基于Linux Qt的列車顯示器表盤控件設(shè)計與實現(xiàn)

周忠洋

摘要：為提高開發(fā)效率，降低列車顯示器軟件開發(fā)成本，本文設(shè)計了一種基于Linux Qt平臺的顯示器表盤控件。在Qt4開發(fā)環(huán)境下，通過繼承QWidget類，將QLinearGradient類、QPainter類、QLabel類等結(jié)合，經(jīng)過坐標(biāo)變換及旋轉(zhuǎn)函數(shù)，重新實現(xiàn)paintEvent函數(shù)，實現(xiàn)此表盤控件。經(jīng)過實際項目驗證，該控件類設(shè)計友好、個性化程度較高，豐富了傳統(tǒng)列車顯示界面。

Abstract： In order to improve the development efficiency and reduce the development cost of train display software， this paper designs a display dial control based on Linux Qt platform. In the Qt4 development environment， the QWidget class is inherited to combine the QLinearGradient class， QPainter class， QLabel class， etc. After coordinate transformation and rotation function， the paintEvent function is re-implemented to realize the dial control. Through the actual project verification， the control class is friendly in design， highly personalized， and enriches the traditional train display interface.

關(guān)鍵詞：Qt框架;表盤控件類;C++;Linux系統(tǒng);人機界面

0? 引言

列車人機界面（Human Machine Interface，HMI）在列車運行過程中向司機及維護人員提供列車的運行信息、列車各系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)信息及故障信息等，是列車網(wǎng)絡(luò)控制及監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分[1]。伴隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展及軌道交通設(shè)備性能的提升，帶有觸摸屏控制的顯示器逐步取代了傳統(tǒng)的儀表顯示方式，其種類及功能也變得更加多樣化和豐富，操作上的方便靈活、顯示直觀的優(yōu)勢日益凸顯。

HMI系統(tǒng)以微機技術(shù)為核心，與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、GUI等技術(shù)相結(jié)合，軟件開發(fā)復(fù)雜，專用性強，擴展性不強。本文設(shè)計的一種基于Linux Qt平臺的顯示器表盤控件，以嵌入式Linux內(nèi)核2.6.x系統(tǒng)為軟件平臺，在此基礎(chǔ)上采用開源圖形界面庫Qt4.8.5、開發(fā)工具QtCreator2.8.0開發(fā)HMI界面控件類。該表盤控件類、引用方便，可靠性高、使顯示器界面程序開發(fā)模塊化，降低了系統(tǒng)開發(fā)復(fù)雜度及開發(fā)成本。

1? Qt框架介紹

Qt框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 GUI庫

Qt本身是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，為諾基亞旗下的編程語言工具[2]。隨著用戶的增加及發(fā)展，已經(jīng)成為一種獨立的軟件開發(fā)平臺，包括Qt、基于Frame—Buffer的Qtopia Core、快速開發(fā)工具Qt Designer和國際化工具Qt Linguist等部分。Qt支持的系統(tǒng)有：Unix系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)、WinNT/Win2k、Windows 95/98、Mac OS等平臺。Qt的C++類庫同Windows平臺上的MFC、OWL、VCL是同類型的。但Qt還具有下列優(yōu)點：

①支持跨平臺運行。

Qt支持下列操作系統(tǒng)：Windows NT、Linux、Unix、Mac OS、HP—UX、FreeBSD等。

②豐富的API。

Qt包括多達250個以上的C++類，還提供了基于模板的collections、serialization、file、device、di—rectory management和date/time類，甚至還包括正則表達式的處理功能。

③面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計。

Qt具有良好封裝機制，這使得Qt的模塊化程度非常高，可重用性好，對于用戶開發(fā)方便、快捷。Qt使用一種信號/槽一（signals/slots）的機制，使得各個對象之間的協(xié)同工作變得十分簡單。

