基于Qt的汽車車速儀表盤的設(shè)計(jì)

1、戈多八拿研究生課程論文基于Qt的汽車車速儀表盤的設(shè)計(jì)學(xué)院：信息工程學(xué)院專業(yè)：交通信息工程及控制課程：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用姓 名：學(xué) 號：授課教師：研究背景儀表作為汽車整個系統(tǒng)中十分重要的部分， 是提高汽車綜合性能的重要方面之一。 隨著 計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、總線技術(shù)、電子技術(shù)等的快速發(fā)展，控制系統(tǒng)臃腫、接線布線復(fù)雜、占 用空間大的傳統(tǒng)電磁機(jī)械儀表漸漸被淘汰， 虛擬儀表正以傳統(tǒng)機(jī)械儀表無法比擬的速度迅猛 發(fā)展。 目前虛擬儀表通常包括純數(shù)字儀表和虛擬儀表盤儀表兩種： 純數(shù)字儀表成本較低， 但 功能和界面比較簡單， 滿足不了一般駕駛員的需求； 而現(xiàn)有的虛擬儀表盤儀表雖然功能和界 面比較豐富，但又存在著開發(fā)成

2、本高、可移植性和可重繪性差、可擴(kuò)展性不足等缺點(diǎn)， 不利 于大范圍的推廣與應(yīng)用。針對傳統(tǒng)儀表和現(xiàn)有儀表存在的不足，本文提出了一種新型的車載虛擬儀表設(shè)計(jì)方案，采用ARM處理器S3C6410為核心的硬件平臺和以嵌入式Linux系統(tǒng)為核心的軟件平臺，并在此基礎(chǔ)上采用開放源代碼的圖形界面庫 QT 開發(fā)儀表終端應(yīng)用程序。該虛擬儀表可讀性 好，讀數(shù)精度高，在可移植性、 可維護(hù)性和成本方面都得到了良好的改善， 具有較大的科研 價(jià)值和商業(yè)使用價(jià)值。本文目前只實(shí)現(xiàn)了儀表中關(guān)于車速的終端應(yīng)用程序。二 開發(fā)環(huán)境2.1 Ubuntu 與 Qt 簡介Ubuntu 是一個以桌面應(yīng)用為主的 Linux 操作系統(tǒng)，其名稱來自非

3、洲南部祖魯語或豪薩 語的“ ubuntu” 一詞，意思是“人性”、“我的存在是因?yàn)榇蠹业拇嬖凇?，是非洲傳統(tǒng)的一 種價(jià)值觀， 類似華人社會的“仁愛”思想。 Ubuntu 擁有很多優(yōu)點(diǎn)。 相對于其他版本的 Linux ， Ubuntu 也有著自己的優(yōu)勢。首先，安裝系統(tǒng)非常簡單，只需要非常少的設(shè)置即可，完全可 以和 Windows 桌面系統(tǒng)相媲美；其次，圖形界面很人性化，模仿了在 xp 下常用的快捷鍵； 還有，安裝和升級程序時(shí)，可以通過網(wǎng)絡(luò)，由系統(tǒng)自行安裝依賴的文件包，從此不必再為 Linux 系統(tǒng)的依賴關(guān)系大傷腦筋。 Ubuntu 的目標(biāo)在于為一般用戶提供一個最新的、 同時(shí)又相 當(dāng)穩(wěn)定的主要由自由

4、軟件構(gòu)建而成的操作系統(tǒng)。Qt是一個1991年由奇趣科技開發(fā)的跨平臺C+圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。它既可以開發(fā) GUI 程式，也可用于開發(fā)非 GUI 程式，比如控制臺工具和服務(wù)器。它提供給應(yīng)用 程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所用功能。 它注重于能給用戶提供精美的圖形 界面所需的所有元素， 而且其開發(fā)過程是基于面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄?并且它支持真正的組件 編程。 Qt 是面向?qū)ο蟮目蚣?，使用特殊的代碼生成擴(kuò)展 ( 稱為元對象編譯器 (Meta Object Compiler, moc) 以及一些宏， 易于擴(kuò)展， 允許組件編程。 基本上， Qt 同 X Window 上的 Motif ，

5、 Openwin ， GTK 等圖形界面庫和 Windows 平臺上的 MFC， OWL ， VCL ， ATL 是同類型的 東西。2.2 安裝過程主機(jī) Linux 開發(fā)環(huán)境： Ubuntu Linux 操作系統(tǒng)，交叉編譯器： arm-linux-gcc-4.3.2 ， ARM 的內(nèi)核使用的版本： linux-3.0.1 。2.2.1主機(jī)上Linux的相關(guān)配置1. Ubuntu設(shè)置為root用戶在Ubuntu中新建一個終端，輸入如下命令：#sudo #sudo passwd輸入要設(shè)置的密碼，這樣以后我們只需要重新啟動Ubuntu，我們就可以用root用戶登錄了。Linux系統(tǒng)對不同的用戶有不同

