基于uClinux的嵌入式多功能信息交互終端

　　信息交互終端是一種以信息交流為主要目的，為個(gè)性化用戶提供信息處理、存儲(chǔ)和查詢等功能的嵌入式設(shè)備。與個(gè)人電腦機(jī)相比，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能專一、操作簡(jiǎn)單。目前，信息交互終端主要應(yīng)用于銀行、移動(dòng)通信和視頻會(huì)議等領(lǐng)域。
　　
　　1）銀行金融終端。銀行金融終端是一種以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行金融交易為主要功能的低端設(shè)備，能24小時(shí)為客戶提供服務(wù)，即客戶能夠隨時(shí)通過(guò)該終端實(shí)現(xiàn)存取款、轉(zhuǎn)帳、查詢等操作。目前該類型終端已經(jīng)走入我國(guó)的大中型城市，但其應(yīng)用功能較少。
　　
　　2）移動(dòng)通信終端。移動(dòng)通信終端主要以手機(jī)和掌上電腦（PDA）為主要代表。其中手機(jī)以語(yǔ)音傳輸為主，兼有收發(fā)短消息、WAP（無(wú)線應(yīng)用協(xié)議）上網(wǎng)的功能；PDA具有個(gè)人數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，并且攜帶方便，但價(jià)格較高。
　　
　　3）視頻會(huì)議終端。視頻會(huì)議終端以視頻通訊作為一種有效的多媒體通訊方式，已經(jīng)成為個(gè)人內(nèi)容服務(wù)和企業(yè)內(nèi)容服務(wù)的主要信息交流工具，但目前還處于初級(jí)階段。
　　
　　總之，信息交互終端正在蓬勃發(fā)展，并成為人們生活和工作中*的信息交流工具，但由于它們應(yīng)用功能少、性價(jià)比低，造成其在信息家電等領(lǐng)域得不到廣泛應(yīng)用。目前，多種功能一體化和應(yīng)用于不同領(lǐng)域已成為信息交互終端的研究重點(diǎn)。其一，具有單一功能的信息交互只能滿足客戶的部分需求，不能滿足客戶對(duì)產(chǎn)品多功能合一的需求，因此在信息交互終端具備專一性的基礎(chǔ)上，多功能一體化已成為信息交互終端產(chǎn)品的一個(gè)主要發(fā)展方向。其二，為了滿足不同的功能需求，還要求信息交互終端具有很強(qiáng)的可定制性，便于用戶或開(kāi)發(fā)人員對(duì)其個(gè)性化定制，使其能在銀行金融等之外的領(lǐng)域得到應(yīng)用。因此很有必要研究具有多種功能、信息交流強(qiáng)和可靠性高的信息交互終端。
　　
　　多功能信息交互終端
　　
　　作者針對(duì)傳統(tǒng)信息交互終端的不足，提出了MIIT（multifunctionalinformation-interactiveterminalbasedonuClinux）,基于uClinux（microcontrollinux微控制操作系統(tǒng)）的嵌入式多功能信息交互終端的產(chǎn)品概念。MIIT是一種能夠以多種方式進(jìn)行信息交流，并具有滿足多種應(yīng)用需求的多種功能（如串口通訊、有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊、語(yǔ)音傳輸?shù)龋?應(yīng)用于信息家電、移動(dòng)通訊、工業(yè)控制、甚至軍事等領(lǐng)域的嵌入式設(shè)備。它具有：可靠的嵌入式uClinux操作系統(tǒng)；多種功能一體化；可個(gè)性化定制，信息交流強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
　　
　　MIIT的軟硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　MIIT的硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　MIIT的硬件系統(tǒng)主要包括微處理器、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。　　
　　EMPU（嵌入式微處理器）是整個(gè)終端系統(tǒng)的核心，它主要由運(yùn)算器和控制邏輯構(gòu)成，通過(guò)控制總線、地址總線控制外部設(shè)備和存儲(chǔ)器之間、存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間、外部設(shè)備和外部設(shè)備之間的信息傳輸。選擇時(shí)裝配EMPU的電路板上必須包括SDRAM（同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）、總線接口、各種外設(shè)接口等器件。存儲(chǔ)器主要是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，選擇時(shí)要考慮存儲(chǔ)數(shù)據(jù)大小，這里選用4M的FLASHROM（閃存）和16M的SDRAM。外部設(shè)備（輸入設(shè)備和輸出設(shè)備）是MIIT與用戶及其它設(shè)備之間通訊的橋梁。其中輸入設(shè)備（如鍵盤）將外來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸給MIIT,輸出設(shè)備（如微型打印機(jī)）將MIIT處理結(jié)果顯示或傳遞給其它設(shè)備。
　　
　　MIIT軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
　　嵌入式軟件系統(tǒng)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序3部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。嵌入式操作系統(tǒng)是將MPU時(shí)間、中斷、I/O、定時(shí)器等資源包裝起來(lái)，留給用戶一個(gè)API接口的系統(tǒng)。它主要負(fù)責(zé)進(jìn)程管理；系統(tǒng)時(shí)鐘管理；進(jìn)程間通信管理和系統(tǒng)中斷管理。MIIT的操作系統(tǒng)采用嵌入式uClinux,它是一個(gè)以Linux為內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)，具有Linux大部分優(yōu)點(diǎn)，適用于工控領(lǐng)域。驅(qū)動(dòng)程序作為操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口，對(duì)上層來(lái)說(shuō)它只是調(diào)用HAL（硬件抽象層）提供的功能，對(duì)下層來(lái)說(shuō)負(fù)責(zé)對(duì)外圍設(shè)備的控制、管理和讀寫操作。