④支持2D/3D圖形渲染，支持OpenGL。

⑤大量的開發(fā)文檔。

1.2 Qt的信號槽機制

嵌入式Linux操作系統(tǒng)沿襲了Unix系統(tǒng)的架構(gòu)，具有成熟、可靠、穩(wěn)定等特點;Linux是開源的操作系統(tǒng)，因此任何系統(tǒng)的設(shè)計者均可以根據(jù)實際需求對其進行二次開發(fā)，只保留相關(guān)操作系統(tǒng)功能，同時可根據(jù)實際應(yīng)用的需要優(yōu)化操作系統(tǒng)的代碼，體系結(jié)構(gòu)靈活，易于裁剪，免費使用等特點，使其成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重要工具[3]。

創(chuàng)建自定義的窗口部件方法有：

對一個已經(jīng)存在的Qt窗口部件進行子類化;

將QWidget類與現(xiàn)有窗口部件類進行組合，重新實現(xiàn)虛函數(shù);

子類化QWidget，并且通過重新實現(xiàn)一些用來繪制窗口部件及響應(yīng)鼠標(biāo)點擊的事件處理器;

由于Qt未提供表盤控件類，且無法通過Qt提供的控件組合實現(xiàn)，因此只能采用第三種方法即直接對QWidget進行子類化，然后通過QPainter在QWidget窗口部件上進行繪制此表盤控件，同時添加部件響應(yīng)事件。另外，將自繪制好的表盤控件集成到Qt設(shè)計師中，這樣就可以像使用內(nèi)置的Qt窗口部件一樣來使用了。

通過此種方法創(chuàng)建的表盤控件可實現(xiàn)跨平臺。

Qt的二維圖形引擎是基于QPainter類。QPainter既可以繪制幾何性狀如點、線、矩形、橢圓、弧形、弦形、餅形等，也可以繪制像素映射、圖像和文字。此外，QPainter還支持高級特性如反走樣、像素混合、漸變填充、矢量路徑等。

QPainter可以在“繪圖設(shè)備”上進行畫圖，如QWidget、QPixmap、QImage等。通過重新實現(xiàn)QWidget：：paintEvent（）函數(shù)，即可在窗口部件上隨心所欲的控制所要繪制的部件的外觀、形狀等。

1.3 坐標(biāo)系介紹

Qt中每一個窗口都有一個坐標(biāo)系，默認窗口左上角為坐標(biāo)原點，然后水平向右依次增大，水平向左依次減小，垂直向下依次增大，垂直向上依次減小。原點即為（0，0）點，然后以像素為單位增減。

1.3.1 坐標(biāo)系變換

坐標(biāo)系變換是利用變換矩陣來進行的，可以利用QTransform類來設(shè)置變換矩陣，因為一般不需要進行更改，所以這里就不再涉及。下面只是對坐標(biāo)系的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、扭曲等函數(shù)進行介紹。

利用函數(shù)void QPainter：：translate（qreal dx，qreal dy）實現(xiàn)平移。

利用函數(shù)void QPainter：：scale（qreal sx，qreal sy）實現(xiàn)縮放。

利用函數(shù)void QPainter：：rotate（qreal angle）實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。

1.3.2 坐標(biāo)系統(tǒng)的保護

平移函數(shù)、旋轉(zhuǎn)函數(shù)已經(jīng)將坐標(biāo)系進行了變換，所以需要將變換的坐標(biāo)系再恢復(fù)，要用到兩個函數(shù)：

Void QPainter：：save（） 保存坐標(biāo)系現(xiàn)在的狀態(tài);

Void QPainter：：restore（） 恢復(fù)以前的坐標(biāo)系。

可以利用save（）函數(shù)保存坐標(biāo)系現(xiàn)在的狀態(tài)，然后進行變換操作，操作完之后，再用restore （）將以前的坐標(biāo)系狀態(tài)進行恢復(fù)，其實是一個入棧和出棧的操作。

2? 表盤控件類的設(shè)計與實現(xiàn)

