摘要：為了增強靶場破片測速系統的便攜性和實時性，提出了一種基于嵌入式技術" title="嵌入式技術">嵌入式技術的靶場破片測速系統設計方法。系統硬件上采用ARM" title="ARM">ARM+FPGA" title="FPGA">FPGA的架構，軟件上不僅采用Qt／Embedded設計了圖形界面，而且給出了嵌入式設備上Qt／Embedded程序的優化方法。經過多次野外破片測速試驗檢測，系統工作穩定，可實現破片飛行速度、速度降、末速度、破片速度分布等參數的獲取。試驗結果證明，系統能夠滿足靶場破片測速的大多數需要。
關鍵詞：嵌入式技術；破片測速；ARM；FPGA；Qt／Embedded

0 引言
    破片速度是戰斗部爆炸效能評估的一個重要參數。傳統的靶場破片測速系統多使用多路數據采集卡設置好的參數現場采集標靶的試驗波形，試驗完成后再交由計算機進行后期處理和解讀以獲取破片速度等參數。但隨著軍事科技的日新月異，靶場破片測速系統需要根據實際情況現場設置的參數越來越多，參數設置的靈活性越來越強，對系統工作的實時性要求越來越高；另一方面，戰斗部爆炸試驗在野外進行，條件惡劣，大型設備攜帶不便，以往的PC機+數據采集卡設計已經越來越不能滿足靶場試驗的要求。嵌入式系統具有功耗小、便攜性好、穩定性高、實時性強的特點，近年來隨著嵌入式技術的不斷發展，把嵌入式技術引入靶場破片測速系統設計中，為靶場破片測速系統設計提供了一個新的思路。
    本文設計的靶場破片測速系統以ARM處理器為控制核心，利用了FPGA強大的多路并行處理能力進行數據處理，在基于嵌入式Linux的平臺上采用Qt／Embedded設計了友好的人機交互界面。系統功能完善，操作直觀簡單，攜行方便，能夠滿足在野外進行破片測速的大多數需要。

1 系統硬件設計
    系統使用ARM+FPGA的設計方式。
    ARM處理器選用Samsung公司推出的基于ARM920T內核的S3C2440。S3C2440主頻高達400 MHz，完全能夠勝任系統工作要求。S3C2440集成了SDRAM和FLASH控制器，提供了串口，觸摸屏接口，USB接口等多種接口，接口豐富、功能強大，是一款高性能，低價格的處理器，在嵌入式設備中獲得了廣泛的應用。
    FPGA(現場可編程門陣列)選用了Altera公司StratixⅡ系列的EP2S15芯片，該芯片器件密度可達到15600等效邏輯元(LE)，能提供419Kb片內TriMatrix存儲器，多達12個DSP區塊共有48個(18×18 b)乘法器，用來實現高性能濾波器和其他DSP功能。支持多種高速外接存儲器接口，支持各種標準的I／O，高速差分I／O，具有強大的高速多通道并行處理能力。
    系統使用該芯片64 MB SDRAM作為系統內存，64 MB FLASH用于Linux內核、文件系統、應用程序和試驗數據的存儲，為系統運行提供了充足的存儲空間。
    系統硬件結構圖如圖1所示。

    在圖1中，系統采用了32個標靶用于破片測速，一個標靶對應FPGA的一個通道，每個通道對應一個32 b計數器。戰斗部爆炸后，破片擊穿標靶時產生的脈沖將作為起停信號，控制FPGA中相應通道的計數。所有通道中最早觸發的通道為基準通道，相應通道計數器值為0。從基準通道被觸發時刻起，除基準通道外所有通道計數器開始計數，直到本通道收到觸發信號或者最長計數時間時停止計數。停止計數時的通道計數值即為本通道的觸發計數值。
    FPGA設置了32通道通斷寄存器、32通道輸入觸發器、通道觸發計數器等多個數據寄存器，用于保存標靶的通斷、觸發狀態及各個通道的觸發計數值；設置了最長記錄時間寄存器等多個控制寄存器用于控制FPGA的動作。經過處理，FPGA將標靶的通斷、觸發狀態及最終觸發計數值寫入相應數據寄存器中。
    ARM處理器與FPGA通過總線方式實現通信。FPGA作為一個外部存儲器掛載在ARM的存儲器總線上，這樣ARM處理器通過存儲器指令可直接訪問FPGA，從而通過讀寫FPGA的數據和控制寄存器實現對FPGA的控制和對數據的讀取。
    ARM與FPGA接口如圖2所示。

    為了便于交互，系統配置了一塊5．7英寸帶觸摸屏的LCD顯示屏作為顯示控制設備，并且提供了USB口實現與主機通信。
    通過試驗測試，本系統能夠充分發揮ARM的強大處理能力和FPGA的并行處理能力，成功達到試驗目的。

