基于Nios II自助點菜系統(tǒng)的μC/GUI應用

隨著嵌入式系統(tǒng)在各領域的廣泛應用，對圖形化人機交互界面的需求逐漸增加。由于嵌入式系統(tǒng)硬件資源有限，從而要求圖形用戶界面具有輕型、占用資源少、高性能等特點。μC/GUI是一種用于嵌入式應用的Windows風格圖形支持軟件，它為任何使用圖形LCD的應用提供一個有效的不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口，工作在單任務或多任務系統(tǒng)環(huán)境下，適用于使用任何LCD控制和任何CPU尺寸的物理或虛擬顯示。因此，掌握μC/GUI在嵌入式系統(tǒng)中的應用極為重要。移植μC/GUI到Nios II嵌入式軟核處理器[1]成了最佳選擇。本文根據(jù)自助點菜系統(tǒng)的實際應用，詳細介紹了μC/GUI移植方法，并在融合觸摸屏操作的基礎上實現(xiàn)控件使用和操作系統(tǒng)開發(fā)。

1 硬件

系統(tǒng)中顧客使用終端觸摸屏瀏覽服務信息并實現(xiàn)相關操作，通過無線局域網(wǎng)絡和前臺通信。各個點菜終端作為獨立系統(tǒng)工作，所有數(shù)據(jù)傳到前臺上位機協(xié)調(diào)處理。本文僅介紹與μC/GUI相關的點菜終端構成部分。終端硬件框圖如圖1所示，利用片上可編程系統(tǒng)(SoPC)技術將Nios II處理器、外設接口控制器等功能模塊集成到FPGA，構成可編程片上系統(tǒng)[2]。SDRAM、Flash控制器用于處理程序和數(shù)據(jù)的存儲；512 KB SRAM作為圖像數(shù)據(jù)緩存區(qū)；FPGA內(nèi)部自定義LTM控制器和SD卡控制器模塊，輔助軟核工作，操作觸摸屏并讀取SD卡內(nèi)的JPEG圖片；UART接口用于和移植到CC2430的ZigBee模塊通信；采用定時器以嵌入式uC/OS II操作系統(tǒng)。

觸摸顯示屏是4.3英寸數(shù)字LCD觸碰面板TRDB-LTM，長寬比為15:9，支持24 bit并行RGB接口，能通過內(nèi)置模數(shù)轉換器(AD7843)將觸碰點X/Y坐標轉換成對應數(shù)字信息。觸摸屏物理分辨率為800×480，支持16 bit RGB565格式。

2 μC/GUI移植

本系統(tǒng)的用戶界面采用uC/GUI，其最新版本是3.98，其中一些組件不太完整。根據(jù)點菜系統(tǒng)使用需求，特添加3.94版本的JPEG模塊來顯示圖片數(shù)據(jù)。ucgui398StartConfig和ucgui398StartGUI是源碼包最重要的兩個文件夾，其中包括各種配置文件、μC/GUI內(nèi)核文件、與字體相關的代碼文件、LCD驅動代碼文件、μC/GUI支持的控件代碼以及視窗管理部分代碼等[3]。

2.1 修改LCD配置文件

為使系統(tǒng)正確工作，必須修改文件LCDConf.h(GUI目錄中)中的一些配置宏。該文件與硬件直接相關，根據(jù)所使用的LCD類型和LCD控制器進行配置。由于μC/GUI提供不同型號的LCD配置文件(文件夾SampleLCDConfxxx中，xxx代表LCD驅動器名稱)，應用程序開發(fā)者可直接在此基礎上修改程序。實際應用中，選擇LCDLin.c驅動文件。由于LTM控制器對顯示分辨率進行硬擴處理，因此LCD尺寸選擇400×240。系統(tǒng)底層配置的部分宏如表1所示。

LCD_READ_MEM(off)、LCD_WRITE_MEM(off，data)宏定義是μC/GUI與LTM控制器接口的關鍵[4]。SRAM_BASE是512 KB SRAM讀寫操作的基地址，這些宏定義能實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)緩存區(qū)的16 bit讀寫操作。此外，一般移植操作必須定義LCD_INIT_CONTROLLER()，以實現(xiàn)LCD屏初始化配置。LTM控制器初始化了觸摸屏，因此軟件配置中省略此項。

2.2 修改GUI和觸摸屏配置文件

在調(diào)整系統(tǒng)或減小內(nèi)存消耗時需配置LCDConf.h。具體步驟如下：(1)備份原始配置文件；(2)檢查所有配置開關；(3)刪除配置中不使用部分。除此之外，系統(tǒng)工程編譯時，會出現(xiàn)一些未定義錯誤，需要將SampleGUI_XGUI_X.c添加到工程中，該文件定義GUI與操作系統(tǒng)的接口，以及Debug錯誤報告等函數(shù)。由于系統(tǒng)使用μ/OS II，可選擇GUI_X_uCOS.c文件，并在文件結尾處添加以下函數(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);}
同時將GUI_X_ExecIdle( )中的OS_X_Delay(1)替換為OSTimeDly(1)。

