Linux系统下QT图形界面开发

摘要

　　随着技术的发展和普及，人们对随身使用的便携设备的要求越来越高。从原先笨重的 PC 电脑到现在的小巧玲珑的智能设备，使用者对电子设备的关注点也从基础功能方面变成设备整体操作体验上。

　　嵌入式设备具备轻便灵巧、操作简单、界面简洁的特点，它与 PC 电脑的鼠标键盘操作完全不同，只需要简单的触摸屏操作就能够运行程序，这顺应了使用市场的需求。虽然有续航短和硬件资源不够的缺点，但是嵌入式设备已经吸引到了使用者的目光。

　　嵌入式架构的电子设备离不开成熟稳定的操作系统的支持，而嵌入式 Linux具备开源免费可定制的特点。这些特点不仅仅能够降低厂商的开发成本，也能兼顾系统的兼容性。这类系统因开源的特点，各个开发者的优化和改进提高了嵌入式 Linux 系统的稳定性。嵌入式 Linux 具备的这些优点让它在电子设备系统上占据了重要位置。

　　在各式各样的图形界面中，Linux 下 Qt/Embedded 是最佳选择。兼容性强、系统开销少、扩展性高和适用性强的特点让它成为各大开发商的首选。

　　本文通过介绍嵌入式 Linux 操作系统下，在做好接口硬件匹配，移植合适的bootloader 引导，裁剪定制内核和根文件系统的前提下，搭建相关技术的开发环境，以及一些具体的项目开发内容，进一步分析并认识嵌入式 Linux 操作系统下Qt/Embedded 开发环境的搭建及相关应用技术。在介绍开发环境搭建以及应用技术的过程中，选择基于 QT 的 GUI 应用程序，关注在智能家居行业和远程图像监控领域下的技术用途。

　　本论文的整体内容均围绕相关案例与技术来展开，同时在研究相关创新内容的基础上，找到各个使用领域中关键的接口驱动技术点，使整个的技术内容更加全面。最终，达成整个的研究任务，实现研究目标。

　　关键词：嵌入式系统，Linux 操作系统，开发环境，Qt/Embeded 开发环境，QT 图形界面开发

ABSTRACT

　　With the development of technology and the popularity of portable devices, people are getting more and more requests for these devices. Along with the electronic devices from the original bulky PC to the small and exquisite portable devices, the concerns of users of electronic equipment is from the basis functions into overall equipment operation experience.

　　The embedded equipment has the characteristics of light and flexible,simple operation,simple interface. It is different from PC computer which is operated by mouse and keyboard. Simple operation can produce the effect of the corresponding response. These make the embedded equipment conforms to the market demand . Although power is short and the hardware resources is not enough, the embedded device has already attracted the eyes of the user.

　　Electronic equipment with the embedded system can not work without the support of the mature and stable operating system. And the embedded Linux is a free open source system which can be customized. These features not only can reduce the manufacturer's development cost, it also improves the compatibility of the system. This kind of system because of the characteristics of open source, optimization and improvement of various make the developers improve the stability of embedded Linux system. The advantages of embedded Linux have let it occupy an important position in the electronic equipment system.

　　In a wide variety of graphical interfaces , Qt/Embedded is the best choice. With strong compatibility, low system cost, high scalability and applicability of the characteristics , it become the first choice for the major developers.

　　This paper introduces the development environment of embedded Linux operating system. With matched the interface hardware, transplanted appropriate bootloader guidance, customed kernel and root file system, we built the relevant technology. In some specific project developments, we furtherly analysis and understand the QT/embedded development environment ,and build the technology and related applications. In the process of introducing the development environment and the application of the technology, we choose the GUI application program based on QT, and focus on the technical application in the field of smart home industry and remote image monitoring system.

　　The whole content of this paper is related to the relevant cases and technology to start. And on the basis of research related innovation content, we put forward the key technology point which is something about hardware driver technologies. With these work ,the whole technology content is more comprehensive. Finally, to achieve the entire research task, we achieve the research objectives.