6、的權(quán)限設(shè)置，root用戶具有最高權(quán)限。2. Ubuntu網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置啟動Ubuntu，在桌面上端的網(wǎng)絡(luò)圖標(biāo)上點(diǎn)擊右鍵，選擇“編輯網(wǎng)絡(luò)”，在“網(wǎng)絡(luò)連接”面板上選中Auto ethO，通過Auto ethO設(shè)置Ubuntu的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、DNS等信息，我們可以將Ubuntu的IP地址和主機(jī)的IP地址設(shè)置在同一個網(wǎng)段，這樣我們通過虛擬機(jī)“橋接” 的方式就可以在Ubu ntu訪問In ternet 了，這樣比較方面對一些開發(fā)包的下載。3. 安裝交叉編譯器交叉編譯器是在交叉編譯中必不可少的工具，我們需要開發(fā)ARM的Linux程序就必須在我們的主機(jī)上安裝交叉編譯器，交叉編譯器的版本要與 ARM

7、 使用的內(nèi)核版本一致，否則會 產(chǎn)生運(yùn)行錯誤。本次式樣使用的交叉編譯器為 arm-linux-gcc-4.3.2 ， ARM 的內(nèi)核使用的版本 為 linu x-3.0.1 。本次試驗(yàn)在網(wǎng)上下載了交叉編譯器 arm-linux-gcc-4.3.2 的源碼包 arm-linux-gcc-4.3.2.tgz 。 在Ubuntu的終端下通過命令解壓該源碼包，命令如下：#tar xzvf arm-linux-gcc-4.3.2.tgz該命令執(zhí)行完后會生成 4.3.2目錄，我們進(jìn)入該目錄的bin目錄下可以看見我們的交叉編譯器安裝文件 arm-none-linux-gnueabi-gcc ，并且我們可以通過

8、相應(yīng)的命令查看我們編譯器的 版本信息。222 Linux系統(tǒng)移植1.編譯UBoot和Linux內(nèi)核A.編譯 UBootUBoot是引導(dǎo)是Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)啟動項(xiàng)，需要將 UBboot的源碼編譯成為u-boot.bin的可 執(zhí)行文件。這樣就可以在通過SD卡將Linux系統(tǒng)一鍵燒寫到S3C6410的開發(fā)板中了。在飛凌的官網(wǎng)上下載了 uboot的源碼包uboot1.16_FORLINX_6410.tgz。通過解壓命令解壓該源碼包。 命令如下：#tar zxf uboot1.16_FORLINX_6410.tgz解壓完成后會生成一個 uboot1.16目錄。在編譯之前需要配置config文件，進(jìn)入u

9、boot1.16目錄通過命令：#make forlinx_nand_ram128_config （配置適用于 128M 內(nèi)存開發(fā)板的 config）#make clean （刪除以前編譯的文件）#make （編譯）Nandflash的U-boot引導(dǎo)文件的鏡像文件。B.Linux 內(nèi)核編譯需要對 Linux 的內(nèi)核源碼進(jìn)行編譯，首先通過命令對內(nèi)核源碼的壓縮包進(jìn)行解壓：#tar zxf FORLINX_linux-3.0.1.tar.gz同樣，需要配置內(nèi)核，在配置內(nèi)核的時(shí)候需要使用“ make menuconfig ”命令，這樣需 要安裝lib ncurses5”來支持其操作。命令如下：#sud

10、o apt-get install libncurses5-dev#make menuconfig （配置內(nèi)核）#make zImage編譯結(jié)束后，會在內(nèi)核源碼目錄的 /arch/arm/boot中得到Linux內(nèi)核映像文件zlmage。2制作yaffs2文件系統(tǒng)映像本實(shí)驗(yàn)通過飛凌自帶的文件系統(tǒng)目錄， 也可以根據(jù)自己的需求自己完成滿足需要文件系 統(tǒng)，但由于時(shí)間問題我們借助飛凌提供的文件系統(tǒng)目錄生成系統(tǒng)文件。用Yaffs文件系統(tǒng)制作工具，制作文件系統(tǒng)Yaffs。通過命令：#./mkyaffs2i nage-nan d256mFileSystem-Yaffs2 rootfs.yaffs2這樣生成r

