基于Linux操作系统的嵌入式工控触摸屏的研制

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.96MB 82 页 15积分
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摘 要
嵌入式工控触摸屏是一种用来监视、控制和辅助工业设备运行的人机交互设
备。本文致力于研制开发一套基于 Linux 操作系统的嵌入式工控触摸屏。该触摸屏
摒弃了传统的前后台软件系统架构，将嵌入式 Linux 操作系统作为软件系统实现的
平台，使人机界面的应用程序能直接运行于触摸屏，同时具有传统的触摸式人机
界面的交互和控制等功能，可以通过专门通讯协议控制伺服电机、变频器、单片
机和 PLC 等工业现场控制器。
本文从软硬件两个方面描述了基于 Linux 操作系统的嵌入式工控触摸屏的设
计和实现。首先提出软硬件系统的整体架构。然后，介绍硬件系统的具体实现方
案，包括触摸屏、LCD 显示屏、串口 RS232/ RS485，片上 Jtag 调试和存储器等各
部分硬件接口设计。接着把重点放在软件系统的实现上，详细介绍了嵌入式 Linux
操作系统的构建，包括交叉编译工具链的构建、Bootloader 的移植、内核的移植、
根文件系统的构建和图形用户界面的移植，同时介绍硬件设备在嵌入式 Linux 操作
系统下的驱动程序设计，主要包括触摸屏、串口、TFT/STN LCD 显示屏。最后，
本文以实际项目为应用背景，介绍如何开发触摸屏的人机界面。
从最终的系统性能和应用实践来看，该基于 Linux 操作系统的嵌入式工控触摸
屏具有较好的实用性和应用前景，并且其设计和实现过程对于其它嵌入式平台也
具有很好的参考价值。
关键词： Linux 触摸屏 系统移植 设备驱动 嵌入式系统 人机界面
ABSTRACT
Embedded industrial touchscreen is a kind of human-machine interface, which is
widely used to monitor, control and assist industrial equipments’ operating.The thesis is
to develop such kind of industrial touchscreen based on embedded linux operating
system. The software system of touchscreen is based on embedded linux operating
system instead of foreground/background system, and in consequence application
software can directly run on the embedded touchscreen. It provides interaction and
control function of traditional touchable HMI, which can control servo-motor,
transducers, PLC and other micro-controllers through communication protocols.
The thesis describes the design and implementation of industrial touchscreen based
on embedded linux in two ways of software and hardware. The whole architecture
realization of software and hardware is presented at first. And then hardware system
scheme is realized, including hardware interface about touchpad, TFT/STN LCD,
RS232/RS485, JTAG debug and storage. After that the software realization is focused
on, which describes detailedly the setup of embedded linux system about cross compile
tool-chain, bootloader, kernel, root file system and GUI, and the drivers of hardware
devices including touchpad, serial port, TFT/STN LCD is designed for embedded linux.
At last, a practical project is chosen to demo the HMI development of the embedded
industrial touchscreen.
From the system performance and the practice, the embedded industrial
touchscreen based linux system is thought to have good practicability and application
potential, and the process of its design and realization has great referential value for
other embedded platform.
Key Word: Linux, Touch Screen, OS Porting, Device Driver,
Embedded System, HMI
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 嵌入式系统的特点和构成 ....................................... 1
§1.2 课题产生的背景和意义 ......................................... 2
§1.3 课题的主要内容 ............................................... 3
第二章 系统总体设计 .................................................. 5
§2.1 硬件系统方案设计 ............................................. 5
§2.1.1 微处理器选型 ............................................. 5
§2.1.2 系统启动架构设计 ......................................... 6
§2.1.3 硬件系统组成 ............................................. 8
§2.2 软件系统方案设计 ............................................. 9
§2.2.1 软件系统设计方法 ......................................... 9
§2.1.2 嵌入式操作系统的选择 ..................................... 9