本設(shè)計將QWidget作為父對象，定義了用于有關(guān)表盤屬性的相關(guān)變量如下：

2.1 表盤頭文件（adwidget.h）介紹

頭文件中需要加載如圖2所示的類：

在ADWidget類中使用Q_PROPERTY（）宏聲明了自定義屬性：

arcLineColor，每個屬性都有一個數(shù)據(jù)類型、一個“讀”函數(shù)和一個作為可選項的“寫”函數(shù)。

在Qt Designer工具中使用窗口部件時，在屬性編輯器里的QWidget屬性下會顯示這些自定義的屬性。這些屬性可以是有QVariant所支持的任何類型。

ADWidget.h包含其私有函數(shù)和私有變量。這些私有變量保存這“寫”屬性的值。顏色數(shù)據(jù)保存在私有變量中，可以通過setArcLineColor（）和arcLineColor（）函數(shù)對它們進行訪問。

2.2 表盤控件類的構(gòu)造函數(shù)和類方法

類的方法在ADWidget.h的文件中定義，ADWidget.cpp文件中實現(xiàn)其所有方法的定義。

2.2.1 構(gòu)造函數(shù)

構(gòu)造函數(shù)中初始化所有私有變量及賦初值。并定義QPainter的對象，設(shè)置其相關(guān)屬性;定義畫表盤的刻度的畫筆并設(shè)置畫筆的顏色、粗細等屬性;同時定義設(shè)置畫表盤指針相關(guān)屬性和坐標(biāo)，設(shè)置指針的顏色。

2.2.2 重載paintEvent函數(shù)

當(dāng)表盤窗口發(fā)生變化或模擬量數(shù)值發(fā)生變化時，自動調(diào)用此函數(shù)重新實現(xiàn)畫線、等相關(guān)操作。在paintEvent函數(shù)中調(diào)用QPainter的對象函數(shù)實現(xiàn)畫線、畫弧、畫數(shù)字等操作。

在設(shè)定的區(qū)域矩形區(qū)域內(nèi)畫圓弧，圓弧半徑為m_circleRadius（default：140），以（150，150）為中心點畫;

painter.rotate（a）;是以給定的角度（正 順時針/ 負 逆時針）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系;通過調(diào)用painter.save（），將坐標(biāo)系進行保存;調(diào)用painter.restore（）恢復(fù)之前的坐標(biāo)系;

計算-135°位置處的坐標(biāo)起始點，根據(jù)角度關(guān)系，算出刻度的坐標(biāo)終點;通過旋轉(zhuǎn)可獲得所有刻度。

表盤的指針從-180°處計算，根據(jù)指針定義大小，確定指針起始坐標(biāo)及中間坐標(biāo)點，如圖3所示。

3? 表盤實現(xiàn)效果

表盤類在main函數(shù)定義對象，并運行后實現(xiàn)的效果如圖4所示。

4? 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于Linux Qt開發(fā)工具的列車表盤控件，此控件能夠滿足數(shù)據(jù)顯示的需要，尤其是車輛速度的顯示。此控件繼承了Qt框架提供的QWidgt類，利用 QLinearGradient類、QPainter類、QLabel等類，通過坐標(biāo)變換函數(shù)及旋轉(zhuǎn)函數(shù)，實現(xiàn)指針的旋轉(zhuǎn)操作;通過重新實載paintEvent函數(shù)，實現(xiàn)控件的實時顯示。同時，可將此控件集成到QDesigner工具中，豐富了原有控件庫。經(jīng)過實際項目驗證，該控件類設(shè)計友好、個性化程度較高，能滿足客戶需求。

參考文獻：

[1]閆鋒欣，曾泉人，張志強譯.Jasmin Blanchette， Mark Summe

dield.C++GUI Qt4編程（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，201l：2-4.

[2]彭均鍵，史步海，劉洋.基于Qt的嵌入式GUI開發(fā)平臺的搭建[J].微型電腦應(yīng)用2010，26（02）：1-3.

[3]陳孝文，陳蜀宇，馬同杰.基于Linux的嵌入式圖形用戶界面的研究與應(yīng)用[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用[J].2009：1-2.