嵌入式系统中数字示波器用户图形界面的实现
时间：2006-08-04 22:53:00
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[导读]嵌入式系统中数字示波器用户图形界面的实现
摘 要： 在嵌入式系统中实现用户图形化（GUI），已经成为大势所趋。本文简要介绍了应用在RIGOL DS1000系列数字示波器上的用户图形界面的实现。重点分析了用户图形界面（GUI）的设计思路。并简单介绍了软件设计结构和流程。
关键词：用户图形界面（GUI）；VisualDSP++ 4.0 Kernel；数据结构
1 引言
随着嵌入式系统应用领域的不断扩大，系统复杂性也在不断提高。所以在嵌入式系统中实现用户图形化（GUI），已经成为大势所趋。目前，嵌入式系统中大多数的用户图形化界面（GUI）都是在操作系统（如OS、WinCE、Linix）的支持下， 调用系统的各种API函数实现的。这些操作系统为实现GUI提供了大量的库函数，也为编程人员提供了界面设计的良好平台。如利用WinCE就可以十分方便的设计出具有Windows风格的图形界面。
本文这款数字示波器是普源精电（RIGOL）公司推出的DS1000系列，其设计完全自主完成，贴近国人使用习惯。其用户图形界面（GUI）是在VisualDSP++ 4.0 Kernel的基础上开发的，界面风格紧紧与仪器的功能相联系。在完成了仪器的波形和菜单等显示的基础上，RIGOL团队也做了一些通用性的用户图形界面，如文件管理器等。当然，所设计的用户图形界面，在功能强大方面是远不能与WinCE等所比拟的，但是对于仪器的使用者来说，已经是足够的方便因为这毕竟是仪器的用户图形界面，而不是掌上电脑PDA的用户图形界面。
2 数字示波器上的用户界面实现原理
用户图形界面的实现，需要硬件、软件上的支持。如图1所示，通过操作平台（operation platform）的调配，调用显示程序，显示程序刷新显示缓存，再由显示驱动程序，将显示缓存中的内容显示到液晶屏上。
下面简要的介绍一下上图中主要的几个组成部分：
2.1 实现图形化的硬件原理
RIGOL DS1000系列数字示波器采用的是320X234分辨率的TFT液晶显示器，通过液晶的驱动电路，可以使液晶正常显示，通过帧信号同步、行信号同步、数据信号的时钟（clock）同步，显示点阵的数据将被从SDRAM中写入到液晶显示器的显示buffer中，从而显示出彩色图像。
从图1可以看出，如果要更新液晶显示器显示的内容，我们只需更新LCDbuffer中的显示数据就可以了。
2.2 实现用户图形界面（GUI）的图形标准库
要在用户图形界面上显示各种的图形、图案，除了硬件电路的支持外，还需要强大的软件支持。而其中（GUI）的图形标准库为最基础，而不可或缺的。
用户图形界面（GUI）的图形标准库，包括最基本的画点、画线、画矩形、填充矩形、画圆形、放置bmp的图案、显示中、英文等等的函数，该图形库如果功能越强大，就越可以支持复杂的用户图形界面（GUI）。
2.3 实现用户图形界面（GUI）的操作平台的支持
仅仅有了绘制图形的图形标准库，要实现用户图形界面，还是远远不够。图形库是单一画面不可缺少的，但是要形成有机的、可操作的用户图形界面，还需要后台有一个稳定、功能强大的操作系统平台。
操作平台根据用户的外界输入（一般是键盘），以及系统当前的状态来决定下一步系统的状态，从而调用相应的GUI界面。如此，便实现了用户图形界面。
3 数字示波器的用户图形界面（GUI）软件的设计思路
3.1 界面种类的划分
对于用户图形界面（GUI）的设计不能简单、统一的完成，要考虑到用户在各种情况下的操作界面。根据这些界面所具备的共同点，我们将这些界面分成如下的种类，同一种类的界面中将具备相同或者相似的功能区域。每一种界面都会有相应的处理程序，也有专门的数据结构。
根据实现的不同的功能我们划分出如下的界面种类：
A. 背景网格显示界面；B.波形显示界面；B. 帮助文档浏览界面；C.菜单显示界面；D. 文件管理浏览器界面；E. 文件名称输入界面；F.前景内容显示界面（包括各种参数显示信息，测量信息以及提示信息等）。
各界面种类如下图所示：
3.2 界面区域与外界输入的相互配合响应
由以上可知，显示的图形虽然形形色色，但是他们都可以抽象成具有共同属性的某种数据结构。数据结构就好比是图形界面的灵魂，掌握了数据结构，就可以让图形界面随之而变。
那么如何设计、控制、改变这些数据结构就成为实现用户图形界面（GUI）的关键了。
要响应外界用户的输入，我们需要制定一套机制运行法则，而这套机制运行法则就是状态机（system status machine），也是用户用以操作仪器的操作平台（operation platform）。依据这套运行法则，我们的系统根据外界的输入来更改各种界面下使用的数据结构，从而实现用户对图形界面的操作。
