基于ARM7的嵌入式智能家居系统-系统的图形驱动与界面设计开题报告

1．本课题的研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势

嵌入式系统与智能家居

智能家居，是以住宅为平台，兼备建筑设备、网络通讯、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。它在保持了传统的居住功能的基础上，摆脱了被动模式，成为具有能动性智能化的现代工具。智能家居不仅提供了全方位的信息交换功能，还优化了人们的生活方式和居住环境，帮助人们有效地安排时间、节约各种能源，实现了家电控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、计算机控制、定时控制以及电话远程遥控等功能。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

嵌入式的智能家居使系统的处理能力大大增强，可以带来更加逼真的图象以及更加真实的语音等。 根据系统定制的实时操作系统不仅可以最大限度的利用硬件资源而且还避免了过于庞大的系统造成的系统冗余。一般只有一颗主处理芯片，系统架构更加清晰简捷。随着Internet网向普通家庭生活不断扩展，消费电子、计算机、通讯一体化趋势日趋明显，现代智能家居由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特点在21世纪将成为现代社会和家庭的新时尚。当家庭智能网关将家庭中各种各样的家电通过家庭总线技术连接在一起时，就构成了功能强大、高度智能化的现代智能家居系统。而基于嵌入式系统的家庭智能系统在国内才刚刚出现，随着嵌入式技术更加广泛的应用，随着成本的逐步降低，中国的智能家居最终将走向嵌入式。

图形用户界面与智能家居

智能家居系统围绕家庭智能中心（HIC）构建了家庭测控总线网络，并通过家居智能接口模块(IFU)完成电气匹配，实现了对各种家庭设备集中管理、分散控制、智能监测、接入路由、信息处理等诸多功能。其家庭智能核心由智能控制器（HIC）、家居智能系统人机交互终端（HLK）、综合配线箱等组成。本设计的目标就是充分依托系统的网络功能，开发家居智能系统人机交互终端。

图形用户界面是智能家居系统的重要组成部分之一。用控制安全系统的图形用户界面的软件（GUI）直接与视频切换主机连接，可以对整个系统进行全面控制和编程。通过一个优化界面与系统通讯，可以对其所有系统功能实现高性能的实时监控。这样，可在屏幕上直接看到系统所控制设备的实时状态。家居智能系统人机交互终端作为智能化系统与用户的信息交互平台，由图形用户界面、LCD液晶显示屏、信息输入按键、状态指示灯、紧急报警按键等部分构成，采用菜单查询、信息交流的简捷方式，实现了智能系统与用户的交流，架起了业主与物业之间沟通的桥梁。

图形用户界面(GUI-Graphics User Interface)是当前用户界面的主流，广泛应用于各档台式微机和图形工作站。图形用户界面和人机交互过程极大地依赖视觉和手动控制的参与，因此具有强烈的直接操作特点。

图形用户界面（GUI）的广泛流行是当今计算机技术的重大成就之一，它极大地方便了非专业用户的使用，人们不再需要死记硬背大量的命令，而可以通过窗口、菜单方便地进行操作 。一个图形用户界面系统通常由三个基本层次组成。它们是显示模型，窗口模型和用户模型。图形用户界面的主要特征：一个屏幕上可以有多个窗口，图符系形象化的图形标志，易于人们隐喻和理解，便于用户直接对屏幕对象进行操作。采用GUI后，用户可直接对屏幕上的对象进行操作，如拖动、删除、插入以至放大和旋转等。用户执行操作后，屏幕能立即给出反馈信息或结果，给用户带来了方便。

随着虚拟现实、科学计算可视化及多媒体技术的飞速发展，新的人机交互技术不断出现，更加自然的交互方式将逐渐为人们所重视。新一代界面的主要特征是以用户为中心，以用户对界面的需求变化为出发点，使用户界面的外在形式和内部机制能符合不同用户的需要；多通道，充分利用一个以上的感觉和运动通道的互补特性来捕捉用户的意向，从而增进人机交互中的自然性；智能化，精确交互技术是指能用一种技术来完全说明用户交互目的的交互方式，键盘和鼠标器均需用户精确输入；高带宽，新一代的用户界面应该支持高的输入带宽，快速大批量地输入信息；不限制地点，采用语音输入输出或其他计算机视觉(摄像输入)技术，则可不受地点的限制；图示编程，比较简单和直观，便于交互修改、控制时间关系。