　　Keywords: Embedded system; Linux OS; development environment; Qt/Embedded development environment; QT graphical interface development

　　从嵌入式系统的发展开始，嵌入式操作系统便以系统内核小、专用性强、系统精简而被广泛运用在智能电子设备上。随着现代智能电子产品的广泛应用，现在的使用者更加关心的是电子产品的使用效率和操作难度。而作为电子产品面对用户的图形界面则起着至关重要的作用。

　　本研究着眼于嵌入式操作系统的图形界面。GUI 图形界面不仅仅能体现出开发者的研究思路，还能体现用户对电子产品的迫切需求。一个好的图形界面应该是方便开发者设计维护和定位于客户的迫切需求。

　　在这些要求都对图形界面提出了新的要求。以嵌入式系统为例，兼容性高、代码体积轻、可读性强、响应时间短、运行效率高和配置性灵活的图形界面才具有竞争力。而在商业角度来讲，便于开发且成本低的 GUI 界面才是电子产品厂商的最佳选择。

　　在中国市场上，一个小型、高效率、实用性高的 GUI 系统无疑会收到各大厂商的追捧。而作为开源的 Qt 图形界面则是其中的佼佼者。Qt 图形界面满足了大部分厂商的需求，且开发过程中兼容性高，运行效率非常高。

　　本研究是对嵌入式 GUI 系统的深入分析的基础上，搭建 Qt 的开发平台。通过实践来了解嵌入式 GUI 系统开发过程中的实际难点和痛点。而 Qt 揭秘那平台不调用所在系统的本地工具包及中间件，相比其他的 API 类工具的频繁调用本地资源来说，工作效率大大提高。Qt 工具集不仅仅能够运行在现有流行的操作系统中，也可以在单任务进程中实现，这大大的提高了运行环境的兼容性。Qt 提供的函数库可以运行在各种底层架构的硬件平台上。并且 Qt 图形界面可以实现 Windows风格的界面，这种让用户倍感熟悉的操作风格，相信一定能够大放光彩。

　　本研究主要关注嵌入式 Linux 系统的图形程序的运行规律，具体将研究的内容分成嵌入式 Linux 操作系统、Qt/Embedded 开发环境、QT 图形界面开发这三块，从而来实现在 Linux 环境下来开发图形界面的目的。

　　在了解什么是嵌入式 Linux 操作系统之前，需要对嵌入式有一个明确的认识。

　　关于嵌入式以及嵌入式系统，具体内容介绍如下。

　　有这样的解说：―Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation ofEquipment，Machinery or Plants‖是美国的 IEEE 电气和电子工程师协会的关于嵌入式系统的官方解释。美国的一个组织机构，电气和电子工程师协会，英语全称为Institute of Electrical and Electronics Engineers，将嵌入式系统看作是一种装置，该装置的主要作用是可以对机器和设备进行操作、控制以及监视等。

　　嵌入式 Linux 系统是一种专用的用在小型开发板上的计算机系统。一般嵌入式系统作为一个控制中枢存储在嵌入式处理器控制板的 ROM 存储中。事实上，大到汽车、大型器械，小到手表、微波炉，都有使用嵌入式系统。而有的产品则更近一步，使用的嵌入式操作系统，但是大部分嵌入式系统还是有单个控制程序模块来完成产品的控制操作的。

　　嵌入式系统与 PC 系统有很大的不同。例如，PC 系统的输入可通过鼠标、键盘等工具实现，嵌入式系统就需要通过按键或者触摸屏来实现了。

　　随着智能手机，便携式移动娱乐终端的兴起，我们生活中能够接触到各式各样的此类嵌入式 Linux 系统。除了这些，大到大型器械内置操作板系统小到门禁门铃，这些都是和嵌入式 Linux 操作系统相关的领域。研究嵌入式 Linux 操作系统非常有必要。

　　而图形化界面则是在单纯枯燥且不友好的嵌入式 Linux 系统的第二春。借助于图形化界面，我们可以非常直观迅速的操作嵌入式 Linux 系统并且能够形象的看到系统运行状态。这种友好的操作方式和 Microsoft 给电脑开发鼠标图形操作界面的初衷一样。同时在广大的开发厂商的努力下，嵌入式 Linux 才得以走进千家万户。本论文就是要沿着前人的脚步研究嵌入式 Linux 操作系统的图形界面。[11]

　　而在图形界面的领域各种成熟的开发库也是千奇百怪。有的界面炫酷但是耗费的硬件资源非常庞大，有的则是准确小巧且兼容性好。但是嵌入式 Linux 系统的硬件资源并不是特别的丰富，无法像台式机一样随意运行炫酷的图形界面。而 Qt是一个轻量级且兼容性比较强的图形开发界面，非常适合运用在嵌入式 Linux 开发中[16]。

　　目前许多公司在开发产品的时候并没有把 GUI 剥离，这种 GUI 由程序员进行日常修补维护，且维护人员时常不固定，这就造成软件结构纷繁复杂，各个程序员之间写的代码没有通用性且无法互相引用使用，导致软件越到后期越发的难以维护和操作，用户的使用体验变得非常差。还有部分厂商则购买成熟的界面操作系统，但是这类产品的设计是考虑到兼容通用性的，很多时候性能非常差。