11、ootfs.yaffs2是可以下載到開發(fā)板 nandflash中的yaffs2文件系統(tǒng)映像3. Li nux系統(tǒng)移植在向ARM中移植Linux操作系統(tǒng)的時(shí)候需要一張SD卡，可以通過S3C6410的一件燒寫功能將剛剛編譯好的u-booot.bin 、zlmage、rootfs.yaffs 三個文件寫入 ARM 開發(fā)板目錄下。首先需要將 SD 卡格式化為 FAT32 格式并且將 u-booot.bin 、zlmage、rootfs.yaffs 文件考入 SD 卡中，在開發(fā)板中，調(diào)整撥碼開關(guān)設(shè)置ARM為從SD卡啟動，在啟動完成后，需要將撥碼開關(guān)設(shè)置為從 nand flash 啟動。這樣就完成了 Li

12、nux 系統(tǒng)的燒寫。2.2.3 Qtopia交叉編譯環(huán)境的搭建1. 編譯第三方庫編譯 Qtopia 需要第三方庫的支持，下載到了第三方庫的源碼和編譯好的庫文件，用的第三庫文件為 3rdpart-lib-for-Qtopia2.2.0.tar.gz。通過命令解壓該壓縮包，得到 jpeg-6b （一個 jpeg圖形編碼解碼程序庫）、libpng-1.2.19 （個png圖形編碼解碼程序庫）、zlib-1.2.3 （一 個壓縮解壓程序庫） 、 e2fsprogs-1.40.2 （提供 uuid 支持）。A.交叉編譯jpeg庫設(shè)置環(huán)境變量：#export PATH=/usr/local/arm/4.4

13、.1/bin:$PA TH#export CC=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-linux-gcc#./c on figure -en able-shared 修改生成的 Makefile 文件 CC=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-linux-gcc AR=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-linux-ar rc AR2=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-linux-arnlib 保存#cp jconfig.doc jconfig.h#make編譯通過，執(zhí)行以下命令即可完成 jpeg 頭文件和

14、庫文件的制作。#cp jpeglib.h jconfig.h jmorecfg.h /root/yizhi/arminclude#cp .libs/libjpeg.so* /root/yizhi/armlibB. 交叉編譯 e2fsprogs-1.40.2庫編譯 e2fsprogs-1.40.2 是為了得到兩個文件， uuid.h 及 libuuid.so ，編譯 Qtopia2.2.0 需要 這兩個頭文件。設(shè)置環(huán)境變量：#export PATH=/usr/local/arm/4.4.1/bin:$PA TH #export CC=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-li

15、nux-gcc 以上兩個環(huán)境變量已經(jīng)設(shè)置過，所以不需要在重新設(shè)置了，可以直接執(zhí)行配置命令。#./c on figure -en able-elf-shilbs -host=arm-li nux-vith-cc=/usr/local/arm/4.4.1/b in/arm-l inu x-gcc-vith-li nker=/usr/local/arm/4.4.1/bi n/arm-li nu x-ld#make這樣就可以生成 uuid.h 及 libuuid.so 兩個文件。C. 交叉編譯 libpng 庫Libpng 這里的 Makefile 不用 ./configure 生成的， 而是直接從

16、scripts 文件夾里復(fù)制的， 修 改 Makefile 文件：#vi Makefile 修改：beginAR_RC=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-linux-ar rc CC=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-linux-gccRANLIB=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-linux-arnlibend 保存#make#cp libpng12.so* /root/yizhi/armlib#cp *.h /root/yizhi/arminclude完成 libpng 頭文件和庫文件的制作。D. 交叉編譯 zlib#

17、export PATH=/usr/local/arm/4.4.1/bin:$PA TH#export CC=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-linux-gcc#export LD_LIBRARY_PA TH=/usr/local/arm/4.4.1/arm-linux/lib:$LD_LIBRARY_PATH #./configure -shared這個也需要修改一下 Makefile 文件 修改為：beginCC=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-linux-gccLDSHARED=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-l

18、inux-gcc - shared - Wl, -soname, libz.xo.1CPP=/usr/local/arm/4.4.1/bin/arm-linux-gcc - EAR=/usr/local/arm/4.4.1/b in/arm-l inu x-ar rcRANLIB=/usr/local/arm/4.4.1/bi n/arm-li nux-ra nliben d將生成的的動態(tài)庫及相關(guān)的頭文件分別復(fù)制到armlib和arminclude目錄下，經(jīng)過以上步驟，編譯Qtopia2.2.0時(shí)所需要的頭文件和庫文件就制作完成了。2. Qtopia-free-forli nx-2.2.0 的

