基于嵌入式Linux与QT的汽车虚拟仪表设计

２０１２年３月１５日第３５卷第６期
现代电子技术
Ｍｏｄｅｒｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｉｑ
ｕｅＭａｒ．２０１２
Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．６
基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ与ＱＴ的汽车虚拟仪表设计
王润民，赵祥模，惠　飞，杨　澜，史　昕
（长安大学信息工程学院，陕西西安　７１００６４
）摘　要：为了简化汽车内部控制系统，降低汽车制造成本，提高人车交互界面的友好度，设计并实现了一种新型的汽车虚拟仪表。

采用以ＡＲＭ处理器Ｓ３Ｃ６４１０为核心的硬件平台和以嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统为核心的软件平台，并在此基础上采用开放源代码的图形界面库ＱＴ开发仪表终端应用程序。

经试验验证，虚拟仪表系统具有成本较低、界面友好、反应灵敏等特点，
并在跨平台性、可扩展性等方面得到了显著改善。

关键词：汽车；虚拟仪表；嵌入式Ｌｉｎｕｘ；ＱＴ；ＡＲＭ
中图分类号：ＴＮ９１９－３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－３７３Ｘ（２０１２）０６－０００１－
０４Ｄｅｓｉｇ
ｎ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｖｉｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｌｉｎｕｘ　ａｎｄ　ＱＴＷＡＮＧ　Ｒｕｎ－ｍｉｎ，ＺＨＡＯ　Ｘｉａｎｇ
－ｍｏ，ＨＵＩ　Ｆｅｉ，ＹＡＮＧ　Ｌａｎ，ＳＨＩ　Ｘｉｎ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
，Ｘｉ’ａｎ　７１００６４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｉｍｐｌｉｆｙ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｃａｒ，ｒｅｄｕｃｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅｆｒｉｅｎｄｌｉｎｅｓｓ　ｄｅｇｒｅｅｓ　ｏｆ　ｍａｎ－ｖｅｈｉｃｌｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｔａｋｉｎｇ　ＡＲＭ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　Ｓ３Ｃ６４１０ａｓ　ｃｏｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｔａｋｉｎｇ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｌｉｎｕｘ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ　ａｓ　ａ　ｃｏｒｅ　ａｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｏｐｅｎ　ｓｏｕｒｃｅ　ｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｕｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｌｉｂｒａｒｙ　ＱＴ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｔｈｅ　ｔｅｒｍｉｎａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｓｏｍｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈ　ａｓ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ，ｆｒｉｅｎｄｌｙ　ｍａｎ－ｖｅｈｉｃｌｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ａｎｄ　ｈａｓ　ａ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｃｒｏｓｓ－ｐｌａｔｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ
．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｃａｒ；ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｌｉｎｕｘ；ＱＴ；ＡＲＭ收稿日期：２０１１－１０－
２６基金项目：国家“８６３”基金资助项目（２００９ＡＡ１１Ｚ２０３
）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ＣＨＤ２０１０ＪＣ０４６）；陕西省道路交通智能检测与装备工程技术研究中心开放基金资助项目；长安大学基础研究支持技术专项基金资助项目
０　引　言
仪表作为汽车整个系统中十分重要的部分，是提高汽车综合性能的重要方面之一。

随着计算机软硬件技术、总线技术、电子技术等的快速发展，控制系统臃肿、接线布线复杂、占用空间大的传统电磁机械仪表渐渐被淘汰，虚拟仪表正以传统机械仪表无法比拟的速度迅猛
发展［
１］。

目前虚拟仪表通常包括纯数字仪表和虚拟仪表盘仪表２种：纯数字仪表成本较低，但功能和界面比较简单，满足不了一般驾驶员的需求；而现有的虚拟仪表盘仪表虽然功能和界面比较丰富，但又存在着开发成本高、
可移植性和可重绘性差、可扩展性不足等缺点，不利于大范围的推广与应用［
２－
３］。

针对传统仪表和现有仪表存在的不足，本文提出了
一种新型的车载虚拟仪表设计方案，
采用ＡＲＭ处理器Ｓ３Ｃ６４１０为核心的硬件平台和以嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统为
核心的软件平台，
并在此基础上采用开放源代码的图形界面库ＱＴ开发仪表终端应用程序。

