基于NiosⅡ嵌入式平臺實現(xiàn)μC/GUI在便攜式醫(yī)療監(jiān)護儀上的移植

便攜式醫(yī)療監(jiān)護儀已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?。便攜式設備是由硬件與軟件緊湊組合的一個單元模塊，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，適合家庭使用、外出攜帶等用途。為了使便攜式心電監(jiān)護儀實現(xiàn)友好的人機交互和更加方便的顯示，這里提出一種GUI界面系統(tǒng)設計，就是在基于NiosⅡ處理器的嵌入式平臺上實現(xiàn)μC/GUI的移植，使之實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1 μC/GUI的系統(tǒng)移植

1.1 μC/GUI簡介及可移植性分析

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)。該界面軟件被設計用于為任何使用一個圖形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。它能工作于單任務或多任務的系統(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計的特點。

μC/GUI的代碼全部用ANSI的C語言編寫的，具有很強的移植性。由于μC/GUI采用分層結(jié)構(gòu)，即具有驅(qū)動接口層和應用層，因此可方便地移植到各種 CPU下使用。μC/GUI對各類圖像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。在典型的應用中，μC/GUI需要的資源如表1所示。由表1可見，運行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與嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ都是美國Micrium公司產(chǎn)品，μC/GUI能更輕易地在 μC/OS-Ⅱ上應用，實現(xiàn)與μC/0S-Ⅱ的無縫結(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、輸入設備以及各種窗口對象。其中，輸入設備可以是鍵盤、鼠標或觸摸屏;二維圖形包括圖片、直線、多邊形、圓、橢圓、圓弧等;窗口對象包括按鈕、編輯框、進度條、復選框等。

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

在LCDConf.h文件中定義了與硬件有關的各種屬性，如液晶的大小、顏色以及與液晶的接口函數(shù)。而LCD驅(qū)動文件則負責把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)，這個文件與具體的硬件連接無關。在移植時，需要對LCDConf.h文件進行配置，并針對LCD控制器編寫相應的LCD驅(qū)動文件。

2 μC/GUI在NiOSⅡ上的移植設計

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，在底層配置文件，參數(shù)的配置要和TFT LCDIP的相關參數(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32 MB的SDRAM，所以拿使用其中一塊作為數(shù)據(jù)的存儲器，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，當開啟緩沖器之后，該BUFFER會源源不斷地讀取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)時發(fā)生沖突，Avalon總線自動在二者之間加入了一個Arbitrator仲裁模塊來決定執(zhí)行哪個操作。

配置LCD采用3線串行總線配置LCD，緩沖器以Avalon存儲器映像主機的方式從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控制器生成時序，在適當時候?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)和庫函數(shù)目錄(GUI)2個文件目錄組成。在Config目錄中包含了LCDConf.h、GUITouchConf.h、GUIConf.h 3個配置文件，這3個文件分別用于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，各子目錄所實現(xiàn)的功能如表2所示。

2.2.2 移植過程

首先建立一個硬件系統(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、添加定時器SDRAM控制器、BUFFER IP、TFT LCD IP以及其他部分組件，最后生成一個硬件系統(tǒng)。然后在NiosⅡIDE環(huán)境下針對該系統(tǒng)建立一個TFT LCD軟件工程，并且將μC/GUI有關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，只要在改動代碼時注意就可以。以下是具體的代碼實現(xiàn)情況：

因為這里是基于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位的無符號數(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GUI_X_uCOS.c文件進行修改，增加系統(tǒng)延時函數(shù)OSTimeDly(1)，使之能與μC/OSⅡ操作系統(tǒng)實現(xiàn)無縫銜接，以及3個子函數(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是對應3200型號控制器的驅(qū)動文件，由于在LCDConf.h中已經(jīng)對用到的參量進行設置，所以無需修改，剩下的工作就是把不用的文件進行剔除，以減少編譯時產(chǎn)生多余的代碼量。

3 移植驗證

在NiosⅡIDE環(huán)境下修改配置文件以及驅(qū)動文件，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的。

圖片驗證是采用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語言數(shù)組的形式保存，例如將蘭博基尼跑車標志的圖片轉(zhuǎn)換成RGB565的格式進行保存，加入工程，編譯工程，然后下載驗證，如圖4所示。窗口管理組件驗證采用代碼包中自帶的一個測試代碼，其效果如圖5所示。實驗結(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)，詳細介紹了移植的過程，以及最終實現(xiàn)移植。實驗結(jié)果表明，在嵌入式系統(tǒng)中使用μC/GUI進行人機界面的開發(fā)，不但移植簡單、使用靈活，而且功能強大，穩(wěn)定高效，大大降低了在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)圖形人機界面的復雜程度，而且 μC/GUI還提供了幾個非常實用的工具軟件，其中包括一個仿真器，它使得在進行移植工作的同時，就可以在仿真器上進行軟件界面部分的程序編寫，加快了整個系統(tǒng)的開發(fā)進度。還有位圖轉(zhuǎn)換工具，可以輕松地將圖片轉(zhuǎn)換成C語言數(shù)組的形式保存，方便界面開發(fā)。μC /GUI還支持其他PS2鼠標、PS2鍵盤、觸摸屏，包含豐富的繪圖庫、動畫顯示優(yōu)化、還可以自己加入中文字體，通過使用μC/GUI的各項功能，相信可以在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)出功能強大的人機界面，而且在嵌入式系統(tǒng)中有很好的應用前景。