19、編譯#tar zxvf ARM-qtopia-free-src-2.2.0.tar.gz ./文件解壓完成后就開始編譯了。#./buildBuild為腳本程序，直接就可以進(jìn)行qtopai-2.2.0的編譯。在編譯過程中產(chǎn)生的狀態(tài)信息 將記錄到當(dāng)前目錄下的qtopia2.2.0Makelog文件里，如果編譯時(shí)產(chǎn)生大量錯誤信息，打開該文件，查找error關(guān)鍵字進(jìn)行問題的定位，里面記錄的信息對我們是很有幫助的。編譯成功完成后，Qtopia2.2.0 會自動的安裝到qtopia-free-2.2.0/qtopia/zImage/opt/ 下面，進(jìn)入 Qtopai 目錄下面，需要把字體放到 Qtopia

20、/lib/fonts 下面，qtopia-free-2.2.0/qt2/lin/font 文 件夾下有可以用的字體，只需要 helvetica類型，該類型支持中文。另外需要把a(bǔ)rmlib下面的文件全部拷貝到Qtopai/lib/目錄下面。這樣就可以運(yùn)行自己的Qtopia程序了。2.2.4 Qtopia2.2.0 的使用進(jìn)入到Qtopia里面，在該目錄下有Qtopia運(yùn)行需要的全部文件。飛凌的文件系統(tǒng)中提供了運(yùn)行Qtopia的命令腳本，可以使用飛凌提供的腳本來運(yùn)行Qtopia2.2.0。進(jìn)入終端，在命令行中輸入#qtopia回車即可，這樣就可以在開發(fā)板的LCD上看到Qtopia的運(yùn)行界面了，如圖

21、2.1所示。圖2.1 Qtopia運(yùn)行效果二總體設(shè)計(jì)車載虛擬儀表的基本設(shè)計(jì)思想是將汽車上安裝的各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化 的處理，然后在運(yùn)行于嵌入式Linux系統(tǒng)的使用 Qt設(shè)計(jì)的虛擬儀表盤上進(jìn)行顯示，以便于監(jiān)測汽車各系統(tǒng)的工作狀況，如剩余油量、當(dāng)前車速、行駛里程等，并在某狀態(tài)出現(xiàn)異常或 存在危險(xiǎn)時(shí)向駕駛員提示報(bào)警。本文目前只實(shí)現(xiàn)了車載虛擬儀表中關(guān)于車速的終端應(yīng)用程序，系統(tǒng)初始化一個車速值， 最終界面車速的變化可以通過人為點(diǎn)擊界面中車速控制按鈕而實(shí)現(xiàn)。本文程序總體流程圖如圖 3.1所示：四系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于Qt的汽車車速虛擬儀表盤將汽車的車速在LCD上通過表盤和數(shù)字直觀、 動態(tài)的顯示出來。1

22、.界面中的數(shù)字部分是利用旋鈕QSp in Box實(shí)現(xiàn)的，初始化時(shí)設(shè)置其初始值為 50,單位是km/h，單擊旋鈕一次的變化值設(shè)置為10,程序中為該旋鈕添加了槽，用于實(shí)現(xiàn)儀表盤的動態(tài)性，當(dāng)單擊旋鈕后，界面會調(diào)用repa in t()函數(shù)，實(shí)現(xiàn)界面的重繪。信號/槽是Qt對象以及其派生類對象之間的一種高效通信接口，它是Qt的核心特性， 也是區(qū)別與其他工具包的重要地方。 盡管它的機(jī)制很像回調(diào)函數(shù)， 但是這里要注意它和與回 調(diào)函數(shù)間的不同，回調(diào)函數(shù)傳遞的是函數(shù)指針，很容易造成程序崩潰， 另一方面， 回調(diào)方式 緊緊的綁定了圖形用戶接口的功能元素，因此很難開發(fā)進(jìn)行獨(dú)立的分類，而信號 / 槽機(jī)制能 攜帶任意數(shù)量

23、和任意參數(shù)。 信號和槽是用來在對象間通訊的方法， 當(dāng)一個特定事件發(fā)生的時(shí) 候，信號會被發(fā)送出來，槽調(diào)用是用來響應(yīng)相應(yīng)的信號的。 Qt 對象已經(jīng)包含了許多預(yù)定義 的信號，但仍可以在派生類中添加新的信號。 Qt 對象中也已經(jīng)包含了許多預(yù)定義的槽，但 仍可以在派生類中添加新的槽來處理我們感興趣的信號。具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：Speed:Speed()startAngle=-35;endAngle=215;speedValueSpinBox=new QSpinBox;speedValueSpinBox-setRange(0,240);/ 旋鈕變化范圍 speedValueSpinBox-setSingleS

