虚拟仪表盘显示界面的设计

厦门工学院，福建厦门361021

一、引言

汽车仪表是驾驶员获取汽车状态信息的关键设备，对汽车的安全行驶起着重要的作用。近年来，随着计算机、微电子和各种现场总线通信技术的广泛应用，汽车电子技术得到了迅猛的发展，汽车仪表盘上显示的信息不断增加，传统的机械式、电气式组合仪表越来越无法满足使用的需求。

本文介绍的数字仪表盘是S3C2410开发板下基于Linux操作系统下设计的数字仪表，具有显示直观、读识速度快、准确度高、适应环境亮度范围宽、彩色视觉效果好、对比度高等优点。

本文重点阐述设计时主要解决的三个问题：图形开发界面的选择、仪表盘窗口的设计、仪表指针显示设计。

二、图形开发界面选择

设计数字仪表，需要选择一个友好的图形用户界面支持系统GUI来进行显示界面的开发。因为嵌入式设备的可用资源有限，所以选择的GUI必须是可定制、占用资源少、高性能、高可靠性以及可配置。

Qt/Embedded具有平台无关性、良好的GUI编程接口以及强大的开发工具支持[1]，本文选用Qt/Embedded来进行仪表盘图形显示界面的开发。

图1所示为Qt/Embedded应用程序开发流程图。首先，安装Qt/Embedded工具开发包，然后基于S3C2410开发板硬件特性，交叉编译Qt/Embedded库，确认可用的情况下再进行相关应用程序开发和联调，最终发布应用程序。

三、仪表盘显示界面设计

仪表盘显示结构图如图2所示，将LCD显示界面划分为不同的区域，分别显示车速、发动机转速、水温、油量、时间、里程数、档位标志和各种警告标志[2]。

首先建立一个640×480（和LCD等大小）的主窗体，然后在主窗体上分别添加各个子窗体，由各子窗体完成显示任务。子窗体的建立是通过对Qt中的QWidget进行子类化来完成的。

例如，建立一个QWidget的派生类CarSpeed，用于动态显示汽车的行驶速度。在主窗口中设置其显示区域，将其显示在仪表盘的左下角。

为CarSpeed类的对象carspeed设置显示区域，以主窗口的坐标x=0，y=180为起点，分配一个长为400，高为300的矩形区域。Qt中默认的坐标系是以窗体的左上角为原点，向右为x轴的正半轴，向下为y轴的正半轴。

至此，一个用于显示车速和总里程数的子类窗口已经建立，在此窗口中可完成图形的绘制，其他各个子窗体的建立与此类似。

1、基于Qt画图类实现图形的绘制

Qt中主要用以下两个类来完成图形的绘制功能：QPainte和QPaintDevice。QPainter类完成整个画图工具的定义， QPaintDevice类则定义画图的设备，即最终的图像显示设备[3]。

Qt下画图程序基本框架如下：

下面以车速显示窗口绘制为例说明显示程序的具体实现。

图3所示为车速表示意图。车速表画成模拟表盘的形式，指针可随车速的不同而动态旋转，同时指针下方可显示汽车速度和总里程数。

该显示模块，是定义了一个QWidget的派生类CarSpeed，由这个类来完成车速表的绘制。分析该类的组成，车速和里程数构成了两个最重要的成员变量，车速表上模拟指针的摆动和数字显示都是依靠这两个值；其次还包括弧线半径、起始角和终止角这三个参数，它们决定了表盘的外形[4]。而成员函数则包含有构造函数（初始化成员变量）、设置车速、设置里程数、绘制外圆弧、绘制刻度线、绘制文字（包扣刻度值和数字式车速、里程数）、绘制指针（随车速的不同而不断摆动）和画图事件（响应画图事件，调用上面的绘制函数，实现图像更新）。类的定义代码如下所示：

下面重点介绍表盘刻度线的绘制drawScaleLable()函数：

因刻度线较多，在绘制刻度线时，需要确定大量的线段端点坐标，该工作量较大且易出错。因此我们采用图4所示的方法来确定刻度线的每一个端点的坐标。

如图4所示：刻度线a是由端点0和1组成，刻度线b是由端点2和3组成，而端点0是由直线a与半径为rl的大圆相交而得，端点1是由直线a与半径为rs的小圆相交而得；端点2是由直线b与半径为rl的大圆相交所得，端点3是由直线b与半径为rm的中圆相交而得。

若原点坐标为(x,y) ，直线a与x轴的角度为θ1，则端点0的横坐标x0=x+rL*cosθ1，纵坐标y0=y-rL*sinθ1（因为Qt中y轴的方向以直角坐标系的y轴方向相反，所以y0是y-rL*sinθ1，而不是y+rL*sinθ1）。同理，端点 1 的横坐标x1=x+rS*cosθ1，纵坐标y1=y-rS*sinθ1。

