一種使用Qt的姿態(tài)傳感器顯控設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王瀟 盧如意 李博

（第七一五研究所，杭州，310023）

姿態(tài)傳感器顯控軟件是連接計(jì)算機(jī)終端與傳感器的橋梁，其將控制指令發(fā)送給傳感器并使計(jì)算機(jī)終端接收到測(cè)量數(shù)據(jù)，使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成回路。以傳統(tǒng)的MFC（Microsoft Foundation Classes）方法開發(fā)復(fù)雜的圖形界面，需要程序員編寫大量的代碼，對(duì)控件的實(shí)現(xiàn)需要調(diào)用底層的作圖函數(shù)進(jìn)行繪制，開發(fā)時(shí)間長。而Qt具有跨平臺(tái)性能[1]，可以一次編寫多處編譯，具有良好的封裝機(jī)制、友好的信號(hào)-槽連接事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并提供Qt Designer圖形界面開發(fā)工具[2]，可進(jìn)行拖拽式的界面控件排布，便于程序開發(fā)。本文介紹了一種使用 Qt的姿態(tài)傳感器顯控軟件設(shè)計(jì)方法，以較小的代碼量以及較短的開發(fā)周期實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)終端與姿態(tài)傳感器的控制指令及測(cè)量信息的交互，以及測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示保存的功能需求。

1 姿態(tài)傳感器概述

本文所使用的姿態(tài)傳感器通過 RS485串口與外部設(shè)備通信，可同時(shí)上傳偏航角、俯仰角、橫滾角以及溫度數(shù)據(jù)，將其封裝在一個(gè)15 Byte數(shù)據(jù)包中。測(cè)量數(shù)據(jù)通信協(xié)議如表1所示。

表1 姿態(tài)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)通信協(xié)議

若干個(gè)姿態(tài)傳感器由下位單片機(jī)串聯(lián)在RS485通信總線上，共用一個(gè)串口與顯控終端通信，通過姿態(tài)傳感器的通信地址尋址通信，即可同時(shí)測(cè)量一個(gè)陣列中各節(jié)點(diǎn)處的姿態(tài)數(shù)據(jù)，上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)即為若干個(gè)15 Byte數(shù)據(jù)包的拼接，非傳感器通信地址的命令幀將不予響應(yīng)。顯控軟件在打開串口建立串口通信后即發(fā)送開始測(cè)量指令，串聯(lián)在一起的若干個(gè)傳感器即可按照給定的頻率上傳測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)。顯控軟件解析數(shù)據(jù)包，可得到連接的傳感器數(shù)量并顯示測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)與圖線。

2 軟件架構(gòu)

姿態(tài)傳感器顯控軟件根據(jù)功能組成劃分為串口通信模塊、圖形顯示模塊與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，如圖1所示。

圖1 姿態(tài)傳感器顯控軟件架構(gòu)圖

串口通信模塊使控制指令及測(cè)量結(jié)果根據(jù)相關(guān)通信協(xié)議進(jìn)行封包或解析[3]，并以數(shù)據(jù)幀的形式進(jìn)行上傳與下發(fā)。該模塊使用Qt封裝的QSerialPort串口控件[4]，其提供主要接口函數(shù)如表2所示。

表2 QSerialPort控件接口函數(shù)

圖形顯示模塊將從串口獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在界面中并繪制成圖線。該模塊使用 Qt提供的QGraphicsView 控件[5]，其依靠 QGraphicsView-QGraphicsScene-QGraphicsItem的三級(jí)機(jī)制繪圖：View為“畫板”，Scene為“畫布”，Item即為繪制在“畫布”上的圖形。圖形顯示區(qū)域采用 QMdiWidget的多子窗口顯示機(jī)制，由測(cè)量數(shù)據(jù)包解析結(jié)果獲取傳感器數(shù)量并生成對(duì)應(yīng)數(shù)量的子窗口，可采用平鋪(tile)或?qū)盈B(cascade)的方式同時(shí)顯示所有子窗口，或者以選項(xiàng)卡的形式最大化某一子窗口。這部分內(nèi)容將在第3節(jié)介紹。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到本地的CSV 文件中[6]。該模塊封裝了 Qt的 QFile類與QTextStream類，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)。

