng)絡(luò)的瘦客戶端方案

瘦客戶端(thin client)指的是在客戶端一服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)體系中基本無(wú)需應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)終端。它通過(guò)接入局域網(wǎng)，經(jīng)由特定協(xié)議與服務(wù)器通信。瘦客戶端將其鼠標(biāo)、鍵盤等輸入傳送到服務(wù)器處理，服務(wù)器再把處理結(jié)果回傳至客戶端顯示。

瘦客戶端方案充分地利用了嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接能力，可以很好地克服嵌入式系統(tǒng)自身的局限和不足。主要體現(xiàn)在如下兩方面。

　?、龠\(yùn)算量小，適合嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)作為瘦客戶端，在整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中僅僅需要負(fù)責(zé)接收與顯示服務(wù)器端回傳的遠(yuǎn)程操作畫面，較低的硬件要求就可以實(shí)現(xiàn)媲美PC的顯示效果。

　?、谥苯永肞C端成熟的軟件體系，具有良好的軟件兼容性。由于嵌入式系統(tǒng)作為瘦客戶端，直接將遠(yuǎn)程服務(wù)器作為遠(yuǎn)程桌面，達(dá)到間接操作遠(yuǎn)程服務(wù)器的目的，所以用戶在客戶端操作的軟件環(huán)境和文檔數(shù)據(jù)都與服務(wù)器端完全一致，從而能夠提供使用環(huán)境和習(xí)慣從遠(yuǎn)程服務(wù)器端到客戶端無(wú)縫“遷移”的良好用戶體驗(yàn)。

但基于瘦客戶端的應(yīng)用也有其不足之處，比如對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的依賴性，一旦脫離網(wǎng)絡(luò)環(huán)境就無(wú)法工作等。

綜上所述，結(jié)合目前的軟硬件環(huán)境，采取兼顧上述2種途徑的方案是最為可行的。

1.4 硬件平臺(tái)簡(jiǎn)介

本嵌入式演示系統(tǒng)基于以三星S3C2440為核心的ARM9嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)輔助輸出電路將開發(fā)板輸出的數(shù)字顯示信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬VGA信號(hào)，最終輸出到投影儀。開發(fā)板硬件自帶USB接口、讀卡器、網(wǎng)卡接口，用以與外界作數(shù)據(jù)交換。

1.5 軟件需求分析

本設(shè)計(jì)的軟件部分需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有：

　?、賹?shí)現(xiàn)本地文件資源的管理，通過(guò)開發(fā)板自帶的USB、讀卡器等接口，與外置存儲(chǔ)設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

　?、谠谇度胧较到y(tǒng)上實(shí)現(xiàn)本地文檔、視頻、圖片等文件的打開和播放，滿足基本演示要求。

　?、圩鳛槭菘蛻舳藢?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接功能，能對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)器端進(jìn)行控制和回顯。

1.6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，嵌入式系統(tǒng)硬件位于系統(tǒng)的最底層，第2層的嵌入式操作系統(tǒng)向下驅(qū)動(dòng)底層硬件，向上對(duì)應(yīng)用程序提供接口，調(diào)度管理嵌入式系統(tǒng)的軟硬件資源。整個(gè)嵌入式系統(tǒng)包含1套完整的軟硬件架構(gòu)，并具有一定的運(yùn)算能力，可以運(yùn)行簡(jiǎn)單的程序，實(shí)現(xiàn)管理本地資源的功能。

通過(guò)系統(tǒng)自帶的RJ-45以太網(wǎng)接口接入，嵌入式系統(tǒng)在局域網(wǎng)中可作為1個(gè)能夠獲得獨(dú)立IP地址的網(wǎng)絡(luò)瘦客戶端，通過(guò)遠(yuǎn)程連接程序與遠(yuǎn)程服務(wù)器端相聯(lián)，發(fā)送鼠標(biāo)鍵盤等簡(jiǎn)單輸入信息。服務(wù)器端經(jīng)運(yùn)算后，回顯處理結(jié)果，達(dá)到在瘦客戶端間接實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用和處理的效果。

2主要技術(shù)和實(shí)現(xiàn)

