一種基于VxWorks的串口調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳迪 代中華

（上海船舶電子設(shè)備研究所 上海市 201108）

1 引言

VxWorks 是由美國Wind River System 公司推出的一款具有微內(nèi)核、可裁剪的實(shí)時操作系統(tǒng)。它以其強(qiáng)大實(shí)時性、良好的可靠性、靈活的可裁剪性被廣泛應(yīng)用在高精尖技術(shù)及對實(shí)時性要求極高的領(lǐng)域，如航空航天、通信控制、軍事國防、交通運(yùn)輸、醫(yī)療設(shè)備等。串行接口簡稱串口，是一種采用串行通信方式的擴(kuò)展接口，按位來發(fā)送和接收字節(jié)，如圖1所示。其特點(diǎn)是通信線路簡單、傳輸距離長，只要一對傳輸線就能實(shí)現(xiàn)雙向通信，成本較低。所以在VxWorks操作系統(tǒng)下采用串口通訊可以高效、方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能。但是，基于VxWorks 操作系統(tǒng)下的設(shè)備在串口模塊開發(fā)、設(shè)備間的串口數(shù)據(jù)調(diào)試過程中缺少一款能夠?qū)崟r顯示串口接收數(shù)據(jù)、模擬發(fā)送串口數(shù)據(jù)的調(diào)試工具。針對于以上背景本文提出了一種基于VxWorks 操作系統(tǒng)的串口調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，可在設(shè)備中嵌入串口調(diào)試模塊，當(dāng)調(diào)試人員按下某個按鍵時即可調(diào)用串口調(diào)試模塊，進(jìn)而完成與其他設(shè)備間的串口數(shù)據(jù)調(diào)試工作。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

串口調(diào)試系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。其中，硬件部分主要包括主板模塊和串口通訊板模塊，通過PCI 總線相連。PCI總線為穿插在系統(tǒng)總線和CPU 之間的一級總線，通過橋接電路保證了其上下接口的協(xié)調(diào)性，完成了對它的管理工作，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。軟件部分則安裝于主板模塊板載的電子盤上，軟件分為主控模塊、串口通訊模塊、顯示控制模塊，分別完成系統(tǒng)的主控、串口通訊和顯示控制功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主板模塊

主板模塊以Intel Core Duo 低電壓雙核處理器為核心，主頻為1.66GHz；采用Intel 945GME 及ICH7M 芯片組；顯示采用ATI Mobility X300 獨(dú)立圖形引擎，提供1 路VGA 接口和2 路DVI 接口；主板模塊板載IDE 電子盤，用于安裝VxWorks 操作系統(tǒng)和串口調(diào)試系統(tǒng)軟件。

3.2 串口通訊板模塊

圖1：串口通信示意圖

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖3：軟件界面

圖4：各軟件模塊間接口關(guān)系

圖5：數(shù)據(jù)處理流程圖

串口通訊板模塊通過PCI 總線為主板模塊提供擴(kuò)展串行并行I/O 的能力和中斷能力。該模塊共有8 個串行接口和48 根并行I/0 線。串口通訊板模塊根據(jù)功能可以分為PCI 總結(jié)接口、串行I/O 接口、并行I/O 接口三部分。

PCI 總線的主頻為33MHz，數(shù)據(jù)位寬為32 位，SLAVE 模式。串口通訊板模塊主要通過它的8 位I/O 端口讀寫周期來訪問。

串行接口由1 片0X16PCI954 和1 片0X16C954 可編程異步串行通訊芯片組成，對所有的串口信號都進(jìn)行了光電隔離。每個芯片各提供4 個異步串行接口。每個串行接口的發(fā)送器和接收器的先進(jìn)先出緩沖區(qū)容量為128 字節(jié)。并且具備對調(diào)制解調(diào)器的控制功能。

并行I/O 接口由2 片8255 可編程并行接口芯片組成，每片8255 芯片有3 個8 位的雙向并行I/O 端口，分別為A 口、B 口、C 口。8255 芯片可工作于方式0（基本輸入輸出方式）、方式1（選通輸入輸出方式）、方式2（雙向總線方式）。

4 軟件設(shè)計(jì)

串口調(diào)試系統(tǒng)軟件是以VxWorks 操作系統(tǒng)、支撐軟件、驅(qū)動程序?yàn)榛A(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用軟件，使用Tornado2.2 基于PC 平臺及Windows 操作系統(tǒng)開發(fā)。Tornado 是VxWorks 操作系統(tǒng)下的集成開發(fā)環(huán)境，它包含了一套完整的面向嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試工具，集成了設(shè)計(jì)、開發(fā)、分析等功能，提供了嵌入式實(shí)時應(yīng)用程序開發(fā)的一種有效方式：串口調(diào)試系統(tǒng)應(yīng)用程序在Windows 環(huán)境下編譯生成可執(zhí)行文件，將可執(zhí)行文件導(dǎo)入目標(biāo)系統(tǒng)，通過本地主機(jī)上的服務(wù)器（Target Server）與目標(biāo)系統(tǒng)的目標(biāo)代理（Target Agent）的通信完成對串口調(diào)試系統(tǒng)應(yīng)用程序的調(diào)試和分析。

串口調(diào)試系統(tǒng)軟件運(yùn)行于VxWorks5.5 操作系統(tǒng)，提供友好、完整的人機(jī)交互界面，如圖3所示。界面頂部為串口參數(shù)設(shè)置區(qū)域，可完成對串口號、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位的設(shè)置及串口的開啟關(guān)閉操作；界面中部為接收數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，可完成串口數(shù)據(jù)實(shí)時顯示及顯示方式的控制；界面底部為串口數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)域，可完成串口發(fā)送數(shù)據(jù)的輸入及發(fā)送方式的控制。

本軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將軟件分為主控模塊、串口通訊模塊、顯示控制模塊。各軟件模塊間接口關(guān)系如圖4所示。軟件數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示。

4.1 主控模塊

主控模塊是串口調(diào)試系統(tǒng)軟件的控制中心，主要完成初始化串口調(diào)試系統(tǒng)內(nèi)的軟硬件資源、創(chuàng)建并啟動各任務(wù)和消息隊(duì)列、對其他模塊的調(diào)用、顯示初始畫面。當(dāng)串口調(diào)試系統(tǒng)軟件啟動時自動加載主控模塊。通過taskSpawn 函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)，通過msgQCreate 函數(shù)創(chuàng)建消息隊(duì)列，通過msgQSend 和msgQReceive 完成消息的發(fā)送和接收，通過open 和close 函數(shù)完成串口的開啟和關(guān)閉，通過ioctl函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口的參數(shù)設(shè)置。示例代碼如下：

4.2 串口通訊模塊

串口通訊模塊完成與外部待調(diào)試設(shè)備間的串口數(shù)據(jù)交互。在軟件啟動時，創(chuàng)建并激活串口發(fā)送、接收任務(wù)后，串口發(fā)送、接收程序被調(diào)用。串口接收任務(wù)定時查詢串口接收緩沖區(qū)，若有數(shù)據(jù)就取出并處理；串口發(fā)送任務(wù)定時查詢是否接收到串口數(shù)據(jù)發(fā)送消息，若接收到消息就拼裝相應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)文向外送出。通過select 函數(shù)監(jiān)聽串口的可讀事件，如果可讀，則調(diào)用read 函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)。通過調(diào)用write 函數(shù)發(fā)送串口數(shù)據(jù)。主要示例代碼如下：

4.3 顯示控制模塊

顯示控制模塊主要完成串口調(diào)試系統(tǒng)的界面顯示、控制與處理功能，完成用戶對系統(tǒng)的控制和輸入。包括接收數(shù)據(jù)的顯示、工作參數(shù)的設(shè)置、顯示界面的控制和發(fā)送數(shù)據(jù)的輸入。

顯示控制模塊的開發(fā)采用了VxWorks 下基于窗口管理及可視化控件的圖形開發(fā)工具EGK。EGK 是一種應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)跨平臺的圖形界面設(shè)計(jì)工具，包含了人機(jī)界面設(shè)計(jì)中需要的基本窗口和控件，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求對窗口及控件類進(jìn)行重寫。本文根據(jù)串口調(diào)試系統(tǒng)界面顯示的內(nèi)容和特點(diǎn)，主要用到了以下4 個類：全局類Egk、窗口類Egk_Window、控件組類Egk_Group 和控件基類Egk_Widget。

界面中的按鈕采用了Egk_Button 控件，通過callback 函數(shù)將按鈕與回調(diào)函數(shù)關(guān)聯(lián)，當(dāng)調(diào)試人員點(diǎn)擊按鈕時自動調(diào)用回調(diào)函數(shù)，示例代碼如下：

接收數(shù)據(jù)顯示區(qū)域采用繼承Egk_Box 的自定義控件，默認(rèn)16進(jìn)制顯示，一行最多顯示32 個數(shù)據(jù)。通過自定義函數(shù)SetInfo 和draw 更新數(shù)據(jù)繪制控件，通過redraw 函數(shù)刷新界面顯示。界面顯示的控制包括開啟、停止數(shù)據(jù)接收顯示和清空界面顯示。當(dāng)調(diào)試人員點(diǎn)擊“停止接收”按鈕時軟件停止接收處理串口數(shù)據(jù)，界面不再刷新顯示；當(dāng)點(diǎn)擊“開始接收”按鈕時，軟件重新接收并處理顯示串口數(shù)據(jù)；當(dāng)點(diǎn)擊“清空顯示”按鈕時清空界面數(shù)據(jù)顯示。

工作參數(shù)菜單采用Egk_Choice 控件，通過menu 完成菜單內(nèi)容的加載，通過value 取值。參數(shù)設(shè)置包括對串口號、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位的設(shè)置。其中，串口號設(shè)置可內(nèi)容為：com1、com2、com3、com4；波特率可設(shè)置內(nèi)容為：300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、43000、56000、115200；校驗(yàn)位可設(shè)置內(nèi)容為：無校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)；數(shù)據(jù)位設(shè)置可設(shè)置內(nèi)容為8、7、6；停止位可設(shè)置內(nèi)容為：1、2。

發(fā)送數(shù)據(jù)的控制包括自動發(fā)送、發(fā)送周期的設(shè)置及數(shù)據(jù)內(nèi)容的輸入。自動發(fā)送的控制采用Egk_Check_Button 控件，通過value 函數(shù)讀取控件值，當(dāng)此控件被勾選時，串口數(shù)據(jù)發(fā)送方式為周期性自動發(fā)送，否則為手動發(fā)送。發(fā)送周期及數(shù)據(jù)內(nèi)容的輸入框采用Egk_Input 控件，通過value 函數(shù)讀取輸入值。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了實(shí)時操作系統(tǒng)VxWorks 中串口調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，克服了VxWorks 系統(tǒng)下串口調(diào)試手段的局限性，憑借VxWorks 操作系統(tǒng)優(yōu)異的實(shí)時性、可靠性，提高了串口通信調(diào)試的能力。該方法可適用于工業(yè)控制、自動化等多個方面，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。