虛擬儀表盤顯示界面的設計

廈門工學院，福建廈門361021

一、引言

汽車儀表是駕駛員獲取汽車狀態信息的關鍵設備，對汽車的安全行駛起著重要的作用。近年來，隨著計算機、微電子和各種現場總線通信技術的廣泛應用，汽車電子技術得到了迅猛的發展，汽車儀表盤上顯示的信息不斷增加，傳統的機械式、電氣式組合儀表越來越無法滿足使用的需求。

本文介紹的數字儀表盤是S3C2410開發板下基于Linux操作系統下設計的數字儀表，具有顯示直觀、讀識速度快、準確度高、適應環境亮度范圍寬、彩色視覺效果好、對比度高等優點。

本文重點闡述設計時主要解決的三個問題：圖形開發界面的選擇、儀表盤窗口的設計、儀表指針顯示設計。

二、圖形開發界面選擇

設計數字儀表，需要選擇一個友好的圖形用戶界面支持系統GUI來進行顯示界面的開發。因為嵌入式設備的可用資源有限，所以選擇的GUI必須是可定制、占用資源少、高性能、高可靠性以及可配置。

Qt/Embedded具有平臺無關性、良好的GUI編程接口以及強大的開發工具支持[1]，本文選用Qt/Embedded來進行儀表盤圖形顯示界面的開發。

圖1所示為Qt/Embedded應用程序開發流程圖。首先，安裝Qt/Embedded工具開發包，然后基于S3C2410開發板硬件特性，交叉編譯Qt/Embedded庫，確認可用的情況下再進行相關應用程序開發和聯調，最終發布應用程序。

三、儀表盤顯示界面設計

儀表盤顯示結構圖如圖2所示，將LCD顯示界面劃分為不同的區域，分別顯示車速、發動機轉速、水溫、油量、時間、里程數、檔位標志和各種警告標志[2]。

首先建立一個640×480（和LCD等大小）的主窗體，然后在主窗體上分別添加各個子窗體，由各子窗體完成顯示任務。子窗體的建立是通過對Qt中的QWidget進行子類化來完成的。

例如，建立一個QWidget的派生類CarSpeed，用于動態顯示汽車的行駛速度。在主窗口中設置其顯示區域，將其顯示在儀表盤的左下角。

為CarSpeed類的對象carspeed設置顯示區域，以主窗口的坐標x=0，y=180為起點，分配一個長為400，高為300的矩形區域。Qt中默認的坐標系是以窗體的左上角為原點，向右為x軸的正半軸，向下為y軸的正半軸。

至此，一個用于顯示車速和總里程數的子類窗口已經建立，在此窗口中可完成圖形的繪制，其他各個子窗體的建立與此類似。

1、基于Qt畫圖類實現圖形的繪制

Qt中主要用以下兩個類來完成圖形的繪制功能：QPainte和QPaintDevice。QPainter類完成整個畫圖工具的定義， QPaintDevice類則定義畫圖的設備，即最終的圖像顯示設備[3]。

Qt下畫圖程序基本框架如下：

下面以車速顯示窗口繪制為例說明顯示程序的具體實現。

圖3所示為車速表示意圖。車速表畫成模擬表盤的形式，指針可隨車速的不同而動態旋轉，同時指針下方可顯示汽車速度和總里程數。

該顯示模塊，是定義了一個QWidget的派生類CarSpeed，由這個類來完成車速表的繪制。分析該類的組成，車速和里程數構成了兩個最重要的成員變量，車速表上模擬指針的擺動和數字顯示都是依靠這兩個值；其次還包括弧線半徑、起始角和終止角這三個參數，它們決定了表盤的外形[4]。而成員函數則包含有構造函數（初始化成員變量）、設置車速、設置里程數、繪制外圓弧、繪制刻度線、繪制文字（包扣刻度值和數字式車速、里程數）、繪制指針（隨車速的不同而不斷擺動）和畫圖事件（響應畫圖事件，調用上面的繪制函數，實現圖像更新）。類的定義代碼如下所示：

下面重點介紹表盤刻度線的繪制drawScaleLable()函數：

因刻度線較多，在繪制刻度線時，需要確定大量的線段端點坐標，該工作量較大且易出錯。因此我們采用圖4所示的方法來確定刻度線的每一個端點的坐標。

如圖4所示：刻度線a是由端點0和1組成，刻度線b是由端點2和3組成，而端點0是由直線a與半徑為rl的大圓相交而得，端點1是由直線a與半徑為rs的小圓相交而得；端點2是由直線b與半徑為rl的大圓相交所得，端點3是由直線b與半徑為rm的中圓相交而得。

若原點坐標為(x,y) ，直線a與x軸的角度為θ1，則端點0的橫坐標x0=x+rL*cosθ1，縱坐標y0=y-rL*sinθ1（因為Qt中y軸的方向以直角坐標系的y軸方向相反，所以y0是y-rL*sinθ1，而不是y+rL*sinθ1）。同理，端點 1 的橫坐標x1=x+rS*cosθ1，縱坐標y1=y-rS*sinθ1。