　　如果能够开发属于自己的 GUI 系统，则能够在考虑通用性的同时，在功能和系统代码体积上达到更高的高度。开发研究人员也能方便的优化和维护。这种做产品的路线不仅能提高产品的竞争力，还能在开发维护上节约时间和人力成本，可谓是一举两得。而开发一款成功的 GUI 界面需要考虑的如下几个方面：

　　（1）由于嵌入式 Linux 的硬件资源有限，无法像 PC 平台上那样忽略开发出来的软件的硬件开销。所以开发的时候不仅仅要考虑到系统的 CPU、内存资源，还要考虑操作系统的底层架构，减少数据流的传输线路，统一硬件驱动接口，减少底层平台的差异，增加软件的可移植性。还必须提高代码的可读性和算法的优化。这样才能做出轻量级别的 GUI。

　　（2）GUI 是面对用户的界面，方便快捷的操作方式和清爽的操作界面才能让产品抓住用户。这就要求本研究中的 Qt 图形 GUI 界面在保证软件拥有方便的配置步骤和多样的扩展功能。同时 GUI 系统要做好高度集成的模块，错误率要降低。

　　(3)GUI 界面必须为能够支持二次开发,能够快速的展示开发平台的特点，让二次开发者领悟 GUI 界面的特点，不仅能提高开发效率，还能节省开发费用，这对开发者而言意义重大[10]。

　　本论文的主要工作是兼顾以上要求的前提下在主机上搭建 Qt 图形界面开发环境，在此基础上尝试移植主流的图形界面来查看 Qt 环境的运行效果。

　　本论文工作是在自己搭建的 Qt 开发环境中运行实际使用的嵌入式 Linux程序，对于运行过程中所可能出现的兼容性错误能够及时的找出，借此调试 Qt 图形仿真包的各类参数设置，并积累这些经验，让 Qt 图形开发环境能够更好的运用到各行业所用的嵌入式 Linux 图形程序的开发环境的调试中。

　　Linux系统下QT图形界面演示：

实现的界面效果截图

初始化效果

中文环境的 QTOPIA 运行环境

启动窗口

C/S 模式的监控系统

浏览器浏览效果

B/S 模式运行效果

硬件设计的部分电路图

网口和 USB 接口的电路图

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 选题的来源和依据
　　　　1.2 主要研究内容
　　　　　　1.2.1 嵌入式 Linux 操作系统的介绍
　　　　　　1.2.2 嵌入式系统的特点
　　　　　　1.2.3 Qt/Embedded 开发环境的介绍
　　　　　　1.2.4 QT 图形界面开发过程的介绍
　　　　1.3 国内外研究动态
　　　　1.4 研究的意义
　　　　1.5 创新点及关键点
　　　　1.6 本章小结
　　第二章 嵌入式 LINUX 下 QT 界面开发环境的介绍
　　　　2.1 RED HAT 系统的介绍及其特点
　　　　2.2 QT 图形界面基础开发的步骤
　　　　2.3 搭建 QT 图形界面开发环境
　　　　2.4 QT 界面开发环境参数的设置
　　　　2.5 QT 图形界面开发过程中的关键点
　　　　2.6 本章小结
　　第三章 QT 图形界面开发的实现过程
　　　　3.1 总体方案的设计
　　　　3.2 设计与实现
　　　　3.3 应用中的关键技术
　　　　　　3.3.1 图形的输出
　　　　　　3.3.2 位图的转换
　　　　　　3.3.3 颜色的处理
　　　　　　3.3.4 汉字的输出
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 基于 QT 图形界面的应用程序实例的实现
　　　　4.1 整体方案设计
　　　　4.2 模块设计与代码实现
　　　　4.3 关键参数配置
　　　　4.4 本章小结
　　第五章 基于 QT 的智能家居的图形界面开发
　　　　5.1 总体方案设计
　　　　5.2 设计与实现
　　　　5.3 案例中的关键技术
　　　　5.4 本章小结
　　第六章 基于 QT 的远程图像监控的图形界面开发
　　　　6.1 总体方案设计
　　　　6.2 设计与实现
　　　　6.3 案例中的关键技术
　　　　6.4 本章小结
　　第七章 总结与展望
　　　　7.1 总结
　　　　7.2 展望
　　致 谢
　　参考文献

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