軟件的UML類圖如2所示。圖形顯示模塊由PaintArea類構(gòu)成，其為繼承自QGraphicsView的子類，嵌入在MesFigDisArea類中，它的類對(duì)象作為后者成員變量，一起構(gòu)成測(cè)量數(shù)據(jù)及圖線的顯示控件。DMCCom_Array類為主界面類，其包含了串口通信模塊與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，由一個(gè)QList裝入若干MesFigDisArea類對(duì)象，可同時(shí)顯示多個(gè)傳感器的測(cè)量結(jié)果。

圖2 姿態(tài)傳感器顯控軟件UML類圖

軟件運(yùn)行流程如圖3所示。在以給定參數(shù)配置打開串口之后，與下位機(jī)建立通信并發(fā)送上數(shù)指令，在狀態(tài)欄顯示串口狀態(tài)。在接收到下位機(jī)第一次上傳的數(shù)據(jù)包之后進(jìn)行解析。首先，如果數(shù)據(jù)包長度為單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)包長度整數(shù)倍，則判斷為正確數(shù)據(jù)包，不符合條件的直接剔除。對(duì)于正確數(shù)據(jù)包，遍歷數(shù)據(jù)包的每一個(gè)字節(jié)尋找0xAA、0x55的幀頭，檢測(cè)幀頭后第4個(gè)字節(jié)的指令位是否為0x31的反饋標(biāo)識(shí)判斷是否為有效數(shù)據(jù)包，剔除不符合反饋標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)包；對(duì)于有效數(shù)據(jù)包，計(jì)算幀頭后續(xù)第4~13個(gè)字節(jié)的檢驗(yàn)和判斷是否為正確數(shù)據(jù)包。對(duì)于每個(gè)幀段都滿足以上條件的正確數(shù)據(jù)包，根據(jù)幀頭數(shù)量得到下位機(jī)所串聯(lián)的傳感器數(shù)量，據(jù)此初始化出相應(yīng)數(shù)量的子窗口，默認(rèn)以平鋪的方式顯示在主界面的多窗口顯示區(qū)域中，并更新傳感器列表及狀態(tài)欄中的傳感器數(shù)量。此后，根據(jù)通信協(xié)議給定的字節(jié)順序以及分辨率解析每個(gè)幀段的數(shù)據(jù)位，得到各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)并在界面中顯示、保存。對(duì)于下位機(jī)后續(xù)上傳的數(shù)據(jù)包，同樣根據(jù)以上方法判斷數(shù)據(jù)包的正確性，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包，解析出正確數(shù)據(jù)包的測(cè)量值，并在界面中更新顯示。軟件會(huì)記錄持續(xù)測(cè)量時(shí)間以及測(cè)量數(shù)據(jù)上傳次數(shù)并在界面中顯示。

圖3 姿態(tài)傳感器顯控軟件流程圖

3 軟件界面設(shè)計(jì)

軟件主圖形界面見圖 4，左側(cè)區(qū)域用作串口參數(shù)設(shè)置及操作、測(cè)量計(jì)數(shù)顯示、傳感器列表顯示以及測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)操作。其中，以一個(gè) QListWidget控件顯示由數(shù)據(jù)包解析到的傳感器列表，并與右側(cè)測(cè)量結(jié)果顯示區(qū)域聯(lián)動(dòng)。主界面右側(cè)以一個(gè)QMdiWidget控件顯示測(cè)量結(jié)果。主界面下方狀態(tài)欄可顯示當(dāng)前串口狀態(tài)以及檢測(cè)到的傳感器數(shù)量。

