基于QT／E的ARM／DSP嵌入式系统的直流电机监控界面的设计与实现

摘要：以嵌入式微处理器ARM&DSP主从控制模式下设计直流电机控制系统，重点介绍基于QT／Embedded设计的直流电机监控系统界面，包括串口通讯和电机控制。搭建基于嵌入式操作系统Linux的开发环境，采用C++语言进行应用程序界面的开发，根据基于串口的应用层协议，实现主从控制器间的数据通信。并完成Linux操作系统的移植，通过触摸屏实现人机交互。
关键词：S3C2440；TMS320F2812：Linux；QT／Embedded；直流电机；图形化用户界面

0 引言
     嵌入式技术在机器人控制领域应用广泛，它集中了机械工程、自动化控制以及人工智能等多门学科的最新科研成果，已经成为当前科技研究和应用的焦点与重心。而机器人控制系统需要解决的关键问题之一就是电机控制技术。本课题基于嵌入式系统处理器ARM&DSP主从控制模式的硬件平台，利用Linux操作系统，对直流电机的控制进行研究，设计了基于QT的应用程序开发，以图形的方式给用户提供操作接口，实现对电机更加直观的状态显示和灵活的控制。

1 控制系统的整体设计
     本系统的主控制器由基于32位ARM。
     920T的RISC处理器Samsung S3C2440嵌入式开发板构成，内部运行嵌入式Linux操作系统，主要负责系统的控制以及与从控制器DSP的通讯等任务，主控制器通过串行通信接口(UART)实现与从控制器的数据通信，包括发送特定数据格式的控制指令和接收DSP控制器返回的传感器数据。利用Linux操作系统搭建平台并开发基于QT的图形界面，通过触摸屏实现人机接口，完成对电机和传感器的控制和传感器数据的显示。从控制器采用32位定点控制器TMS320F2812，主要完成对电机的控制，以及反馈给主控制器ARM9当前的运动状态。控制系统整体结构设计框图如图1所示。
   
   

2 串行通信设计
     本系统中主控制器ARM9与从控制器TMS320F2812之间的通讯采用串行通信接口，即UART口。TMS320F2812的SCI模块利用中断进行控制，其接收和发送是双缓冲的，二者可独立地工作于全双工模式。串口通过两个可以复用和具有优先级的I／O引脚SCITXD和SCIKXD分别用于发送和接收数据，RS-232与DSP中的TTL电平之间需要配驱动和隔离电路可以组成一个简单的通信接口。在ARM9和DSP之间采用了符合RS-232标准的驱动芯片MAX3232进行串行通信，MAX3232芯片功耗低、集成度高，具有两个接收和发送通道。TMS320F2812串行接口电路如图2所示。
   
   
     在TMS320F2812的串行通信接口工作时，其功能可以通过软件可编程实现，当接收到数据后，通过事件管理器模块中的通用定时器，PWM单元以及捕获单元对电机的方向和速度进行控制。
   

3 QT图形界面的设计
3．1 QT／Embedded
     大多数的嵌入式系统都需要与人进行交流，而且形成了软硬件完全定制开发的、基于图形化显示、触摸屏控制的人机接口产品。QT／  Embedded是一个跨平台应用程序和UI开发框架，支持丰富的图形控件，提供美观的界面开发，完全满足人机交互产品的界面显示需求。QT／  Embedded的实现结构框图如图3所示。
   
   
     QT应用程序由C++语言进行开发。QT的API分为控件、框架和工具三个部分，其高效的工作性能与其信号和槽的机制是密不可分的。QT／  Embedded开发流程如图4所示。
   
   
     在宿主机上建立QT开发环境，安装交叉编译工具，包括编译器、链接器、库函数等，应用程序在宿主机上运行，而产生的目标代码是针对特定的硬件平台。并且使用QtCreator跨平台的Qt集成开发环境，有助于提高开发的效率。QT应用程序的开发是在宿主机上调试通过后，移植到目标板上。
3．2 串口通信界面
     串口通信界面提供串口属性设置、串口数据通信的接口函数以及DSP反馈给ARM9的电机状态信息。串口通信界面如图5所示。通过点击界面中‘Edit Parameter’按键实现对串口各种参数的配置。正确配置好参数，点击‘ConneCt’按键即可连接串口，准备通信。电机状态可以点击‘Receive’获得。‘Motor’菜单可打开电机控制界面，其控制也是通过生效的串口传输。
   