在軟件方面，主要涉及系統(tǒng)層和應(yīng)用程序?qū)印?/p>

2.1 系統(tǒng)層

本設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)采用微軟公司的嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 5.0。Windows CE在秉承Windows桌面操作系統(tǒng)高效易用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，兼容常見(jiàn)的嵌入式硬件，封裝了底層硬件接口，便于開發(fā)者開發(fā)基于嵌入式的應(yīng)用程序。在Windows CE 5.0上，微軟提供了兼容.netframework的開發(fā)平臺(tái).net compact framework，使開發(fā)人員能夠在盡可能接近桌面應(yīng)用程序的環(huán)境下開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序，提高了程序的開發(fā)效率和不同平臺(tái)下的可移植性。

本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是在Windows CE上進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和本地資源管理模塊的應(yīng)用程序開發(fā)。

2.2 遠(yuǎn)程控制模塊

遠(yuǎn)程控制是在網(wǎng)絡(luò)上由1臺(tái)電腦(主控端Remote／客戶端)遠(yuǎn)距離控制另一臺(tái)電腦(被控端HoST／服務(wù)器端)的技術(shù)，控制程序一般分2部分(客戶端程序Client和服務(wù)器端程序Server)，開始控制的時(shí)候，由Client端向Server端發(fā)出請(qǐng)求，Server端接受請(qǐng)求后與Client端建立連接。

2.2.1 UltraVNC

使用UltraVNC作為遠(yuǎn)程控制程序，與其他遠(yuǎn)程控制程序類似，采用客戶端／服務(wù)器架構(gòu)，允許經(jīng)由TCP／IP網(wǎng)絡(luò)連接，監(jiān)視和控制遠(yuǎn)程PC。UltraVNC作為以RealVNC為基礎(chǔ)開發(fā)的遠(yuǎn)程控制程序，具有以下特點(diǎn)：

◆遵循業(yè)界廣泛應(yīng)用的RFB協(xié)議；

◆經(jīng)過(guò)優(yōu)化，有效降低了網(wǎng)路連接時(shí)的系統(tǒng)資源占用，適合在嵌入式等性能有限的設(shè)備上使用；

◆免費(fèi)程序，并在GPL協(xié)議下開放源代碼，便于進(jìn)行二次開發(fā)。

要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，需要在遠(yuǎn)程PC上安裝服務(wù)器端程序，在嵌入式系統(tǒng)上安裝客戶端程序。對(duì)于WinCE平臺(tái)，UltraVNC并沒(méi)有官方發(fā)布的兼容客戶端，所以需要將UltraVNC官方客戶端程序移植到WinCE平臺(tái)的嵌入式設(shè)備上。

2.2.2 RFB協(xié)議

RFB(Remote FrameBuffer)是遠(yuǎn)程圖形用戶的簡(jiǎn)單協(xié)議，工作在幀緩存級(jí)別上，所以它可以兼容于目前的主流操作系統(tǒng)，包括Windows、Linux和Mac OS。

RFB是真正意義上的“瘦客機(jī)”協(xié)議。RFB協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于減少對(duì)客戶端的硬件需求。這樣客戶端就可以運(yùn)行在不同的硬件上，客戶機(jī)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)上就會(huì)盡量簡(jiǎn)單。

RFB協(xié)議對(duì)于客戶端是無(wú)狀態(tài)的。也就是說(shuō)，如果客戶端從服務(wù)器端斷開，那么當(dāng)它重新連接相同的服務(wù)器，客戶端的狀態(tài)會(huì)被保存。甚至，1個(gè)不同的客戶端可以用來(lái)連接相同的RFB服務(wù)器，而在新的客戶端已經(jīng)能夠獲得與前一個(gè)客戶端相同的用戶狀態(tài)。因此，用戶的應(yīng)用接口變得非常便捷。只要合適的網(wǎng)絡(luò)連接存在，那么用戶就可以使用自己的應(yīng)用程序，并且這些應(yīng)用會(huì)一直保存，即使在不同的接入點(diǎn)也不會(huì)變化。這樣無(wú)論在哪，系統(tǒng)都會(huì)給用戶提供一個(gè)熟悉、獨(dú)特的計(jì)算環(huán)境。

2.2.3 程序結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)流程

程序定義的常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

①“class Conn”。連接實(shí)現(xiàn)的核心類，主要負(fù)責(zé)與UltraVNC Server端的連接，內(nèi)容的顯示，以及Server端回傳信息的處理。

②“class ConnOpts”。ConnOps類中定義了連接UltraVNC Server端所需要的連接參數(shù)，如連接模式、IP地址、端口、連接密碼等。

③“class NetworkConn”。NetworkConn封裝了WinCE中網(wǎng)絡(luò)連接相關(guān)的函數(shù)，便于程序調(diào)用