该虚拟仪表可读性好，读数精度高，在可移植性、可维护性和成本方面都得到了良好的改善，具有较大的科研价值和商业使用价值。

１　系统总体设计
本文所介绍的车载虚拟仪表的基本设计思想是将汽车上安装的各种传感器采集到的数据进行智能化的处理，然后在运行于嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统的使用ＱＴ设计的虚拟仪表盘上进行显示，以便于监测汽车各系统的工作状况，如剩余油量、当前车速、行驶里程等，并在某状态出现异常或存在危险时向驾驶员提示报警。

如图１所示，本车载虚拟仪表系统的设计总体由３个部分组成：
（１）信号采集：对汽车上安装的的各种传感器采集的速度、剩余油量等汽车状态信息，经过处理转换后，将其转换为计算机可以识别的数字量；
（２
）数据处理：将“信号采集”过程传输来的数据进
行必要的处理，将有用的数据保存，以便于显示和报警，本过程主要由嵌入式处理器完成；
（３）人机交互：将“数据处理”过程处理完成的数据，在使用ＱＴ设计的虚拟仪表盘上动态显示，主要显示内容有：当前速度、燃油箱的存油量、时间日期、行驶里程、报警灯等；在某项状态出现异常时，通过报警模块向驾驶员提示报警。

图１　虚拟仪表系统结构框图
２　虚拟仪表硬件设计
虚拟仪表的硬件结构图如图２所示。

虚拟仪表的核心处理器采用ＡＲＭ１１７６ＪＺＦ－Ｓ核的Ｓ３Ｃ６４１０芯片，其主频最高可达到６６７ＭＨｚ，内部继承了强大的多媒体处理单元，带有３Ｄ图形硬件加速器，并支持２Ｄ图形图像的平滑缩放等操作，有利于为用户提供高灵敏度的汽车状态动态显示；外接２５６ＭＢ　ＳＤＲＡＭ和２ＧＢＮＡＮＤＦＬＡＳＨ；串口连接信号转换处理模块，转换处理模块内部集成ＣＡＮ－ＲＳ２３２转换器及２４位的Ａ／Ｄ转换器ＬＴＣ２４１４，接收相关传感器采集的各种汽车状态信号，并经过处理后，将处理完成的数据上传至处理器；外接ＬＣＤ模块采用８寸ＴＦＴ液晶显示屏，处理器内部集成的ＬＣＤ控制器信号线经过驱动电路后即可连接ＬＣＤ模块，为虚拟仪表显示提供了硬件平台；外接由语音芯片组成的报警模块，在必要的时候可以由处理器驱动报警模块以语音的形式向驾驶员提示报警。

图２　虚拟仪表的硬件结构图
３　虚拟仪表软件设计
本系统采用嵌入式Ｌｉｎｕｘ作为操作系统，在Ｌｉｎｕｘ平台下编写虚拟仪表的驱动程序和应用程序，采用ＱＴ／ｅｍｂｅｄｄｅｄ设计虚拟仪表软面板。

应用程序的主要功能有，当接收到各个经转换处理的传感器采集到的信号后，将其有用的数据提取并加以存储，然后调用仪表显示程序，将需要显示的内容显示到不同的虚拟仪表盘中，同时并行判断各项参数是否正常，若出现异常则调用语音报警程序和显示程序提示报警。

虚拟仪表软件结构图如图３所示。

虚拟仪表软件开发主要有２个内容：开发环境的搭建、虚拟仪表应用程序的设计［４］。

图３　虚拟仪表的软件结构图
３．１　开发环境的搭建
为了开发满足功能的应用程序，本文采用的软件开发环境是Ｖｍｗａｒｅ　ＷｏｒｋＳｔａｔｉｏｎ　７虚拟机和Ｆｅｄｏｒａ　１３操作系统，在此环境中安装交叉编译器ＡＲＭ－ｌｉｎｕｘ－ｇｃｃ　４．５．１，用来完成包含相关驱动程序的虚拟仪表系统内核、ＱＴ库和应用程序的编译；编译安装ＱＴ／Ｅｍｂｅｄｄｅｄ库，用来支持虚拟仪表人机交互界面程序的开发并生成虚拟仪表系统中需要的ＱＴ库文件；编译Ｔｓｌｉｂ触摸屏库，为虚拟仪表系统添加触摸屏支持；在Ｆｅｄｏｒａ１３系统中安装ＱＴ　Ｃｒｅａｔｏｒ软件，用于完成虚拟仪表系统应用程序的开发；移植嵌入式设备的系统引导程序Ｕ－ｂｏｏｔ；编写硬件平台相关驱动［５］，然后裁剪编译Ｌｉｎｕｘ２．６．１０内核并在其中加载已编译的相关驱动［６］；制作硬件平台需要的根文件系统，在其中移植已配置、编译过的ｔｓｌｉｂ库和ＱＴ／Ｅｍｂｅｄｄｅｄ库［７］。