若直线b与x轴的角度为θ2，则端点2的横坐标x2=x+rL*cosθ2，纵坐标y2=y-rL*sinθ2。端点 3 的横坐标x3=x+rM*cosθ2，纵坐标y3=y-rM*sinθ2。

以上规律可以看出：

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

在1、5、9、13、......、4n+1的点坐标都为x4n+1=x+rS*cosθ，y4n+1=y-rS*sinθ；

在3、7、11、15、......、4n-1的点坐标都为x4n-1=x+rM*cosθ，y4n-1=y-rM*sinθ。

算法如图5所示：计算出所有的点坐标之后，创建一个QPointArray类的对象parray，将各点坐标按序列装入parray中，调用QPainter::drawLineSegments(pa rray)则可以绘制出第0点到第1点的线段a，第2点到第3点的线段b。至此，表盘刻度线绘制完成。

中华门是南京明城墙的十三座明代京城城门之一，原名聚宝门，是中国现存规模最大的城门，也是世界上保存最完好、结构最复杂的堡垒瓮城，有“天下第一瓮城”之称。由于传统地位和现代交通等因素的影响，中华门是南京众多城墙当中的明星。[5]

2、基于Qt画图类对图形进行处理

仪表盘上需要显示一些小图标来提示车辆的运行状况，如水温、油量、手刹车未松、车门未关好、前排乘客未系上安全带、电池电量低等，这些小图标都有标准的形状和画法，从互联网上下载标准图标后，通过Linux下的convert程序可以将其从某种外部模式转换成一种可以显示的模式，然后将其显示在仪表盘上。但因网上获得的图标背景色与仪表盘的背景色不同，如果将其直接显示的话，视觉效果不好，所以我们需要将其背景色进行转化[5]。

在Qt中，有一个QImage的类可以访问像素的值，它能够对单个像素信息进行底层访问。通过访问每一个像素，获得其颜色值并修改，可以对整个图形的颜色进行修改。具体实现步骤如下：

（1）将图标文件转换成XPM的图形模式，如fi le.jpg转换成 fi le.xpm；

（2）基于file.xpm创建一个QPixmap的对象QPixmap fi le；

（3）调用QPixmap::convertToImage()将其转换成QImage格式，

（4）访问QImage中的每一个像素，对于背景色：白色（红：255，蓝：255，绿：255）和黑色（红：0，蓝：0，绿：0），都将其修改为仪表盘的背景色（红：85，蓝：127，绿：0）；

（5）调用QPixmap::convertFromImage()将修改后的图形数据转换成另一个QPixmap形式的像素映射；

（6）调用QPainter::drawPixmap()就可将转换后的图标显示出来。

处理后的图形显示效果如图6所示。

四、整体调试图

仪表盘的显示效果如图7所示：表盘选用靓青色（红：85，蓝：127，绿：0）为背景，指针、外圆弧、刻度线、时间和单次里程数用白色绘制，刻度值、车速值、转速值和总里程表用红色显示，警告小图标用黄色显示。上述颜色的搭配显示，目的是使仪表盘显示更加醒目，让驾驶员对显示信息一目了然。

仪表盘右下角显示的是发动机转速，指针随转速的不同动态偏转，同时也以数字显示出具体的转速值；

转速表上方显示的是一些安全警告，比如车门未关好、未系安全带等，这些黄色小图标在汽车正常状态时不会显示出来，只有当状况发生时，比如有人坐上座位又没有系安全带，这时未系安全带的警告图标就会显示[6]；

右上角显示的是油量，指针会随油量的多少而偏转；

左上角显示的是冷却水温度，指针随水温的变换而偏转；

中间方形模块显示的是汽车各种车灯的工作情况，包括远光灯、近光灯、雾灯和转向灯等，各车灯点亮后会同时在仪表盘上显示出来；

车灯右方显示的是汽车挡位，红色显示的就是当前汽车所运行的挡位。

车灯左方显示的是汽车的品牌名称；

车灯下方显示的是时间和单次里程表，以数字式的形式显示当前系统时间，单次里程表可以进行清零操作。

五、结论

本文设计的仪表盘是一种较新的汽车仪表概念，逐步向“综合信息系统”方向发展，其特征是以液晶显示为基础，趋向于计算机数据处理和综合信息传递及显示的主节点。即汽车仪表作为汽车综合信息显示中心，不再仅仅是一个显示信息的工具，还是一个会分析、处理信息并控制执行的系统。并在仪表系统中成功地应用了S3C2410微处理器和嵌入式Linux系统，ARM处理器的使用，使系统的整体性能有了质的飞跃；嵌入式Linux系统的引入，对系统的软件设计和功能模块的添加/裁剪，提供了最大的方便。眼下开放式结构正处于发展阶段中，这种结构在整个汽车寿命期内都可以灵活地进行功能组合，并方便进行功能扩展，完善系统。