基于DSP的数字示波器用户图形化 (GUI) 的开发

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。在测量仪器中，图形化界面也是广泛采用，一种是嵌入操作系统，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。但是这种嵌入技术，对硬件要求高，相当于嵌入一台计算机，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。另一种是，直接利用DSP技术，开发小型系统。这种系统精简，对硬件要求低，但功能相对单一。
          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。
          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。
                                       
                             图1 RIGOL DS1000数字示波器用户图形界面实现的原理图
          下面简要的介绍图1中主要的几个组成部分。
          GUI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格式的图案、显示中、英文等函数，该图形库功能越强大，就越可以支持复杂的用户图形界面（GUI）。
          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。
          实现图形化的硬件原理
          RIGOL DS1000系列数字示波器采用的是320×234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缓冲器中，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。
          用户图形界面（GUI）软件的设计思路
          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。
          根据实现的不同功能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；C. 帮助文档浏览界面；D.菜单显示界面；E. 文件管理浏览器界面；F. 文件名称输入界面；J.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）。各界面种类如图2、3所示。
                          
                               图2 RIGOL DS1000数字示波器图形界面说明1
                           
                              图3 RIGOL DS1000数字示波器图形界面说明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，但是它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。
          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关系是设计的关键。RIGOL团队曾经使用一些全局变量作为各种状态、各种模式下的标志，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极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、标志不同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，但是因为只有这么一个变量作为状态量，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。这里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输出的。图4为实现用户图形界面的软件流程图。
            
             图4 RIGOL DS1000系列示波器数字实现用户图形界面的软件流程图
          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都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，在这方面还有许多工作要做。