人机交互系统技术在嵌入式工业控制系统中的应用研究

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摘要：些年来，工业过程控制的智能化需求，3G(消费电子、计算机、通信)产品、信息家电的推陈出新，全球互联网的飞速发展等等，都为嵌入式系统提供了非常广阔的应用空间。作为人机交互技术的重要内容之一的图形用户界面(GUI)，通过丰富的图形图像信息、直观的表达方式与用户交互。本文针对工业控制领域中对嵌入式的特殊性能要求，首先在深入分析了多种主流嵌入式GUI系统体系结构和实现原理的基础上，分析了一种基于多线程处理的GUI系统的设计思想。

关键词：图形用户界面(GUI)；嵌入式Linux；设计思想

1 引言

人机交互一般是指人与计算机系统的交互，通常是通过计算机系系统的输入，输出设备，以有效的方式来实现的，嵌入式系统作为以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，其人机交互的实现同样需要硬件的支持和相应的软件协同来完成。本文对工业控制领域中对嵌入式的特殊性能要求，对于嵌入式GUI设计进行相关探讨。

2嵌入式系统与工业控制网络

美国电气工程师协会（IEE）的一个定义：嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备。嵌入式系统通常具有如下特性：

（1）通常只执行特定功能；是在特定领域内完成特定的功能的专用计算机系统，比如，它可用于一种工业仪器，也可能用于航天设备中的某个电子装置。这一点与一般桌上型办公设备或数据库系统有很大区别。

（2）嵌入式系统中硬件配置一般是根据系统的性能指标来确定的；除了附加的调试接口外，没有多余的硬件设备，一般是以计算机周边器件构成核心，其规模可在大范围内变化。如从8051芯片到X86芯片。而且嵌入式系统中是软件和硬件紧密结合。

（3）严格的时序和稳定性要求；这是因为在机器控制的大型系统中，程序运行稍有差错则可能使得整个系统失去控制，甚至酿成灾害。而且系统一般不进行交互动作，所以要求系统的自动运行要稳定、纠错能力强，可靠运行。

（4）具有实时性；因为在工业控制应用中大多数是属于过程控制，这些领域对系统要求是必须具有实时性，而且还要求有实时性的嵌入式操作系统。

（5）嵌入式系统的开发一般采用宿主机／目标机模式；在某个环境下调试好目标机器的软件和硬件，才能使目标机器离开开发环境，从而独立运行。

工业控制网络是由传感器、执行机构、显示和数据记录设备等组成，用于监视和控制电气设备的系统。通常除遇到系统不能自愈的故障需要人工干预排除外，均应有自动实现监控功能。在工业应用中，控制网络可以用于监视设备的状态、调节转速和流量等、采集模拟输入量、顺序开关／起停设备、与主控机通信并在显示器或专门定制的显示设备上显示各参量的大小和状态。

3嵌入式GUI系统概述

3.1 嵌入式系统概述。与通用计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，一般具有成本敏感性，它的硬件和软件必须高效地设计，好的嵌入式系统是完成目标功能的最小系统。嵌入式系统一般要求高的可靠性，例如在高温、高压、电磁干扰严重的工业环境就对嵌入式系统有很高的要求嵌入式处理器的功耗、体积、处理能力在具体应用中也有很高的要求，这在消费类电子产品方面的表现非常明显。

3.2 图形用户界面概述。图形用户界面系统通常由三个基本层次组成显示模型、窗口模型和用户模型。与该系统相关的还有相应硬件平台、这三个模型的应用程序接口和操作系统。操作系统之上的是显示模型，它决定了图形在屏幕上的基本显示方式，即用位映射图形显示各种图形对象的方式。不同的图形用户界面系统所采用的显示模型各不相同。

3.3 嵌入式GUI。从用户的观点来看，GUI是系统的一个最至关重要的方面:用户通过GUI与系统进行交互，所以GUI应该易于使用并且非常可靠，而且它还需要有内存意识可以在内存受限的、微型嵌入式设备上运行。从二次开发者的角度看，GUI是一个友好的开发环境，开发者无需经过艰苦的学习就能适应开发过程，这样才能使得基于此平台的应用很快地丰富起来。对于二次开发商而言，也才有兴趣使用此产品为终端产品制造商提供解决方案。

4 基于多线程处理的GUI系统的设计

4.1 需求分析。嵌入式系统的需求一般包括四个方面:可靠性、效率性、开发工具、面向应用需求。(1) 可靠性需求，嵌入式系统的可靠性依赖于系统的实时性和容错性。(2) 效率性需求。高效率需求来自两方面：时间效率和空间效率。时间效率必须考虑到嵌入式系统的硬件核心一单片机或微控制器(MCU)。(3) 开发工具需求。嵌入式系统具有特殊的开发平台，开发采用独特的宿主机―目标机模式，在这个环境下调试好目标机的硬件和软件，才能使目标机(最终的嵌入式系统)脱离开发环境，独立运行。(4) 面向应用需求，嵌入式系统通常只运行存储在ROM或闪存中的可执行映像，而通用计算机可以加载、运行磁盘上的各种软件。

4.2 GUI的体系结构

平台抽象层。嵌入式系统应用领域面向的底层软硬件平台，在针对不同需求进行定制时可能存在很大的变化。工业机对处理器和存储设备的要求普遍较高，一般需要使用实时操作系统(如嵌入式Linux)。因此移植性好是GUI的重要目标之一，我们必须提供良好的平台抽象，以实现GUI自身的平台无关性。通常大家所指的平台无关主要涉及两个方面，一个是设备无关，一个是操作系统无关。因此，平台抽象层设计了硬件抽象模块和操作系统抽象模块来抽象和隔离不同的实际平台。

（2）系统核心层。系统核心层实现了此GUI的关键功能，根据功能可划分为图形模块、对象模块、事件模块和其它模块等几个部分。图形模块。图形设备接口GDI (Graphics Device Interface)是系统核心层的核心模块，主要支持与设备无关的图形操作，提供一般绘图操作、文本输出和位图显示等，它主要基于输出设备抽象接口实现，所有的基本图形绘制及操作都需要GUI来实现。对象模块，对象模块包括窗口和控件，把此GUI对象的全部属性和全部服务结合在一起，对上层应用隐蔽GUI对象的内部细节，只是提供一些与上层应用发生联系的接口。基于此建立的应用程序开发模式，将有利于开发人员快速的完成软件二次开发。事件模块，在事件模块中主要介绍了消息队列和消息管理机制。

(3) 应用接口层。应用接口层封装了GUI为用户提供的一切接口，向应用开发者提供较为完备的应用编程接口API集，便于开发者定制不同的界面风格或扩展自定义的控件等。通常开发者只需关心有哪些功能被提供以及如何使用这些功能。

5结束语

本文首先介绍了图形用户界面的一些基本概念和基本特征，并介绍了与GUI相关的嵌入式系统和目前几种比较成熟的GUI方案，然后主要是对GUI系统设计的整体分析，包括对GUI的需求分析和确立具体实现目标，还详细介绍了GUI的体系结构。

参考文献：

[1]陈胜勇, 郭勇. 基于嵌入式Linux的电子警察系统设计[J].仪器仪表用户, 2009,01

[2]毛洋林，潘志浩.基于嵌入式Linux的图形界面显示系统的设计[J].微机算计信息，200445 (3)