　　
　　應(yīng)用程序由C語(yǔ)言編寫的多種功能的程序構(gòu)成，它是系統(tǒng)應(yīng)用功能的具體體現(xiàn)，其內(nèi)部各函數(shù)之間采用函數(shù)調(diào)用的方式進(jìn)行連接。嵌入式操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序這三者之間，嵌入式uClinux是整個(gè)軟件系統(tǒng)的樞紐，它采用系統(tǒng)調(diào)用的工作模式，通過(guò)文件系統(tǒng)、進(jìn)程管理等與各種硬件驅(qū)動(dòng)程序（如圖形驅(qū)動(dòng)、FLASH（閃存）驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)以及打印驅(qū)動(dòng)等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)API（applicationinterface）與應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。　　
　　MIIT的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技
　　
　　鍵盤的實(shí)現(xiàn)
　　
　　鍵盤的實(shí)現(xiàn)有兩種方案—采用I/O（輸入/輸出）口或SPI（serialperipheralinterface）口。使用I/O口傳輸速度較快，但占用引腳較多，實(shí)現(xiàn)16個(gè)按鍵的矩陣式鍵盤需要9個(gè)引腳（4個(gè)輸入、4個(gè)輸出和1個(gè)中斷請(qǐng)求）;用SPI接口傳輸速度較慢，但只需要IN、OUT、CLK、CS0、CLR五個(gè)引腳。在主頻為66MHz的MCF5272（Motorola摩托羅拉）之上，采用SPI口基本滿足鍵盤傳輸速度的要求。
　　
　　MIIT鍵盤硬件電路通過(guò)兩片74LS164級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)16個(gè)按鍵。其中，164的輸入引腳A要與B相連，再接QSPI的引腳。另外，鍵盤電路工作時(shí)必須將164的CLR引腳設(shè)置為低電平（低電平有效）。
　　
　　實(shí)現(xiàn)MIIT鍵盤的SPI口工作在主模式下。SPI口數(shù)據(jù)發(fā)送操作是通過(guò)向commandRAM（命令）中寫數(shù)據(jù)觸發(fā)的，經(jīng)過(guò)8位時(shí)鐘周期完成1個(gè)字節(jié)的發(fā)送。鍵盤掃描碼作為輸入數(shù)據(jù)保留在transmitRAM（傳輸）中，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后QIR（interruptregister）自動(dòng)置位，產(chǎn)生中斷。鍵盤掃描程序檢測(cè)到該中斷信息后，讀取ReceiveRAM（接收）中的數(shù)據(jù)，而該數(shù)據(jù)就是transmitRAM中的鍵盤掃描碼通過(guò)鍵盤電路處理后得到的鍵盤檢測(cè)值，軟件系統(tǒng)對(duì)該檢測(cè)值進(jìn)行處理后得到鍵盤相應(yīng)按鍵值。
　　
　　基于uCLinux的串口數(shù)據(jù)采集
　　
　　基于uCLinux的和停止位的設(shè)置）、串口write和read（讀寫）、串口close（關(guān)閉）等內(nèi)容。數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)上與windows操作系統(tǒng)下的串口通訊不一樣，其中有三點(diǎn)值得特別注意：
　　
　　1）MIIT只是通過(guò)串口傳輸數(shù)據(jù)，不需通過(guò)串口模擬終端通信，所以MIIT串口采用了RawMode（原始模式）方式。設(shè)置方式如下：
　　
　　options.c-lflag&=～（ICANON|ECHO|ECHOE|ISIG）（Input）;
　　
　　options.c-oflag&=～OPOST（Output）;
　　
　　2）在設(shè)置串口時(shí)，發(fā)送方和接收方的波特率、效驗(yàn)位和停止位要相同，否則雙方將不能通訊；
　　
　　3）為了防止所采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼，需要把串口控制字符集controlcharacters中的VTIME和VMIN設(shè)置為0和1。0表示打開(kāi)串口后隨時(shí)接收數(shù)據(jù)；1被當(dāng)做逾時(shí)設(shè)定值為一字元。
　　
　　特定應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)
　　
　　應(yīng)用程序主要包括系統(tǒng)設(shè)置、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)通訊和打印等。應(yīng)用程序采用單任務(wù)的控制方式，軟件系統(tǒng)接到按鍵事件后執(zhí)行相關(guān)操作，如網(wǎng)絡(luò)通訊、打印等。例如，MIIT在接到自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的按鍵命令后，執(zhí)行采集任務(wù)，然后將采集的數(shù)據(jù)交與數(shù)據(jù)庫(kù)處理，完成后等待新的按鍵事件。
　　
　　結(jié)論
　　
　　采用性能可靠嵌入式uClinux操作系統(tǒng)作為MIIT的操作系統(tǒng)，無(wú)疑確保了程序的可靠性、簡(jiǎn)化了多功能信息交互軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。在MIIT系統(tǒng)上關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，解決了MIIT中的鍵盤輸入、基于Linux串口數(shù)據(jù)采集、特定應(yīng)用程序等問(wèn)題，為MIIT能夠在信息家電、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展奠定了一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。