与通用的图形用户界面系统相比，嵌入式系统下的图形用户界面具有轻型、占用资源少，高性能，高可靠性，可配置等特点。常见的的用户界面都非常简单，几乎看不到 PC 机上华丽美观的 GUI 界面。最近出现的 Palm 等手持式电脑或者在 Windows CE 等面向嵌入式系统的操作系统上，我们已经看到了完整的图形用户界面支持。随着手持式设备的硬件条件的提高，嵌入式系统对轻量级 GUI 的需求会越来越迫切。

嵌入式图形用户界面为嵌入式系统提供了一种应用于特殊场合的人机交互接口。用户通过GUI可以直观地观察系统的状态、参数、数据和数据的图形表示，也可以通过GUI方便地完成设备的操作和控制。GUI可以一改过去嵌入式系统的黑匣子样式，可以极大地提供系统的可用性，因此，尽管GUI功能添加需要较高的成本，但也逐渐在越来越多的嵌入式系统中采用。

本课题基于博创嵌入式开发平台UP-NET ARM3000和VxWorks平台，采用WindML图形库，针对定制硬件芯片，实现图形驱动程序和触摸屏驱动程序。

S3C44B0X微处理器和VxWorks实时多任务操作系统都广泛地应用在嵌入式系统开发中，WindML也是工业标准的图形库，因此，本课题的工作具有较高的适用性。

从检索的文献来看，WindML图形库的应用研究已逐渐展开，但基于S3C44B0X硬件平台的WindML应用至今没有完整的实现，因此，本课题的工作具有一定的先进性。

2．本课题的基本内容，预计可能遇到的困难，提出解决问题的方法和措施

本课题基于博创嵌入式开发平台UP-NET ARM3000和VxWorks平台，采用WindML图形库，针对定制硬件芯片，实现图形驱动程序和触摸屏驱动程序。

在嵌入式系统中支持图形用户界面，主要面临以下几个问题：

1、良好的操作界面在嵌入式系统中占有重要的地位，它能极大地方便了非专业用户的使用。这也是图形用户界面（GUI）在如今的嵌入式系统中广泛流行的原因。嵌入式系统一般对实时性和功耗要求非常高，与不愿意在GUI上消耗过多有限的系统资源这一特点产生矛盾。

2、图形界面对于处理器运算速度等硬件的要求比较高。而嵌入式系统中除部分采用32位处理器以外，大量存在的是8位和16位MCU。图形界面将占用大量系统资源，低端的微处理器和存储器配置不能支持其正常运行。

3、另外一个困难在于，如果没有适用于嵌入式系统的图形库和缺乏操作系统的支持，图形界面的实现将是一个困难的工作。自己编写图形库是一个极其复杂的软件工作，即使勉强完成，其性能和可靠性也不能满足嵌入式系统的要求。

（1）针对S3C44B0X和彩色液晶屏，根据WindML图形库驱动的规范，参考近似的驱动程序模板，设计和编写图形驱动程序，并定制编译WindML图形库。

（2）WindML图形库本身是针对GNU编译器设计，需要对WindML图形库源代码和主机参数文件做一些定制修改。定制修改完成后，用GNU编译器完成WindML图形库的重新编译。

（3）为了使用VxWorks的集成开发环境Tornado的主机仿真功能，需要定制、配置、编译主机的WindML图形库。也就是，对应彩色液晶屏的大小和色彩数，利用主机自身的图形驱动，添加一种新的显示模式，以对图形界面作到最近似的仿真。

（4）针对触摸屏芯片ADS7843和4线电阻式触摸屏，根据WindML图形库驱动的规范，参考近似的驱动程序模板，设计和编写触摸屏驱动程序。触摸屏驱动程序需要捕捉触摸事件和计算触点坐标，并将事件向图形库上层传递。

（5）使用WindML的接口函数，最终实现模拟智能家居的图形用户界面程序，可以显示各种基本图形和JPEG图像，可以响应用户的触摸屏输入。该界面程序应该可以在S3C44B0X硬件平台上运行，也可以在主机仿真环境运行。界面程序可以验证图形驱动程序和触摸屏驱动程序的正确性。