若直線b與x軸的角度為θ2，則端點2的橫坐標x2=x+rL*cosθ2，縱坐標y2=y-rL*sinθ2。端點 3 的橫坐標x3=x+rM*cosθ2，縱坐標y3=y-rM*sinθ2。

以上規律可以看出：

在 0、2、4、6、......、2n的 點 坐 標 都 為x2n=x+rL*cosθ，yn=y-rL*sinθ；

在1、5、9、13、......、4n+1的點坐標都為x4n+1=x+rS*cosθ，y4n+1=y-rS*sinθ；

在3、7、11、15、......、4n-1的點坐標都為x4n-1=x+rM*cosθ，y4n-1=y-rM*sinθ。

算法如圖5所示：計算出所有的點坐標之后，創建一個QPointArray類的對象parray，將各點坐標按序列裝入parray中，調用QPainter::drawLineSegments(pa rray)則可以繪制出第0點到第1點的線段a，第2點到第3點的線段b。至此，表盤刻度線繪制完成。

中華門是南京明城墻的十三座明代京城城門之一，原名聚寶門，是中國現存規模最大的城門，也是世界上保存最完好、結構最復雜的堡壘甕城，有“天下第一甕城”之稱。由于傳統地位和現代交通等因素的影響，中華門是南京眾多城墻當中的明星。[5]

2、基于Qt畫圖類對圖形進行處理

儀表盤上需要顯示一些小圖標來提示車輛的運行狀況，如水溫、油量、手剎車未松、車門未關好、前排乘客未系上安全帶、電池電量低等，這些小圖標都有標準的形狀和畫法，從互聯網上下載標準圖標后，通過Linux下的convert程序可以將其從某種外部模式轉換成一種可以顯示的模式，然后將其顯示在儀表盤上。但因網上獲得的圖標背景色與儀表盤的背景色不同，如果將其直接顯示的話，視覺效果不好，所以我們需要將其背景色進行轉化[5]。

在Qt中，有一個QImage的類可以訪問像素的值，它能夠對單個像素信息進行底層訪問。通過訪問每一個像素，獲得其顏色值并修改，可以對整個圖形的顏色進行修改。具體實現步驟如下：

（1）將圖標文件轉換成XPM的圖形模式，如fi le.jpg轉換成 fi le.xpm；

（2）基于file.xpm創建一個QPixmap的對象QPixmap fi le；

（3）調用QPixmap::convertToImage()將其轉換成QImage格式，

（4）訪問QImage中的每一個像素，對于背景色：白色（紅：255，藍：255，綠：255）和黑色（紅：0，藍：0，綠：0），都將其修改為儀表盤的背景色（紅：85，藍：127，綠：0）；

（5）調用QPixmap::convertFromImage()將修改后的圖形數據轉換成另一個QPixmap形式的像素映射；

（6）調用QPainter::drawPixmap()就可將轉換后的圖標顯示出來。

處理后的圖形顯示效果如圖6所示。

四、整體調試圖

儀表盤的顯示效果如圖7所示：表盤選用靚青色（紅：85，藍：127，綠：0）為背景，指針、外圓弧、刻度線、時間和單次里程數用白色繪制，刻度值、車速值、轉速值和總里程表用紅色顯示，警告小圖標用黃色顯示。上述顏色的搭配顯示，目的是使儀表盤顯示更加醒目，讓駕駛員對顯示信息一目了然。

儀表盤右下角顯示的是發動機轉速，指針隨轉速的不同動態偏轉，同時也以數字顯示出具體的轉速值；

轉速表上方顯示的是一些安全警告，比如車門未關好、未系安全帶等，這些黃色小圖標在汽車正常狀態時不會顯示出來，只有當狀況發生時，比如有人坐上座位又沒有系安全帶，這時未系安全帶的警告圖標就會顯示[6]；

右上角顯示的是油量，指針會隨油量的多少而偏轉；

左上角顯示的是冷卻水溫度，指針隨水溫的變換而偏轉；

中間方形模塊顯示的是汽車各種車燈的工作情況，包括遠光燈、近光燈、霧燈和轉向燈等，各車燈點亮后會同時在儀表盤上顯示出來；

車燈右方顯示的是汽車擋位，紅色顯示的就是當前汽車所運行的擋位。

車燈左方顯示的是汽車的品牌名稱；

車燈下方顯示的是時間和單次里程表，以數字式的形式顯示當前系統時間，單次里程表可以進行清零操作。

五、結論

本文設計的儀表盤是一種較新的汽車儀表概念，逐步向“綜合信息系統”方向發展，其特征是以液晶顯示為基礎，趨向于計算機數據處理和綜合信息傳遞及顯示的主節點。即汽車儀表作為汽車綜合信息顯示中心，不再僅僅是一個顯示信息的工具，還是一個會分析、處理信息并控制執行的系統。并在儀表系統中成功地應用了S3C2410微處理器和嵌入式Linux系統，ARM處理器的使用，使系統的整體性能有了質的飛躍；嵌入式Linux系統的引入，對系統的軟件設計和功能模塊的添加/裁剪，提供了最大的方便。眼下開放式結構正處于發展階段中，這種結構在整個汽車壽命期內都可以靈活地進行功能組合，并方便進行功能擴展，完善系統。