３．２　应用程序开发
本虚拟仪表系统的的应用程序基于ＱＴ／Ｅｍｂｅｄ－ｄｅｄ平台，使用ＱＴ的轻量级集成开发环境ＱＴ　Ｃｒｅａｔｏｒ完成开发，最后在已搭建的开发环境中编译生成可执行二进制文件，并将其移植到硬件平台中的文件系统中进行测试。

虚拟仪表系统应用程序的主要工作流程如图４所示，在系统上电后，应用程序开始运行，要实现汽车虚拟仪表系统的功能，应用程序需要完成虚拟仪表面板和后台处理程序的开发：
３．２．１　虚拟仪表面板的绘制
虚拟仪表面板主要将汽车的一些基本状态在ＬＣＤ上通过表盘和数字直观、动态的显示出来，本设计中采用速度、油量、电池电量、时间日期、安全带、安全气囊、
２现代电子技术２０１２年第３５卷
行驶里程等状态。

为了提高本虚拟仪表的可扩展性和可维护性，在本设计中，为每种具体的虚拟仪表对象定义一个抽象类。

下面即以仪表盘类（ＱＭｅｔｅｒ）为例介绍本系统中虚拟仪器面板的绘制。

图４　系统软件工作流程图
在需要显示的各种状态中，速度和油量通常以仪表盘形式显示，虚拟仪表模块中的虚拟仪表盘采用ＱＴ的二维图形引擎的基础类ＱＰａｉｎｔｅｒ开发。

ＱＰａｉｎｔｅｒ具有丰富的图形图像绘制函数，并支持反走样、渐变填充、像素混合、线性变换等特性，利用这些函数完成仪表盘的绘制［８－９］。

ＱＭｅｔｅｒ类的定义如下：
Ｃｌａｓｓ　ＱＭｅｔｅｒ：ｐｕｂｌｉｃ　ＱＷｉｄｇｅｔ
｛Ｑ＿ＯＢＪＥＣＴ
ｐｕｂｌｉｃ：
ＱＭｅｔｅｒ（ＱＷｉｄｇｅｔ＊ｐａｒｅｎｔ＝０）；
ｄｏｕｂｌｅ　ｖａｌｕｅ（）ｃｏｎｓｔ｛ｒｅｔｕｒｎ　ｍ＿ｖａｌｕｅ｝；
／／调用此函数时，将返回仪表盘要显示的实际值ｍ＿ｖａｌｕｅ…
ｓｉｇｎａｌｓ：
ｖｏｉｄ　ｅｒｒｏｒＳｉｇｎａｌ（ｉｎｔ）；／／发出错误警告的信号ｐｕｂｌｉｃ　ｓｌｏｔｓ：
ｖｏｉｄ　ｓｅｔＶａｌｕｅ（ｄｏｕｂｌｅ）；
／／设置仪表盘显示的数值，用此函数实现仪表盘的动态显示ｖｏｉｄ　ｓｅｔＭｉｎＶａｌｕｅ（ｄｏｕｂｌｅ）；
／／设置仪表盘指示数值得最小值，定义这类槽函数，
实现在原有基本框架下对仪表盘的快速重绘ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ：
ｖｏｉｄ　ｐａｉｎｔＥｖｅｎｔ（ＱＰｉａｎｔＥｖｅｎｔ＊ｅｖｅｎｔ）；
／／执行所有的绘制函数，实现仪表盘的绘制ｖｏｉｄ　ｄｒａｗＣｒｏｗｎ（ＱＰｉａｎｔＥｖｅｎｔ＊ｅｖｅｎｔ）；／／绘制表盘边界ｖｏｉｄ　ｄｒａｗＴｉｃｋｓ（ＱＰｉａｎｔＥｖｅｎｔ＊ｅｖｅｎｔ）；／／绘制指针
…
｝
３．２．２　后台处理程序
后台处理程序主要将系统下层采集的数据进行分析处理，将有用的数据传送至虚拟仪表面板显示，实现虚拟仪表的动态显示，同时以多线程的方式不断检测汽车各项状态，当某项状态出现异常或存在危险时驱动ＬＣＤ和语音芯片向驾驶员报警［１０］，其中异常状态有超速、存油量过低、电池电量过低等。