24、tep(10);/ 單擊旋鈕一次的變化值 speedValueSpinBox-setSuffix(km/h); / 設(shè)置計(jì)量單位 speedValueSpinBox-setValue(50); / 設(shè)置初始值 hlayout=new QHBoxLayout;/ 水平布局hlayout-addStretch(35); / 將放在 layout 中的空間壓縮成默認(rèn)的大小 hlayout-addWidget(speedV alueSpinBox);/ 添加旋鈕hlayout-addStretch(35);hlayout-minimumSize();確保布局沒有因?yàn)?space太小而重置為0 vlay

25、out=new QVBoxLayout;/ 垂直布局vlayout-addStretch(160); vlayout-addLayout(hlayout);vlayout-addStretch(40);vlayout-addStretch(30);vlayout-minimumSize();setLayout(vlayout); connect(speedValueSpinBox,SIGNAL(valueChanged(int),this,SLOT(repaint(); resize(500,300);2. 下面介紹虛擬儀表盤的繪制：虛擬儀表模塊中的虛擬儀表盤采用 QT 的二維圖形引擎的基礎(chǔ)類

26、 QPainter 開發(fā)。繪制工 具為做到絕大部分繪制圖形用戶界面程序的需要提供了高度優(yōu)化的豐富的圖形圖像繪制函 數(shù)。QPainter可以繪制從簡單的直線到像餅圖和弦這樣的復(fù)雜形狀，并支持反走樣、漸變填 充、像素混合、 線性變換等特性。 它也可以繪制排列的文本和像素映射。 通常，它在一個“自 然的”坐標(biāo)系統(tǒng)中繪制，但是它也可以在視和世界轉(zhuǎn)換中做到這些。本文主要是利用類 QPainter 中的函數(shù)完成儀表盤的繪制。繪圖工具的典型用法是：構(gòu)造一個繪圖工具設(shè)置畫筆、畫刷等等繪制銷毀這個繪圖工具2.1 虛擬儀表盤中的弧線均是由函數(shù) drawArc ( int x, int y, int w, int

27、h, int a, int alen ) 實(shí) 現(xiàn)的，繪制由矩形(x, y, w, h)確定的弧，開始角度為a,并且弧長為alen。角度a和alen是1/16 度，也就是說一個完整的圓等于5760( 16*360 )。其中0度在3點(diǎn)的時(shí)鐘位置，開始角度a是負(fù)值時(shí)，意味著由零度即三點(diǎn)鐘位置順時(shí)針方向確定a的具體位置，開始角度a是正值時(shí)，意味著由零度即三點(diǎn)鐘位置逆時(shí)針方向確定a的具體位置，同理，弧長alen為負(fù)值時(shí)，意味著由初始位置 a順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) alen*16度，弧長alen為正值時(shí)，意味著由初始位置a逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)ale n*16度。繪制虛擬儀表盤的弧線的程序如下：void Speed:dr

28、awSpeedArc(QPainter &painter)QPen pen(QColor(Qt:blue),3);/ 定義畫筆的顏色和大小pai nter.setPe n(pe n);/設(shè)置新的繪圖工具畫筆。painter.drawArc(-200,-200,400,400,startAngle*16,(endAngle-startAngle)*16);/ 繪制弧線虛擬儀表盤中弧線的不同顏色段代表車速是否安全，其中綠色的弧段代表車速在080km/h范圍內(nèi)，是安全的，黃色的弧段代表車速在80160km/h范圍內(nèi)，車速有些高，處于警告狀態(tài),紅色的弧段代表車速在 160 240km/h 范圍內(nèi),車速

29、過高,處于危險(xiǎn)狀態(tài),2.2 弧線上的刻度劃分線由函數(shù) drawLine ( int x1, int y1, int x2, int y2 ) 實(shí)現(xiàn), 繪制從 (x1,y1)到(x2, y2)的直線并且設(shè)置當(dāng)前畫筆位置為(x2, y2)。其程序?qū)崿F(xiàn)如下：void Speed:drawMark(QPainter &painter)QPen pen(QColor(Qt:blue),3);painter.setPen(pen);double ds=3.1415926/180；/繪制劃分弧線的較長的刻度線for(double i=(-30*ds);i(3.1415926+(50*ds);i+=20*ds)painter.drawLine(-200*cos(i),-200*sin(i),-185*cos(i),-185*sin(i);/繪制劃分弧線的較短的刻度線for(dou