       设计串口配置的界面时，首先定义结构体serial config，具体如下：
   
   
     在设置好串口参数后，点击‘Connet’后发送控件QPushButton信号clicked()，调用自定义槽函数setup_serial()，实现对QT控件中各个参数的读取，并根据参数配置对应的串口。其中，由控件portNameComboBox的成员函数currentText()获得设置的串口号，由此读取串口名称，并赋值给属性serial．dev。设置串口名称代码段如下：
   
   
     类似地读取串口通信的其他相应参数。接下来，需要打开串口，代码段如下：
   
   
     其中，使用open函数打开串口，获得串口设备文件的文件描述符fd_serial。
     槽函数setup_serial()中，完成参数读取并打开串口操作后，通过调用自定义的子函数set baudrate(int)用来设置波特率，而子函数set Parms(int)则是设置其他参数。其中主要使用了针对Linux串口通信的termios数据结构对串口进行配置。由于使用串口对电机进行读取或控制，不允许等待，所以对于打开的任何串口，都需要将其设置为非阻塞工作方式。程序中通过fcntl(fd serial，F_SETFL，O_NONBLOCK)实现把Linux下默认为阻塞读的缓冲设置为非阻塞读。
       设计电机状态读取部分时，首先定义了结构体motor_status：
   
   
     当电机处于正常工作状态时，点击界面上‘Receive’，自定义的槽函数receive data()会响应，实现对电机状态的读取。制定的DSP反馈给ARM9的数据包的格式如表1所示，数据格式大小为16位的char型数组。在槽函数中，使用read(fd_serial，buff16)函数通过串口读取这16位带有电机状态信息的数据，并赋值给数组buff[]。
   
   
     将字符数组buff[]各个字段传递给对应motor_status属性，并分别发送自定义信号。用于显示电机状态的控件QLabel是QWidget的子类，其槽函数setText(QString)接收信号并将其显示。比如，显示电机转速状态的过程是：发射自定义信号speed_changed(QString)，触发QL-abel类型控件label_DiskSpced_value的槽函数setText(OString)，将当前电机转速显示在界面上。该信号和槽函数连接的语句为connect(this,SIGNAL(speed_changed(Qstring))，ui->label DiskSpeed value，SLOT(setText(QString))，实现了电机转速的数据显示。
3．3 电机控制界面
     电机控制界面提供了对电机控制指令的配置，电机控制界面如下图6所示。
   
   
     点击‘Edit’键可对参数进行编辑，之后点击‘Send’，通过串口传输生效。
     先定义了电机参数结构motor config：
   
   
     点击‘Send’后发送控件QPushButton的信号clicked()，它会触发自定义的槽函数send_data()，实现通过串口传递给DSP控制指令。定义DSP接收的电机控制的数据格式，如表2所示，需要大小为13位的char型数组存储电机控制信息。槽函数send_data()中，按照格式赋值给
char型buff[]数组，然后通过函数write(fd_serial，buff，sizeof(buff))将数据写入串口。
   
   
3．4 实验结果
     完成QT应用程序在PC端的Linux下的仿真运行，编译出在开发板上执行的二进制可执行文件，最终在嵌入式ARM板上运行效果如图7所示，实现了ARM与DSP的串行通信及对电机的监控。
   
   

4 结语
     基于QT／Embedded的GUI应用程序运行在嵌入式操作系统Linux上，高效稳定，UI设计提供了良好的用户体验，满足了嵌入式设备的界面显示需求。本课题采用ARM&DSP+Linux+QT／Embedded的技术方案，设计与实现了电机控制界面，显示了高性能嵌入式处理器、智能化嵌入式操作系统、图形化应用程序在嵌入式产品应用上的可行性。