偏航角、俯仰角、橫滾角與溫度測(cè)量值顯示子窗口界面如圖5所示。界面上方顯示4個(gè)測(cè)量數(shù)值，右側(cè)以4個(gè)QGraphicsView小控件顯示曲線對(duì)應(yīng)的顏色圖例。下方的白色區(qū)域?yàn)轱@示曲線圖的QGraphicsView控件。每個(gè)傳感器均獨(dú)立地以一個(gè)子窗口顯示測(cè)量值及圖線。

圖4 姿態(tài)傳感器顯控軟件主界面

圖5 測(cè)量值顯示子窗口

4 軟件功能實(shí)現(xiàn)

建立串口通信后，顯控軟件向姿態(tài)傳感器發(fā)送“開始測(cè)量“指令，使之以應(yīng)答模式或者廣播模式工作。顯控軟件收到傳感器通過串口上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)包，按照通信協(xié)議進(jìn)行解析，解算出偏航角、俯仰角、橫滾角與溫度，獲取當(dāng)前時(shí)間后在相應(yīng)控件中顯示并保存到本地文件。同時(shí)，顯控軟件將偏航角、俯仰角、橫滾角與溫度換算為 QGraphicsView的場(chǎng)景中的坐標(biāo)值并繪制出曲線圖。

4.1 指令發(fā)送與數(shù)據(jù)包解析

使用QSerialPort串口控件類，需要注意的是在調(diào)用 open()函數(shù)打開類對(duì)象的串口時(shí)須使用COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)體對(duì)象來設(shè)置串口類對(duì)象的超時(shí)。在設(shè)置完串口波特率、數(shù)據(jù)位等參數(shù)并設(shè)置好超時(shí)后即在計(jì)算機(jī)與傳感器之間建立了串口通信。

控制指令同樣以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送，使用一個(gè)QByteArray類對(duì)象，以 append()函數(shù)依次壓入 16進(jìn)制的指令字節(jié)，然后將 QByteArray類對(duì)象作為串口類對(duì)象write()函數(shù)的實(shí)參調(diào)用即可發(fā)送控制指令給傳感器。

串口接收到數(shù)據(jù)后，將會(huì)觸發(fā)QSerialPort串口類對(duì)象的readyRead()信號(hào)函數(shù)?；赒t的信號(hào)-槽事件驅(qū)動(dòng)體制，將readyRead()信號(hào)與用于讀取數(shù)據(jù)的自定義槽函數(shù)通過connect()函數(shù)連接即可使顯控軟件做出讀取到串口數(shù)據(jù)后的響應(yīng)動(dòng)作。在自定義槽函數(shù)中，通過串口類對(duì)象的readAll()將從串口獲取的字節(jié)數(shù)組賦給QByteArray類對(duì)象，使用一個(gè)8位無符號(hào)整型數(shù)據(jù)作為元素的 QList容器存入QByteArray類對(duì)象中的各個(gè)字節(jié)以便進(jìn)行后續(xù)的解析工作[7]。

將反饋數(shù)據(jù)包存入 QList容器后，以容器的size()函數(shù)判斷數(shù)據(jù)包的長度，其值應(yīng)為單個(gè)傳感器反饋的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)包長度的整數(shù)倍，即 15 Byte的整數(shù)倍，若不滿足該條件則認(rèn)為數(shù)據(jù)錯(cuò)誤并剔除。反之，將QList容器作為實(shí)參傳入數(shù)據(jù)包解析函數(shù)，查看每個(gè)15 Byte幀段的首兩個(gè)字節(jié)是否為0xAA 0x55的雙字節(jié)數(shù)據(jù)包幀頭、每個(gè)幀段的第 5 Byte是否為 0x31的反饋標(biāo)識(shí)、計(jì)算每個(gè)幀段第 4~13 Byte的檢驗(yàn)和與第14 Byte是否吻合來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包的正確性。同時(shí)滿足以上三個(gè)條件方為正確的測(cè)量結(jié)果幀段。剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包，對(duì)于正確結(jié)果將第6~13 Byte的偏航角、俯仰角、橫滾角與溫度數(shù)據(jù)以高字節(jié)在前、低字節(jié)在后的順序換算為 10進(jìn)制的整型數(shù)據(jù)，再乘以給定的分辨率得到相應(yīng)的測(cè)量值。以一個(gè)QList容器依次裝入4個(gè)測(cè)量值，再以一個(gè) QList>容器裝入各傳感器的測(cè)量結(jié)果返回。在第一次得到測(cè)量數(shù)據(jù)包時(shí)，通過QList>容器的元素個(gè)數(shù)即可獲取當(dāng)前串聯(lián)的傳感器個(gè)數(shù)，據(jù)此初始化出相應(yīng)數(shù)量的子窗口進(jìn)行顯示。