GUI文件夾中另一個需要配置的文件是GUITouchConf.h，根據(jù)觸摸屏類型不同，宏參數(shù)也不同。執(zhí)行觸摸屏操作的主要流程在GUICoreGUI_TOUCH_DriverAnalog.c文件中。頭文件部分宏配置如表2所示。

2.3 觸摸屏與GUI接口

μC/GUI支持鍵盤、鼠標、觸摸屏等外設，并在源碼級對其消息響應。為使觸摸屏正常工作，系統(tǒng)除對相應配置文件修改和添加一些相關函數(shù)外，必須實現(xiàn)觸摸屏底層驅動，即修改LCDLin.c驅動文件。

理論上，GUI_TOUCH_AD_LEFT和GUI_TOUCH_AD_RIGHT取值應當為0或1 024，但實際操作時，必須根據(jù)具體情況校準。系統(tǒng)取觸摸屏四個角坐標作為校正標準，經(jīng)過多次試驗，四個坐標分別是(29，160)、(3 936，160)、(29，3 900)和(3 936，3 900)。在GUICoreGUI_TOUCH_DriverAnalog.c中修改相應宏，再據(jù)實際情形確定余下開關宏的值。

通過調(diào)用GUI_TOUCH_Exec()函數(shù)來獲得觸摸屏觸點位置：系統(tǒng)通過中斷服務程序讀回觸點實際坐標值（x，y）；接著將實際坐標值轉換到邏輯坐標；最后調(diào)用GUI_TOUCH_StoreState(x，y)保存邏輯坐標值。為實時得到觸點坐標，需不斷調(diào)用GUI_TOUCH_Exec()函數(shù)，因此建立單獨任務對該函數(shù)調(diào)用，以保證觸摸屏任務的實時響應。該部分設計難點在于中斷標志清零，如果每次得到觸點位置后不能即刻清零，則會影響GUI內(nèi)部去抖操作和校準處理，因此在保存穩(wěn)定坐標值后再清除標志位。

3 μC/GUI應用開發(fā)

3.1 觸摸屏消息響應機制

GUI所有外設輸入均以消息形式發(fā)送給當前窗體回調(diào)函數(shù)處理，具體流程如圖2所示[5]。觸摸屏的消息傳遞實質(zhì)是對全局變量_State記載和更新。_State有3個成員變量：消息發(fā)生點x坐標、y坐標、外設按下與否的操作狀態(tài)。外設輸入消息統(tǒng)稱為WM_TOUCH，函數(shù)WM_HandlePID()專門處理這種消息。通過GUI_PID_GetState獲取GUI_PID_STATE結構的WM_TOUCH消息，將新獲取消息與函數(shù)內(nèi)靜態(tài)舊消息變量比較，包括該消息發(fā)生點的屏幕坐標及外設操作狀態(tài)。狀態(tài)發(fā)生變化是將操作狀態(tài)變化作為獨立消息WM_PID_STATE_CHANGED發(fā)送，再發(fā)送WM_TOUCH消息。構造WM_TOUCH消息所用到的數(shù)據(jù)，需要獲取當前焦點窗體句柄，當前焦點窗體是用WM_hCapture全局變量記載，如果為0則調(diào)用函數(shù)WM_Screen2hWin()，根據(jù)消息發(fā)生點屏幕坐標獲取窗體句柄。向當前焦點窗體發(fā)送消息后，更新當前消息到舊消息變量，結束本次消息處理。


3.2 窗口、控件和對話框應用

系統(tǒng)界面豐富，頻繁用到頁面切換，因此使用?滋C/GUI視窗管理器（WM）進行窗口創(chuàng)建、顯示、隱藏和刪除等。用戶程序中對不同窗口指定不同回調(diào)函數(shù)，當指定事件發(fā)生時，通知圖形系統(tǒng)調(diào)用指定函數(shù)，如窗口內(nèi)容改變時自動重繪的場合等。圖3（a）、圖3（b）分別為菜品推薦及菜單顯示窗口。

為使點菜系統(tǒng)功能更加豐富，界面中加入按鈕、列表框、單選按鈕、框架窗口等控件?？丶菢嬙煊脩艚涌诘脑?，能自動對某些事件反應?？丶彩峭ㄟ^其構造函數(shù)返回的句柄而引用?？丶褂靡暣肮芾砥?，一旦一個控件建立，它被處理成與其他窗口一樣，WM保證它在需要時能正確顯示（及重繪）。