当然，在实际的设计中，操作平台（operation platform）不仅仅是改变GUI的数据结构，还要考虑任务调度以及其他任务模块中的数据结构的改变。
4 数字示波器的用户图形界面（GUI）的软件设计流程
设计出一个好的用户图形界面，是一个庞大而巨细的工程。涉及到方方面面的相互之间的关系，也涉及到实现过程中的许多细节的问题。
如何理清这些繁多的变化的关系，是设计的关键。RIGOL团队曾经使用一些全局变量，来做为各种状态、各种模式下的标示，用以改变用户的图形界面。但是因为变量的众多，导致变量之间的搭配的可能性成倍的增加，状态的转移关系也就会成倍的增加。这对于编程者来说，与其说是在编程，还不如说是在做一道及其庞杂的逻辑组合题。
所以，这样的思路在理论上是可行的，但在实际中是不可取的。我们应该尽量的去其枝叶，找到能够贯穿整个系统，标示不同的状态以及模式的变量或者结构。最终，我们以键盘的输入键值为主线，辅以各种的全局变量，来控制系统状态的变化。键值虽然有许多许多，但是因为只有这么一个变量做为状态量，系统状态的变化，就可以在掌控之中了。所以，在这个系统中，键值变量KEY_ID成为了主角，用户界面将围绕其进行改变。
键值变量KEY_ID要根据用户的输入进行改变。在这里我们就不描绘状态变量是如何转移的。我们介绍对于既定的键值变量KEY_ID是如何完成用户图形界面的输出的。
下图为实现用户图形界面的软件流程图。
5 结语
目前，国内的数字示波器，除了测量信号的性能指标较低外，在系统的整体性、用户的可操作性等功能上不及国外产品考虑得周详。
为了弥补国内产品在这方面的缺陷，RIGOL开发团队开发出的这款DS1000系列数字示波器除了实现高存储深度，高测量精度等功能之外，更是注重了图形用户界面的设计。继续保持其在技术上的创新和人性化、本土化的优势，新的用户图形界面使得用户能够比以往更加容易测量与分析波形。
随着仪器的功能增多，会对用户图形界面（GUI）提出更高的要求，那么就要求GUI更加系统化、模块化、功能化。所以，在这方面我们还有许多工作要做。
[1]VisualDSP++4.0 Kernal （VDK）User's Guide , Analog Devices, Inc. 2005
[2]Blackfin系列DSP原理与系统设计 ,陈峰, 电子工业出版社, 2004
[3]数据采集与处理技术，马明建，周长城，西安交通大学出版社，2001
[4]数字电路设计与应用实践教程，王振红，机械工业出版社，2003
[5]军用电子测量仪器应用指南，梅劲松，电子工业出版社，2001
[6]RIGOL《DS5000系列数字示波器技术文件》，内部资料，2004
关键词：用户图形界面（GUI）；VisualDSP++ 4.0 Kernel；数据结构
1 引言
随着嵌入式系统应用领域的不断扩大，系统复杂性也在不断提高。所以在嵌入式系统中实现用户图形化（GUI），已经成为大势所趋。目前，嵌入式系统中大多数的用户图形化界面（GUI）都是在操作系统（如OS、WinCE、Linix）的支持下， 调用系统的各种API函数实现的。这些操作系统为实现GUI提供了大量的库函数，也为编程人员提供了界面设计的良好平台。如利用WinCE就可以十分方便的设计出具有Windows风格的图形界面。
本文这款数字示波器是普源精电（RIGOL）公司推出的DS1000系列，其设计完全自主完成，贴近国人使用习惯。其用户图形界面（GUI）是在VisualDSP++ 4.0 Kernel的基础上开发的，界面风格紧紧与仪器的功能相联系。在完成了仪器的波形和菜单等显示的基础上，RIGOL团队也做了一些通用性的用户图形界面，如文件管理器等。当然，所设计的用户图形界面，在功能强大方面是远不能与WinCE等所比拟的，但是对于仪器的使用者来说，已经是足够的方便因为这毕竟是仪器的用户图形界面，而不是掌上电脑PDA的用户图形界面。
2 数字示波器上的用户界面实现原理
用户图形界面的实现，需要硬件、软件上的支持。如图1所示，通过操作平台（operation platform）的调配，调用显示程序，显示程序刷新显示缓存，再由显示驱动程序，将显示缓存中的内容显示到液晶屏上。
下面简要的介绍一下上图中主要的几个组成部分：
2.1 实现图形化的硬件原理
RIGOL DS1000系列数字示波器采用的是320X234分辨率的TFT液晶显示器，通过液晶的驱动电路，可以使液晶正常显示，通过帧信号同步、行信号同步、数据信号的时钟（clock）同步，显示点阵的数据将被从SDRAM中写入到液晶显示器的显示buffer中，从而显示出彩色图像。
从图1可以看出，如果要更新液晶显示器显示的内容，我们只需更新LCDbuffer中的显示数据就可以了。
2.2 实现用户图形界面（GUI）的图形标准库
要在用户图形界面上显示各种的图形、图案，除了硬件电路的支持外，还需要强大的软件支持。而其中（GUI）的图形标准库为最基础，而不可或缺的。