2 系統軟件設計
    系統軟件結構圖如圖3所示。

    在設計具體應用程序前首先要對操作系統進行裁減。嵌入式Linux內核，是一種完全開源、功能強大的操作系統內核，與時下流行的Wi-nce等嵌入式操作系統相比，其優點之一就在于內核的可裁減性，使用者完全能夠根據自己的需要對內核進行裁減，刪減去不必要的功能，完成自定義設計。本文經過裁減后的內核大小僅有1．2 MB，大大減少了對系統存儲空間的占用。
    GUI為用戶提供了與應用系統交互的可視化通道，在嵌入式軟件系統中占據重要地位。針對嵌入式設備資源有限的特點，嵌入式GUI要求提供這樣一種交互接口，即它占用資源少且反應迅速，具備高度的可移植性和可裁減性。目前國內主流的嵌入式GUI系統有MINIGUI，MICRO WINDOW，Qt／Embedded等幾種，各有優缺點。綜合比較各種GUI系統的優劣，從GUI系統的封裝性、可移植性和系統設計的便捷性考慮，最終選取Qt／Embedded進行GUI的設計。
    Qt／Embedded(以下簡稱Qt／E)是由著名的Trolltech公司專門針對pda等嵌入式移動手持設備開發的開放源碼的一套應用程序包和開發庫，具有可視化強，界面美觀，類庫完善豐富，封裝性好的優點。與其他嵌入式GUI系統相比，Qt／E開發方便，尤其是Qt／E提供了一種類型安全的基于signal和slot的真正組件化編程機制，簡化了編寫過程，有助于開發人員把握核心功能，使程序編寫更加靈活；Qt／E程序可移植性強，具有極好的跨平臺特性，完全可以“一處編寫，處處編譯”。許多基于計算機Qt的X Window程序在交叉編譯后都可以非常方便地移植為Qt／E版本，這樣完全可以在主機上完成程序開發，查看效果后經交叉編譯直接在嵌入式設備上運行，大大簡化了開發流程，節約了開發時間。

3 嵌入式GUI程序實現
3．1 Qt／E具體程序設計
    系統在試驗前需要根據現場情況進行參數設置，尤為重要的是完成標靶的分組設置：在同一方向上的兩個或多個標靶分為一組，靶間距事先確定，同一破片將先后通過同組標靶，產生觸發信號，控制對應通道計數器的計數起停。破片測速完成后，FPGA獲得的通道觸發計數值除以FPGA計數頻率即為通道的觸發時刻值。用同一標靶組內兩個相鄰標靶之間的間距除以相鄰標靶之間觸發時刻值的差值，即可得到破片在兩個標靶之間的平均飛行速度。每個標靶組可測得一組破片穿過本標靶組時的速度值，通過進一步的計算，可獲得破片的速度分布、速度降等參數。
    根據系統測速過程，系統軟件的工作流程如圖4所示。

