基于QT/E串口通信的手持監控器

摘 要： 為實現基于嵌入式Linux系統的ARM11手持監控器與下位機之間的串口通信，在基于ARM1176JZF?S核的ARM11開發板上移植Linux操作系統，搭建嵌入式QT應用平臺。利用QT可視化的圖形界面及豐富的圖形庫，設計并制作手持監控器圖形界面。根據Linux下串口通信的應用層協議，最終實現了下位機的運動狀態數據在QT界面上的實時顯示。該方法簡單、可靠、便于實際工程應用，解除了PC機對下位機進行遠程數據監控攜帶不方便的問題。由于Linux系統和QT都有較強的可移植性，該方法在遠程手持監控設備中將有廣泛的應用前景。

關鍵詞： 嵌入式； Linux； 手持監控器； QT； 串口通信

中圖分類號： TN919?34； TP393.04 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）20?0110?03

0 引 言

近年來，隨著電子、材料、計算機等一些高新技術的出現，水下機器人的研制有了迅猛的發展，已經出現海底實驗、考察、施工、打撈與救助等多種用途與類型的水下機器人[1]。本課題來源于國家“863計劃”——核反應堆專用機器人技術與應用。因為核電站反應堆水池特殊復雜的環境，必須要對核電站的水下機器人進行遠程監控。目前國內外已經有多種對水下機器人監控的岸上控制箱，但大都體積龐大，不方便攜帶。本文的目標是設計制作一個手持式監控器，可以方便的攜帶，并能夠顯示出水下機器人的各個運動狀態參數。

Linux操作系統，具有免費、安全、可靠、運行穩定等特點，具有跨平臺的特性，移植性非常好，并且它開放源代碼的優點使得系統成本非常低[1]，適合于向ARM11開發板上移植。配以具有跨平臺特性并含有豐富圖形庫的QT軟件，使得本手持式遠程監控器的設計簡單，成本低廉，非常適合于工業應用[1]。

1 硬件平臺的選擇及系統移植

1.1 核心處理器的選擇

因為需要實時的顯示水下機器人的運動狀態信息，所以選用ARM（Advanced RISC Machines）處理器核心板來實現功能。ARM處理器具有體積小、低功耗、低成本、高性能的優點，非常適合用于嵌入式手持設備。基于ARM1176JZF?S核來設計的ARM11處理器具有豐富的接口、較高的處理速度，同時能擴展出各種總線接口，包括數據總線、地址總線和控制總線，以及串口、USB接口、以太網接口等，可以方便的與其他模塊進行連接[1]，可以非常輕松的滿足我們手控器對QT串口通信的需求，如圖1所示。

1.2 操作系統的移植與交叉編譯器的安裝

1.2.1 Linux操作系統的移植

Linux操作系統是跨平臺、開放源代碼的，并且內核小、可剪裁、功耗低、功能易擴展，開發及運行效率高，因此我們在ARM11開發板上移植了版本號為2.6.38的嵌入式Linux操作系統[1]。

1.2.2 交叉編譯器的安裝

為了使宿主機上程序能夠順利的在目標機上運行，需要對開發板安裝交叉編譯工具鏈。在此安裝的交叉編譯器版本為Arm?Linux?Gcc4.5.1，它默認采用armv6指令集，支持硬浮點運算。安裝好交叉編譯器后，在宿主機PC電腦上編寫的程序可以順利的在目標機開發板上運行，這為后續工作搭建好了平臺。

2 QT軟件介紹及其移植

2.1 QT軟件簡介

QT是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，由挪威TrollTech公司1995年出品，QT具有優秀的跨平臺特性，相同的代碼可以在任何支持的平臺上編譯與運行，而不需要修改源代碼。同時，QT具有良好的封裝機制，模塊化程度非常高，可重用性較好，其獨特的信號/槽機制，使得各個元件之間的協同工作非常簡單[1]。而QT/Embedded是專門面向嵌入式系統的QT版本，專門為小型設備提供了圖形用戶界面的應用框架和窗口系統，具有極好的跨平臺特性，非常適合于手持監控器的開發。QT/Embedded的實現機構如下[1]。

2.2 QT到開發板的移植

本文的目的是在嵌入式硬件平臺ARM11上實現QT/E的圖形用戶界面，來實現讀取下位機傳來的串口數據。所以首先需要在PC機上安裝好QT并交叉編譯成為針對arm平臺的embedded版本[1]，并將其移植到ARM11開發板上，至此，在PC機Linux系統上編寫的QT運行程序，便可以在開發板上運行了，在此安裝的QT版本為4.7，如圖2所示。

3 串口通信的實現

3.1 Linux下串口通信的原理

因為在QT中沒有特定的串口控制類，所以在此引用一個由第三方編寫的qextSerialPort類來實現串口通信。該類包含2個類，QextSerialBase類和Posix_QextSerialPort類，這兩個類的關系圖如圖3所示。

可以看到，兩個類都是繼承自QT軟件自帶的QIODevice類，所以該類中的一些函數可以直接調用。其中，類QextSerialBase繼承自QIODevice類，它提供了操作串口所必需的一些變量和函數等，而Posix_QextSerialPort繼承自QextSerialBase，Posix_QextSerialPort類添加了Linux平臺下操作串口的一些功能。

在QextSerialBase類中涉及到了一個枚舉變量QueryMode，它包括兩個值，一個是事件驅動方式EventDriven，另一個是查詢方式Polling。在事件驅動方式中，串口的讀寫是異步的，不會凍結調用線程。而查詢方式讀寫函數是同步執行的，信號不能工作在這種模式下，而且有些功能也無法實現，但是這種模式下開銷較小，我們可以自己建立定時器來讀取串口的數據，并顯示在QT的圖形用戶界面上。本文介紹的就是用Polling方式來進行串口通信，因為手持監控器只需要顯示下位機的運動狀態參數，所以只需要讀取下位機發來的數據即可。

3.2 Polling方式串口通信的實現過程

因為查詢方式進行串口通信需要設置一個定時器，并通過QT特有的信號/槽機制，將定時器超時信號與槽函數關聯，每到定時器設定的值后就讀取一次串口的數據，實現串口通信的流程圖如圖4所示。

3.3 串口通信在ARM11開發板上的實現

在熟知QT下串口通信的原理后[1]，在QT軟件中建立工程，通過調用QextSerialBase和Posix_QextSerialPort兩個類，利用textbrowser和label來實現QT界面的編寫[1]，在PC機上模擬運行成功后，對該程序進行交叉編譯，生成了能夠在ARM11開發板上運行的可執行程序，并將其燒寫到開發板上，通過命令終端運行，使其成為?qws（服務器程序），并進行實際測利用下位機水下機器人對手持監控器發送數據，顯示效果如圖5所示。至此，手持監控器圖形界面就設計完成了，也可根據自己需要接受并顯示的參數來設計圖形用戶界面，以達到最大的美觀效果。

4 結 語

文章介紹了一種新穎的遠程手持監控器制作方法。以ARM?Linux嵌入式系統為基本平臺，利用同樣具有跨平臺特性的QT軟件來實現界面的設計與數據的讀取。該方法簡單，可靠，易學，并且成本低廉，可以快速的繪制漂亮的圖形界面，為以后手持式的遠程監控設備奠定了基礎，可以擺脫大型監控設備攜帶不方便的束縛。由于開源的Linux系統和QT軟件都具有較強的可移植性，該方法在遠程手持監控設備中將會有更廣泛的應用前景。

參考文獻

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