控件消息響應機制在使用中十分重要，包括按鈕觸碰響應、單選按鈕序列號獲取、列表框滑動等。下面以按鈕為例介紹其功能。Button按鈕在其回調(diào)函數(shù)中對相關消息(WM_MOUSEOVER/WM_PID_STATE_CHANGED/WM_TOUCH)進行處理，在button.c文件中可找到相關實現(xiàn)函數(shù)，用觸摸屏點擊該按鈕時發(fā)送以下三種消息之一：WM_NOTIFICATION_MOVED_OUT、WM_NOTIFICATION_RELEASED、WM_NOTIFICATION_PRESSED，之后在該按鈕父窗口捕獲并處理消息。系統(tǒng)是通過捕獲WM_NOTIFICATION_RELEASED消息實現(xiàn)按鈕觸碰功能的。

系統(tǒng)除了點菜外，還能存儲會員信息，用于累積會員積分，如圖3（c）。對于新建和登錄賬戶界面，使用對話框是很需要的。建立對話框需要做兩件基本工作：一個資源表，定義包括的控件；另一個是定義控件的初始化。對話框包含多個控件（框架窗口、按鈕、編輯框、文本框），通過對不同控件的選擇向系統(tǒng)發(fā)出請求信息。多數(shù)消息被對話框自動處理，其他傳送給對話框指定的回調(diào)函數(shù)。其中，將WM_INIT_DIALOG和WM_NOTIFY_PARENT兩種類型的附加消息傳送到對話框窗口進行處理。對話框顯示前，WM_INIT_DIALOG消息立即被發(fā)送到對話框處理，對話框程序用這個消息初始化控件以及實現(xiàn)其他影響對話框顯示的初始化任務；通過對話框的子窗口發(fā)送WM_NOTIFY_PARENT消息到對話框，通知父窗口以保證事件同步。

3.3μC/OS II應用

系統(tǒng)使用接口函數(shù)OSTaskCreateExt 創(chuàng)建任務，根據(jù)系統(tǒng)要求，設計四個任務，分別是：初始化任務(TaskStart)、接收消息任務(TaskRxmsg)、響應觸摸任務(TaskTouch)和更新任務(TaskUpdate)。任務間通過信號量、全局變量等方式通信，具體狀態(tài)轉移如圖4所示。

(1)初始化任務

優(yōu)先級別最高，用于建立和調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)。系統(tǒng)上電后，首先對各個硬件模塊、軟件內(nèi)各數(shù)據(jù)初始化，如果SD卡讀取不成功、無線運行不正常，LED燈提示系統(tǒng)初始化失敗，同時系統(tǒng)退出運行狀態(tài)。反之，初始化完畢，系統(tǒng)開始任務調(diào)度。

(2)接收消息任務

接收上位機傳回的確認信息，實時顯示菜單狀態(tài)：準備中、制作中、傳送中和已上菜。由于無線發(fā)回數(shù)據(jù)不定時，且為了避免數(shù)據(jù)丟失，該任務優(yōu)先級別高于TaskTouch。該任務與TaskTouch之間用信號量通信。

(3)響應觸摸任務

用于執(zhí)行GUI_TOUCH_Exec()函數(shù)，更新觸摸點狀態(tài)，設置窗口、對話框等的回調(diào)函數(shù)，進行界面切換。放棄對CPU占用后，系統(tǒng)調(diào)度將CPU占用權交給TaskUpdate。

(4)更新任務

由于使用視窗管理回調(diào)機制，該任務必須實現(xiàn)，并定期調(diào)用（至少每秒鐘100次），優(yōu)先級別最低。僅從一個任務調(diào)用GUI更新函數(shù)(即GUI_Exec()，GUI_Delay())，有助于保持程序結構清晰。任務完成后，按任務優(yōu)先級高低開始新一輪調(diào)度。

以μC/OS-II操作系統(tǒng)為基礎，系統(tǒng)在響應觸摸任務和更新任務中分別調(diào)用μC/GUI函數(shù)。該項工作通過在配置中使能多任務支持及配合內(nèi)核接口函數(shù)來完成。由于任務實時行為只受運行在更高級別任務的影響，所以在低級別任務中設置用戶界面，使其切換到用戶界面時不會影響實時行為。

本文介紹的系統(tǒng)，在Nios II架構上移植了可視化圖形庫μC/GUI，系統(tǒng)重點研究了如何應用?滋C/GUI。在實現(xiàn)觸摸屏操作的基礎上，結合消息響應機制實現(xiàn)窗口、控件和對話框的使用，并融合多任務操作系統(tǒng)提高點菜的實時性。LTM觸摸屏顯示帶有Windows風格圖形界面，顧客可根據(jù)菜品圖片、營養(yǎng)介紹及價格隨時點餐。通過GUI整合的觸摸操作，實現(xiàn)了自助點菜、查看菜品狀態(tài)、加菜、退菜以及結賬功能，可提供更優(yōu)質(zhì)、更人性化的服務。