    按照系統應用要求，將GUI設計分為：參數設置模塊、系統測試模塊、結果查看模塊和存儲管理模塊四個模塊。參數設置模塊負責對破片測速系統所需要的各種參數進行設置，主要包括標靶分組、標靶間距、標靶類型、最長計數時間。在設置過程中，GUI自動對所設置的參數進行檢測，如果參數設置不正確，將產生錯誤提示。系統測試模塊負責在試驗前對整個系統進行測試。通過人為給出觸發信號可在LCD上可視化的查看系統是否正常工作，通道可否正常觸發，FPGA可否正常計數等。結果查看模塊負責對測試結果進行顯示。在試驗完成，獲得測試數據后，經過運算，就可以表格和分布圖兩種方式給出破片的觸發時刻值和速度值，快速直觀。存儲管理模塊負責系統參數及測試數據的保存和
讀取，以進行試驗數據的進一步分析。系統擁有脫機設置功能，即可在試驗前未連接標靶的情況下，脫機進行參數設置，設置完畢后可保存所有設置參數。試驗時，只要選擇保存的參數就可直接載入脫機設置的參數，極大增強了系統工作的靈活性。
3．2 Qt／E程序優化
    嵌入式設備的顯著特點是CPU主頻不高，資源有限。因為這個局限性，許多在計算機上運行流暢的Qt／E程序在嵌入式設備上反應滯后，在極端情況下甚至會出現短暫的界面凍結現象。為了提高嵌入式GUI的反應速度，對Qt／E應用程序設計就提出了更高的要求。本文在界面設計中，針對GUI運行中出現的問題，對Qt／E程序進行了一些優化，經過優化后，界面的反應速度明顯改善。
3．2．1 采用靜態鏈接代替動態鏈接
    與靜態鏈接相比，動態鏈接的優勢在于動態庫可被多個進程復用，從而減少了對系統內存的使用。但是動態鏈接的這種優越性是有代價的，由于進程在初始化時要加載并且初始化大量的動態庫，當需要加載的動態庫比較多或者動態庫比較龐大時，直接的影響就是降低進程啟動速度；另外一個影響是系統運行時因為函數的鏈接也要耗費一些時間。
    嵌入式Qt／E程序如果使用動態鏈接就面臨這個問題。一般來說，為了保證程序的基本功能，即使經過裁減后，Qt／E動態庫也有將近10 MB大小，這些動態庫在嵌入式平臺上的加載將耗費大量時間。針對這個問題，一種解決方法是采用prelink預鏈接的方法先確定每一個動態庫在內存的加載位置，從而省去動態庫重定位這一過程。但是這種方法的步驟比較繁瑣，使用上存在一些限定要求，在這里并不推薦。
    由于本系統設計為專用系統，僅有一個GUI程序，可采取對Qt／E庫靜態鏈接的方式來提高啟動和運行速度。具體過程是，在用configure配置Qt／E庫編譯選項時使用-static選項把Qt／E庫源文件編譯成靜態庫，在編譯Qt／E程序時選擇鏈接庫為靜態庫。經過測試，采用靜態鏈接的方式，由于在進程初始化時不用再去加載Qt／E的動態庫，極大提高了進程的啟動速度；在運行過程中，由于節省了函數鏈接時間，程序的運行速度有所提高；同時雖然Qt／E程序本身變得龐大，但是由于不用再安裝Qt／E動態庫，故占用的FLASH空間有限。
3．2．2 使用基礎控件代替復合控件
    加快界面反應速度最直接有效的方法就是減少界面中的控件數，這里的控件數，準確地說，指的是QWidget等基礎控件的數量。在實際程序設計過程中，一個有效設計方法是對一些復合控件盡可能使用基礎控件代替。Qt／E中提供了許多功能強大的復合控件，這些復合控件通常是由多個基礎控件復合而成的，雖然操作方便，但是資源消耗也比較多，從而影響了整個界面的運行。以表格的繪制為例，如果表格使用復合控件QTableWidget實現，表格的每一個表項都作為一個子控件存在。每一次刷新表格都需要調用每個子控件的paintEvent()函數，子控件越多，函數調用次數相應的也越多，極大地占用了CPU時間，極端情況下甚至會由于paintEvent事件過多而堵塞事件隊列，影響界面的正常運行。而如果用基礎控件QWidget實現表格，只需調用一次基礎控件的paintEvent()就可以在paintEvent()函數中自定義實現表格的繪制，雖然書寫代碼量可能會大一些，但是函數調用次數少，并且可以做到對表格每一個局部刷新區域的有效控制，避免許多無用操作，在嵌入式平臺上，反應速度明顯加快。
3．2．3 采用延遲刷新方法
    當不可避免要用到復合控件時，如果用到的復合控件構成復雜、刷新耗時，為了盡可能降低這些復合控件對整體界面運行的影響，可借鑒雙緩沖繪圖的思想，用延遲刷新的方法來控制這些復合控件的刷新。
    傳統的雙緩沖繪圖是在內存中開辟一塊緩沖區，將緩沖區看作一幅位圖，先用背景色填充這幅位圖，然后在這幅位圖上繪制用戶圖形，最后顯示這幅位圖到窗口中。
    由于在后臺已完成了界面繪制，采用雙緩沖繪圖，可有效消除閃爍。參考雙緩沖繪圖的做法，為了解決耗時復合控件和整個界面在刷新時的矛盾，本文的思路是當界面，需要刷新時先不刷新復合控件，而是在背景上用一幅畫布替代復合控件區域，當界面刷新完畢后，再進行復合控件的刷新。經過測試，這種方法特別適合于復合控件變化較小而整個界面需要刷新的情況。具體做法是在確定了耗時復合控件后，當需要刷新界面時，構造一幅畫布QPixmap，利用QPixmap：：grabWindow()函數在畫布上繪制出該復合控件所占區域圖形，由于這個函數只是對窗口像素點進行繪制，并不調用控件的paintEvent()函數，而嵌入式設備的分辨率一般不高，因而花費時間有限；對復合控件利用setUp-dateEnable(false)函數禁用復合控件刷新功能后，調用QApplieation：：proeessEvent()完成界面除復合控件外所有控件的刷新繪制，并且為了消除閃爍，在父窗口的paintEvent()函數中調用QPainter：：drawPixmap()函數將畫布QPixmap繪制于背景的復合控件區域上。這時，就可看到界面的刷新效果。由于耗時復合控件的禁止刷新，整個刷新過程將會快速完成；最后再調用復合控件的setUpdateEnable(true)重新使能復合控件的刷新功能。更進一步的方法是，只有當耗時復合控件變化時才調用復合控件的setUpdateEnable(true)允許刷新操作，其余時刻均在背景上使用QPixmap繪制代替。采用這種方法相當于把耗時復合控件的刷新延遲，而先讓界面其他控件完成刷新操作，從而快速顯示界面的刷新效果。

4 結語
    系統綜合利用了ARM和FPGA的優點，在基于ARM+FPGA的平臺上設計出靶場破片測速系統；在架構于Linux的平臺上設計了基于Qt／E的嵌入式交互程序，并且針對嵌入式設備的不足，提出Qt／E程序的優化意見和方法。系統經過試驗檢測，能夠順利完成靶場測速任務。系統設計結構清晰、條理嚴整、程序健壯，這種系統設計結構和對Qt／E程序的優化思想對同類設計具有較大的參考意義。