用户图形界面（GUI）的图形标准库，包括最基本的画点、画线、画矩形、填充矩形、画圆形、放置bmp的图案、显示中、英文等等的函数，该图形库如果功能越强大，就越可以支持复杂的用户图形界面（GUI）。
2.3 实现用户图形界面（GUI）的操作平台的支持
仅仅有了绘制图形的图形标准库，要实现用户图形界面，还是远远不够。图形库是单一画面不可缺少的，但是要形成有机的、可操作的用户图形界面，还需要后台有一个稳定、功能强大的操作系统平台。
操作平台根据用户的外界输入（一般是键盘），以及系统当前的状态来决定下一步系统的状态，从而调用相应的GUI界面。如此，便实现了用户图形界面。
3 数字示波器的用户图形界面（GUI）软件的设计思路
3.1 界面种类的划分
对于用户图形界面（GUI）的设计不能简单、统一的完成，要考虑到用户在各种情况下的操作界面。根据这些界面所具备的共同点，我们将这些界面分成如下的种类，同一种类的界面中将具备相同或者相似的功能区域。每一种界面都会有相应的处理程序，也有专门的数据结构。
根据实现的不同的功能我们划分出如下的界面种类：
A. 背景网格显示界面；B.波形显示界面；B. 帮助文档浏览界面；C.菜单显示界面；D. 文件管理浏览器界面；E. 文件名称输入界面；F.前景内容显示界面（包括各种参数显示信息，测量信息以及提示信息等）。
各界面种类如下图所示：
3.2 界面区域与外界输入的相互配合响应
由以上可知，显示的图形虽然形形色色，但是他们都可以抽象成具有共同属性的某种数据结构。数据结构就好比是图形界面的灵魂，掌握了数据结构，就可以让图形界面随之而变。
那么如何设计、控制、改变这些数据结构就成为实现用户图形界面（GUI）的关键了。
要响应外界用户的输入，我们需要制定一套机制运行法则，而这套机制运行法则就是状态机（system status machine），也是用户用以操作仪器的操作平台（operation platform）。依据这套运行法则，我们的系统根据外界的输入来更改各种界面下使用的数据结构，从而实现用户对图形界面的操作。
当然，在实际的设计中，操作平台（operation platform）不仅仅是改变GUI的数据结构，还要考虑任务调度以及其他任务模块中的数据结构的改变。
4 数字示波器的用户图形界面（GUI）的软件设计流程
设计出一个好的用户图形界面，是一个庞大而巨细的工程。涉及到方方面面的相互之间的关系，也涉及到实现过程中的许多细节的问题。
如何理清这些繁多的变化的关系，是设计的关键。RIGOL团队曾经使用一些全局变量，来做为各种状态、各种模式下的标示，用以改变用户的图形界面。但是因为变量的众多，导致变量之间的搭配的可能性成倍的增加，状态的转移关系也就会成倍的增加。这对于编程者来说，与其说是在编程，还不如说是在做一道及其庞杂的逻辑组合题。
所以，这样的思路在理论上是可行的，但在实际中是不可取的。我们应该尽量的去其枝叶，找到能够贯穿整个系统，标示不同的状态以及模式的变量或者结构。最终，我们以键盘的输入键值为主线，辅以各种的全局变量，来控制系统状态的变化。键值虽然有许多许多，但是因为只有这么一个变量做为状态量，系统状态的变化，就可以在掌控之中了。所以，在这个系统中，键值变量KEY_ID成为了主角，用户界面将围绕其进行改变。
键值变量KEY_ID要根据用户的输入进行改变。在这里我们就不描绘状态变量是如何转移的。我们介绍对于既定的键值变量KEY_ID是如何完成用户图形界面的输出的。
下图为实现用户图形界面的软件流程图。
5 结语
目前，国内的数字示波器，除了测量信号的性能指标较低外，在系统的整体性、用户的可操作性等功能上不及国外产品考虑得周详。
为了弥补国内产品在这方面的缺陷，RIGOL开发团队开发出的这款DS1000系列数字示波器除了实现高存储深度，高测量精度等功能之外，更是注重了图形用户界面的设计。继续保持其在技术上的创新和人性化、本土化的优势，新的用户图形界面使得用户能够比以往更加容易测量与分析波形。
随着仪器的功能增多，会对用户图形界面（GUI）提出更高的要求，那么就要求GUI更加系统化、模块化、功能化。所以，在这方面我们还有许多工作要做。
[1]VisualDSP++4.0 Kernal （VDK）User's Guide , Analog Devices, Inc. 2005
[2]Blackfin系列DSP原理与系统设计 ,陈峰, 电子工业出版社, 2004
[3]数据采集与处理技术，马明建，周长城，西安交通大学出版社，2001
[4]数字电路设计与应用实践教程，王振红，机械工业出版社，2003
[5]军用电子测量仪器应用指南，梅劲松，电子工业出版社，2001
[6]RIGOL《DS5000系列数字示波器技术文件》，内部资料，2004
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