4.2 測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)曲線繪制

在收到測(cè)量數(shù)據(jù)包并解析之后，從QList>容器中獲取各傳感器的偏航角、俯仰角、橫滾角與溫度測(cè)量結(jié)果顯示在相應(yīng)區(qū)域。同時(shí)，程序以2個(gè)像素為測(cè)量數(shù)值曲線的顯示寬度，根據(jù)數(shù)值的測(cè)量時(shí)序給每個(gè)測(cè)量點(diǎn)賦予在曲線圖中顯示的橫坐標(biāo)值；再將測(cè)量值換算為在QGraphicsScene場(chǎng)景中的縱坐標(biāo)值，即可將一組測(cè)量值轉(zhuǎn)換為QGraphicsScene中的QGraphicsItem，調(diào)用QGraphicsScene的addItem()函數(shù)，即可將測(cè)量點(diǎn)Item繪制在場(chǎng)景中。以前后兩組測(cè)量點(diǎn)為端點(diǎn)，可繪制一個(gè)線段Item于兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間。據(jù)此，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果圖線的繪制。同時(shí)，重載QGraphicsView的resizeEvent()與wheelEvent()虛函數(shù)[8]，可實(shí)現(xiàn)圖線隨著窗口大小自動(dòng)調(diào)整顯示比例以及縮放。

圖6 測(cè)量結(jié)果顯示

從下位機(jī)接收到正確數(shù)據(jù)包并解析數(shù)據(jù)后，以獨(dú)立子窗口顯示各傳感器測(cè)量結(jié)果如圖6所示。對(duì)于需要重點(diǎn)關(guān)注的傳感器，可將該子窗口以選項(xiàng)卡的形式最大化顯示。

4.3 測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)保存

在顯示并繪制測(cè)量值及圖線的同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將測(cè)量結(jié)果以CSV文件的格式保存在彈出對(duì)話框選定的路徑中。存儲(chǔ)模塊以QFile類對(duì)象建立CSV文件，以QTextStream類對(duì)象將測(cè)量結(jié)果以文本流的形式輸出到目標(biāo)文件中。CSV文件本質(zhì)上是以逗號(hào)分隔的TXT文本文件，在以文本流輸出一個(gè)測(cè)量值后跟著輸出一個(gè)逗號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)以表格形式存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。在初次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，首先建立CSV文件，輸出包含上數(shù)時(shí)間以及各測(cè)量項(xiàng)的表頭，后續(xù)每次保存都按照給定順序輸出即可。軟件可以手動(dòng)保存或者設(shè)定時(shí)間間隔以定時(shí)器進(jìn)行自動(dòng)保存。測(cè)量結(jié)果文件見表3。

表3 測(cè)量結(jié)果CSV文件

5 結(jié)論

本文提出的基于 Qt的姿態(tài)傳感器顯控軟件設(shè)計(jì)思路，靈活調(diào)用 Qt圖形界面庫中高度集成、成熟的串口通信控件與二維圖形繪制控件，在一定程度上減輕了軟件編制難度，以較小的代碼量以及較短的開發(fā)周期實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)終端與姿態(tài)傳感器的控制指令及測(cè)量信息的交互以及測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、保存的功能需求。