3．本课题拟采用的研究手段（途径）和可行性分析

（1）.本课题基于博创嵌入式开发平台UP-NET ARM3000进行工作。基于ARM7架构的嵌入式芯片Samsung3C44B0x芯片；8MB SDRAM，1MB线性Flash、16MB非线性Flash； 接口丰富：串口、USB等； 键盘输入，320´240分辨率16级灰度LCD显示； 10M以太网口，支持TCP/IP协议；触摸屏； 预留A/D、I/D、SPI、I2C、I2S等总线接口。

（2）.本课题基于VxWorks软件平台进行工作。VxWorks是Wind River公司开发的为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件，为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理，实时的系统资源以及实时的任务间通信.VxWorks的特点：可靠性，操作系统的用户希望在一个工作稳定，可以信赖的环境中工作，所以操作系统的可靠性是用户首先要考虑的问题。而稳定、可靠一直是VxWorks的一个突出优点；实时性，实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件作出响应的能力；可裁减性，用户在使用操作系统时，并不是操作系统中的每一个部件都要用到。

（3）.利用VxWorks的集成开发环境Tornado的主机仿真功能，可以脱离硬件环境，进行图形界面的设计和调试。

（4）.本课题使用WindML图形库来设计图形界面。WindML即Wind Media Library（媒体库），它支持多媒体程序运行于嵌入式操作系统，风河公司设计它主要是用来提供基本的图形、视频和声频技术以及提供一个设计标准设备驱动程序框架。

（5）.课题硬件平台直接使用S3C44B0X的LCD接口驱动彩色液晶显示。

（6）.课题针对S3C44B0X的LCD接口和定制的液晶屏，设计WindML图形驱动程序。驱动程序的框架必须符合WindML的规范，可以参考已有的驱动代码进行代码设计。

（7）.为了和实际硬件平台采用的液晶屏相一致（颜色数和尺寸），需要定制修改主机仿真环境下的图形驱动代码，主要是定制一种新的显示模式。

（8）.课题硬件平台使用ADS7843触摸屏芯片和4线电阻式触摸屏。触摸屏控制器采用香港BURR－BROWN公司的ADS7843。ADS7843的工作电压Vcc为2.7~5V，参考电压Vref在1V至Vcc之间均可. ADS7843是专用于4线电阻式触摸屏的12位模/数采样转换器,具有单一电源供电、完全降功耗模式、转换速度快的特点。

（9）.课题针对ADS7843触摸屏芯片和4线电阻式触摸屏，设计WindML输入设备驱动程序。驱动程序的框架必须符合WindML的规范，可以参考已有的驱动代码进行代码设计。

具体工作包括：

1、修改WindML数据库配置文件ugldb.cfg.，修改完成后, 重新启动Tornado,  WindML配置对话框中会出现新设置。

2、修改uglDepend.h

该文件位于\target\h\ugl\config\下, 用于设定配置之间的依赖关系和一些缺省值。

3、  添加驱动头文件ud44b0x.h

在\target\h\ugl\driver\graphics\目录下建立新目录s3c44b0x, 与ugldb.cfg和uglDepend.h一致, 复制udsa.h到该目录, 并更名为ud44b0x.h。

4、添加彩色驱动实现文件ud44b0x8.c和ud44b0x8in.c

在\target\src\ugl\driver\graphics\目录下建立新目录s3c44b0x, 复制udsa8.c, udsa8in.c和Makefile到该目录下, 并更名。

5、颜色表

理解颜色表是非常重要的, 我在驱动开发中遇到的最大困惑就是颜色表的处理。

根据现有的硬件条件、知识具备的条件、设备技术条件基本可以达到实现该课题的要求。

6、触摸屏驱动

需要修改WindML数据库配置文件ugldb.cfg.

添加上层驱动代码文件

参照Assabet驱动的uglabtts.c, 添加ugladsts.c, 放在\target\src\ugl\driver\pointer下。

参照Assabet驱动的uglasbt.h, 添加ugladsts.h, 放在\target\h\ugl\driver\pointer下。

添加底层驱动代码文件

参照Assabet驱动的assabetTs.h, 添加ads7843Ts.h, 放在\target\h\ugl\bspExt下。