下面以报警子程序为例讲解后台处理子程序。

报警子程序在后台处理程序中新建一个线程，通过多线程的方式以轮询的方式查询各个传感器的状态，当发现某个状态存在危险时，驱动语音芯片发出相应的报警信息。

其定义如下：
ｃｌａｓｓ　Ａｌａｒｍ：ｐｕｂｌｉｃ　ＱＴｈｒｅａｄ
｛
Ｑ＿ＯＢＪＥＣＴ
ｐｕｂｌｉｃ：
ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ：
ｖｏｉｄ　ｒｕｎ（）；／／开机即开始以轮询的方式检测各个传感器的
状态ｓｉｇｎａｌｓ：
ｖｏｉｄ　ｓｅｎｄＤａｔａ（）；／／若某状态存在危险，即发出相应形式的信号，以信号与槽机制通知主程序立即更新ｌｃｄ显示，
并驱动语音芯片报警。

ＱＴ特有的信号与槽（ｓｉｇｎａｌ／ｓｌｏｔｓ）机制实现方式如下：
ｃｏｎｎｅｃｔ（ｍ＿ｔｈｒｅａｄ，ＳＩＧＮＡＬ（ｓｅｎｄＤａｔａ（）），ｔｈｉｓ，ＳＬＯＴ（Ｄｅａｌ（）））；
通过调用ＱＯｂｊｅｃｔ对象的ｃｏｎｎｅｃｔ函数，将报警线程的ｓｅｎｄＤａｔａ信号与主线程的槽函数Ｄｅａｌ（）关联，当报警侦听线程发射信号时，主线程槽函数及时被调用，驱动报警。

４　应用程序示例
将裁剪、编译过的内核与制作的带ＱＴ库的文件系统烧写到开发板。

在开发环境内交叉编译编写的应用程序，得到可执行二进制文件，将此文件移植到开发板，即可实现应用程序的发布。

重新开机，运行应用程序即显示虚拟仪表界面，如图５所示。

通过汽车上的各种传感器采集数据，通过控制器和高速ＣＡＮ总线传送到Ｓ３Ｃ６４１０硬件平台解析，应用程序得到解析后的数据后，即可动态的显示当前车辆的各种状态及报警情况。

５　结　语
本文设计的汽车虚拟仪表，具有优良的跨平台性能；该设计方案使得仪表信息量增大，操作简单，易于维护，界面友好；采用开放源码设计，使得本系统开发成本降低；使用双缓冲技术消除了仪表显示页面的闪烁；采用多线程技术，使处理、显示与报警同时进行，提高了系
３
第６期王润民，等：基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ与ＱＴ的汽车虚拟仪表设计
统的实时性与灵敏度；将具体的虚拟仪表对象定义为抽象类，增强了虚拟仪表的扩展性。

经实验测试，本虚拟仪表系统的所有功能模块均能正常运行，该系统的应用将对降低汽车的成本，缩短汽车仪表系统的研发周期，
提供高友好度的人机界面具有重要的意义
图５　基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ与ＱＴ的汽车虚拟仪表主界面
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５７．作者简介：王润民　男，１
９８９年出生，硕士。

主要研究方向为嵌入式系统及其应用。

赵祥模　男，１９６６年出生，博士，教授，博士生导师。

主要研究方向为分布式计算机网络测控技术及应用。

惠　飞　男，１９８２年出生，博士，讲师。

主要研究方向为车辆信号的采集与处理、小波分析的理论及应用。

杨　澜　女，１
９８５年出生，博士。

主要研究方向为智能交通技术。

史　昕　男，１９８７年出生，
博士。

主要研究方向为无线传感器网络及其应用檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏
殏
殏
殏。

中国科技核心期刊《现代电子技术》征稿启事
主要栏目有：
军事通信，无线通信，通信设备，信息安全，测控技术，数控技术，自动化技术，工控技术，汽车电子，智能交通，新型显示技术，电子技术。

嵌入式技术，人工智能与仿真，软件技术，总线与网络，图形图像处理，科学计算及信息处理，航空航天技术，元器件与应用，光电子器件与测试，新型功率器件，电子测量与仪器，集成电路设计，新能源＆电源，控制与驱动，电能质量。

刊登的领域：
《现代电子技术》
（半月刊）以电子技术为主体，探讨和报道信息产业及电子行业中新技术，新器件，新应用的学术论文及成果；提供国内外最新的电子技术发展动态及产品市场信息；为企业的新产
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投稿要求：
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绘图（矢量图或高点阵图）。

４
现代电子技术
２０１２年第３５卷。