§2.1.3 软件系统开发流程 ........................................ 11
第三章 硬件系统设计 ................................................. 13
§3.1 核心电路设计 ................................................ 13
§3.1.1 时钟晶振电路 ............................................ 13
§3.1.2 复位电路 ................................................ 14
§3.1.3 电源电路 ................................................ 14
§3.2 LCD 显示接口设计 .............................................15
§3.3 触摸屏接口设计 .............................................. 18
§3.4 RS232/RS485 串口接口设计 .....................................19
§3.5 NAND Flash 接口设计 ..........................................20
§3.6 外存储器接口设计 ............................................ 22
§3.7 JTAG 调试接口设计 ............................................23
第四章 嵌入式 LINUX 系统的构建 ....................................... 25
§4.1 交叉编译工具链的构建 ........................................ 25
§4.1.1 交叉编译工具链的作用 .................................... 25
§4.1.2 构建 ARM Linux 交叉编译工具链 ............................ 25
§4.2 Bootloader 的实现 ............................................27
§4.2.1 Bootloader 的概述 ........................................ 27
§4.2.2 BootLoader 的选择 ........................................ 28
§4.2.3 BootLoader 的建立 ........................................ 29
§4.3 嵌入式 Linux 内核的移植 ...................................... 29
§4.3.1 内核配置 ................................................ 29
§4.3.2 内核编译 ................................................ 31
§4.3.3 内核下载 ................................................ 32
§4.4 建立 Linux 根文件系统 ........................................ 32
§4.4.1 根文件系统的概述 ........................................ 32
§4.4.2 根文件系统的选择 ........................................ 32
§4.4.3 根文件系统的构建 ........................................ 34
§4.5 建立图形用户界面 ............................................ 35
§4.5.1 图形用户界面的选择 ...................................... 35
§4.5.2 Qt/Embedded 的移植 ...................................... 36
第五章 设备驱动程序开发 ............................................. 39
§5.1 嵌入式 Linux 驱动程序设计 .................................... 39
§5.1.1 驱动程序的作用 .......................................... 39
§5.1.2 驱动程序的模型 .......................................... 40
§5.1.3 驱动程序的分类 .......................................... 41
§5.1.4 驱动程序的加载 .......................................... 41
§5.2 触摸屏驱动程序设计 .......................................... 43
§5.2.1 触摸屏驱动流程的设计 .................................... 43
§5.2.2 触摸屏驱动在 Linux 中的实现 .............................. 45
§5.2.3 触摸屏的校正方法 ........................................ 49
§5.3 串口驱动程序设计 ............................................ 50
§5.3.1 串口驱动流程设计 ........................................ 50
§5.3.2 串口驱动在 Linux 中的实现 ................................ 55
§5.4 LCD 驱动程序设计 .............................................58
§5.4.1 LCD 控制器初始化 ......................................... 58
§5.4.2 LCD 驱动在 Linux 中的实现 ................................. 61
第六章 人机界面的应用开发 ........................................... 67
§6.1 污水处理系统简介 ............................................ 67
§6.2 人机界面的软件设计 .......................................... 67
§6.2.1 软件开发流程 ............................................ 67
§6.2.2 系统画面实现 ............................................ 68
§6.2.3 通信模块设计 ............................................ 70