④“namespace Vnc．RfbProto”。Vnc．RfbProto命名空間封裝了RFB協(xié)議的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)，作為遠(yuǎn)程控制模塊的底層軟件調(diào)用。

⑤“class VncAuth”。系統(tǒng)安全組件，用于加密傳輸用戶連接密碼。

程序功能實(shí)現(xiàn)基本流程：

①通過(guò)獲取到的輸入連接參數(shù)，建立與遠(yuǎn)程Server端的網(wǎng)絡(luò)連接。

②確認(rèn)遠(yuǎn)程連接協(xié)議版本，驗(yàn)證用戶身份，初始化本地、遠(yuǎn)程端。

③開始連接，顯示遠(yuǎn)程畫面。

④持續(xù)傳輸操作指令，返回更新的結(jié)果畫面。

2.3 本地資源管理模塊

為了便于管理嵌入式系統(tǒng)的本地資源，需要為應(yīng)用程序添加本地資源管理功能。程序能夠在本地通過(guò)USB接口、讀卡器等外部接口訪問(wèn)所連接的資源，從而實(shí)現(xiàn)本地文檔、圖片等資源的簡(jiǎn)單演示功能。

本地資源管理功能主要通過(guò)．net compact framework實(shí)現(xiàn)。net compact framework類庫(kù)包含了訪問(wèn)和管理本地文件的System．IO．File類，調(diào)用相關(guān)方法可以實(shí)現(xiàn)文件的打開、剪切、復(fù)制、粘貼等功能。系統(tǒng)目前可以直接打開的文件有Word文檔(*．doc)、圖片文件(*．jpg，*．gif)。

部分功能代碼：

2.4 功能整合

要應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，還需要將上述2部分程序整合到統(tǒng)一的界面中。同時(shí)，為了提供友好的用戶界面，原有WinCE系統(tǒng)的菜單、任務(wù)欄等界面元素需要在程序中隱藏，應(yīng)用程序提供一個(gè)全屏的顯示界面。

隱藏任務(wù)欄和全屏顯示代碼：

3 性能和效果測(cè)試

①程序執(zhí)行后通過(guò)2個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和本地管理功能的切換。

②點(diǎn)擊左邊窗口的文件結(jié)構(gòu)樹就可以瀏覽本地文件，并預(yù)覽Word文檔和圖片。

③遠(yuǎn)程控制成功連接后，用戶就可以完全按PC上的使用習(xí)慣，打開和編輯復(fù)雜的文件，繼續(xù)使用Server端的軟件運(yùn)行環(huán)境，無(wú)需學(xué)習(xí)和適應(yīng)新的操作方法。

系統(tǒng)測(cè)試效果如圖2～圖4所示。

結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將現(xiàn)有的嵌入式演示系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)瘦客戶端概念拓展，提出了一個(gè)更為完善的嵌入式演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并具體實(shí)現(xiàn)。通過(guò)本地資源管理模塊，可以實(shí)現(xiàn)本地文件管理和顯示；通過(guò)遠(yuǎn)程控制模塊，實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)有PC環(huán)境向嵌入式系統(tǒng)的無(wú)縫遷移，用戶的所有文檔數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序都可以在嵌入式系統(tǒng)所控制的投影儀上顯示和控制，從而解決了現(xiàn)有嵌入式演示系統(tǒng)存在的軟硬件方面的局限。

目前，該系統(tǒng)仍處于初期階段，尚存在一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在：

①遠(yuǎn)程控制模塊的運(yùn)行效果仍然不夠理想，在遠(yuǎn)程控制過(guò)程中畫面回顯仍有延時(shí)。這需要在以后的開發(fā)過(guò)程中進(jìn)一步優(yōu)化遠(yuǎn)程控制軟件的運(yùn)行效率，同時(shí)改進(jìn)硬件，選用運(yùn)算能力更強(qiáng)的嵌入式處理器。

②現(xiàn)階段僅支持有線網(wǎng)絡(luò)下遠(yuǎn)程控制，隨著Wi-Fi等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的越來(lái)越普及，下一步考慮在系統(tǒng)中加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的支持，提高演示過(guò)程的便捷性。

③本地文件管理方面，現(xiàn)階段能支持的文件格式偏少，尚不能滿足演示需求，計(jì)劃在性能允許的情況下增加對(duì)更多文檔、視頻、圖片格式的支持，加強(qiáng)演示設(shè)備的通用性。