第七章 总结与展望 ................................................... 73
§7.1 全文总结 .................................................... 73
§7.2 前景展望与发展趋势 .......................................... 73
参考文献 ............................................................ 75
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 79
致 谢 ............................................................... 81
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 嵌入式系统的特点和构成
随着后 PC 时代的到来以及 3C 技术的迅猛发展，嵌入式系统已渗入到信息
家电、消费电子、医疗仪器、工业控制、航空航天等社会生产和生活的各个领域。
手机、PDA、机顶盒、电冰箱、空调、汽车、航天飞机等等，都是嵌入式系统应用
的典型代表，可以说，嵌入式系统的发展与普及是计算机时代的一次新的革命，
为全球的信息化注入了新的活力，为人们的工作与生活带来了更多的便利和乐趣。
嵌入式系统是一种面向领域和应用，以计算机技术、半导体技术和电子技术
为基础，软硬件可裁剪和定制的专用计算机系统，适用于对功能、可靠性、成本、
体积和功耗等有严格要求的应用系统。贯穿于嵌入式系统的整个发展过程，嵌入
式系统以“嵌入性”、“专用性”和“计算机系统”为三大基本要素[1]，具有以下主
要技术特点：
1) 嵌入式系统嵌入到对象系统当中，必须满足对象系统的环境要求；
2) 嵌入式系统必须与具体的行业应用相结合；
3) 嵌入式系统是能满足对象系统控制要求的计算机系统，与对象系统有相应的接
口电路；
4) 嵌入式系统的软件和硬件都必须高效设计，不求最新最全，但求量体裁衣；
5) 嵌入式系统的软硬件方案一般都有多种选择；
6) 嵌入式系统的开发要有宿主系统和目标系统；
7) 嵌入式系统对最终用户而言一般都是“黑箱”，往往不为用户所见；
嵌入式系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成，这两部分面向应用、协
同工作，实现特定的功能。
嵌入式系统的硬件部分决定了嵌入式系统的先天功能，比如运算速度和扩展
功能等。一个好的嵌入式系统都需要一个完整的硬件规划作为其实现系统功能的
条件，不同的应用有不同的硬件环境，硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主
要特点。而嵌入式系统的软件部分就像是嵌入式系统的灵魂，决定了所有硬件的
操作模式，通过优异的操作系统以及应用程序，可以将已有的硬件装置的功能发
挥到极致。
嵌入式处理器[2]作为嵌入式系统的硬件核心具有极大的影响力，从 CISC 到
RISC 结构，从 8 位发展为 32 位乃至 64 位，从单纯的中央处理器到目前流行的整
合型处理器，嵌入式处理器的性能越来越高，接口资源和功能模块越来越丰富，
基于 Linux 操作系统的嵌入式工控触摸屏的研制
2
应用越来越广泛。
§1.2 课题产生的背景和意义
随着工业现场控制的复杂化和分散化程度悦来越高，工业现场对于设备的信
息化和智能化的要求也变得越来越高。嵌入式工控触摸屏的应用无疑对传统行业
的信息化改造，对新兴的嵌入式产业的发展，产生巨大的推动作用。
触摸屏技术已经广泛应用于各个领域。特别在工业控制行业中，触摸屏代替
传统计算机，充分发挥着其巨大的优点。它具有无需专业培训、友好的人机界面、
简化信息输入设备、便于系统维护和改造、适应各种工业控制要求等特点。
嵌入式工控触摸屏是一个典型的工业嵌入式系统。如图 1-1 所示，它以触摸屏
技术和嵌入式技术为基础，融合了人机界面、控制算法、输入输出等要素，是面
向工业现场应用的便携式、低功耗、可配置、可交互的智能化计算机控制系统。
它可以用于各种工业自动化设备、制造业等多个工业控制场合，具有很好的应用
前景。
图 1-1 嵌入式工控触摸屏
近几年以嵌入式操作系统[3]为标志的嵌入式系统发展很快。嵌入式操作系统的
主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；
操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录
管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量
的应用程序接口（API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。
本实验室早期开发的工控触摸屏没有基于嵌入式操作系统，因而系统的兼容
性、扩展性不强，无法运行多个或复杂的应用程序，人机界面软件设计复杂，可
配置性差。基于目前的这种现状，本课题提出开发一款具有嵌入式 Linux 操作系
统的工控触摸屏。嵌入式工控触摸屏以 Linux 操作系统为软件平台，针对用户的
不同控制要求编写人机界面程序，同时可根据工业控制协议，通过串口等与 PLC、
单片机、电机驱动器、运动控制卡等等工控设备通信和组网。
第一章 绪论
3
目前，Linux 操作系统[4]在我国发展迅猛，在嵌入式领域的发展尤其引人注目，
越来越多的企业和开发人员投入到了 Linux 的开发浪潮中来，技术也变得越来越
成熟。由于 Linux 的开源优势，Linux 在我国的应用和发展将成为提高我国操作
系统核心竞争力的契机。虽然目前市场上基于 Linux 的嵌入式工控触摸屏很少，
但这必将是一种趋势，尤其是在这么一个自主创新和知识经济的时代。另外，基
于 32 位 ARM 架构的嵌入式微处理器以其高性能、低功耗、低成本的优势占据了嵌
入式处理器市场 80%左右的份额，得到了很好的推广应用。因此，基于 ARM9 微处
理器和嵌入式 Linux 操作系统来开发新一代嵌入式工控触摸屏将是一个很好的选
择，对提高我国在这一领域的核心竞争力和自主创新能力具有深远的意义。
§1.3 课题的主要内容
一个完整嵌入式工控触摸屏由硬件系统和软件系统组成。本课题主要研究内
容如下：
1) 对工控触摸屏的系统功能进行研究，确定总体设计方案。
2) 完成硬件系统方案设计，实现 LCD、串口、触摸屏等功能的硬件接口。
3) 熟悉微处理器的片上功能，对硬件系统进行芯片级的硬件调试。
4) 完成软件系统中嵌入式操作系统的构建。
5) 基于嵌入式操作系统完成系统设备的驱动程序编写。
6) 在嵌入式 Linux 下设计人机界面等应用程序。
基于 Linux 操作系统的嵌入式工控触摸屏的研制
4
摘要：

摘要嵌入式工控触摸屏是一种用来监视、控制和辅助工业设备运行的人机交互设备。本文致力于研制开发一套基于Linux操作系统的嵌入式工控触摸屏。该触摸屏摒弃了传统的前后台软件系统架构，将嵌入式Linux操作系统作为软件系统实现的平台，使人机界面的应用程序能直接运行于触摸屏，同时具有传统的触摸式人机界面的交互和控制等功能，可以通过专门通讯协议控制伺服电机、变频器、单片机和PLC等工业现场控制器。本文从软硬件两个方面描述了基于Linux操作系统的嵌入式工控触摸屏的设计和实现。首先提出软硬件系统的整体架构。然后，介绍硬件系统的具体实现方案，包括触摸屏、LCD显示屏、串口RS232/RS485，片上Jtag...

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