嵌入式Qt实现串口数据读取的事件驱动方法

嵌入式Qt实现串口数据读取的事件驱动方法

作者：冯迅云利军

来源：《电脑知识与技术》2022年第31期

摘要：事件驱动是提高串口数据接收效率的有效方式，但在Linux系统下一般都不支持该方式。在嵌入式Linux环境下，可借用Qt的QSocketNotifier模块来实现串口读取数据的事件驱动。实验证明，该方法是一种行之有效的方式，当串口收到有效数据时，模块就以事件方式通知主程序进行处理，不仅能提高串口的通信效率，还能有效降低接收数据丢失的情况，特别适用于接收任意长度的数据帧。

关键词：嵌入式；Linux；QSocketNotifier；串口；事件驱动

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）31-0084-03

在嵌入式Linux系统的图形界面设计中，比较常见的是通过Qt库来实现，而在进行Qt程序设计时，也经常会用到串口（UART）通信[1]。现在基于Qt5.1以上的版本中，集成有串口模块（如QSerialPort），或者使用第三方开发的串口模块控件（如qextserialport等）[2]。但无论采用哪种方式，在Linux系统下对于串口的数据接收都只能使用查询（Polling）的方式来实现，而在Windows系统下就可以使用效率较高的所谓事件驱动（Event Driven）方式[3]。查询方式需要CPU反复对串口进行读取，看是否有发送来的可读数据，会消耗大量的CPU资源，一般的做法是把串口查询放到一个常驻线程中，以获得较高的效率。而事件方式则不同，只要串口接收到数据，就会以事件的方式通知CPU去执行相关的操作，在没有接收到数据时CPU可以做其他事情，所以效率较高，使用起来也更加便捷。

在Qt的官方文档中，并不推荐使用常驻线程的方式来处理接收数据，因此给出了替代的多种方案，其中之一就是使用QSocketNotifier方式，它为Linux下的Qt串口通信提供了较为适宜的解决方案[4]。以下就结合Qt中的QSocketNotifier模块，实现一个通用的、基于事件驱

动的串口通信程序。该例子基于Qt4.8.7版本，结合Linux的串口模块编程，在Qt中通过QSocketNotifie类来实现串口信息的侦听和读取。

1 Qt版本

目前主要的Qt版本有Qt4和Qt5两类，其中Qt5是当前桌面应用程序中使用较为普遍的版本，Qt4则为稍早前的版本。由于Qt4相对比较成熟，虽然组件没有Qt5那么多，功能也没有Qt5全面，但Qt4基本能满足大多数图形界面开发的需求，包括界面美化、OpenGL等的支持[5]。而对于像嵌入式系统这类本身硬件资源就很有限的设备，选择Qt版本主要的一条原则是选择适合的而不是最新的，即够用就好，因此本例选择了Qt4的版本。

在Qt4系列版本中，Qt4.8.7是一个最终版本，它解决了以往Qt中存在的所有Bug，是一个非常稳定的版本，同时它也是Qt4中功能最丰富的版本，甚至包含有部分Qt5的新功能。同时，Qt4.8.7还是CPU占用率最小的版本，也是打包后需要携带的动态库最少的版本，非常适合于像S3C2416这类运行频率不是很高的单核CPU组成的嵌入式平台。

2 QSocketNotifier模块

在Qt4.0以上的版本中，新增加了一个名为QSocketNotifier的模块，通过它来侦听系统文件的操作，并把操作转换为Qt事件进入系统的消息循环队列，当发生相应的事件时会调用预先设置的事件接受函数来进行处理。QSocketNotifier一共设置了三类事件：Read、Write、Exception，具体如表1所示[6]。

QSocketNotifier类继承自QObject类，它封装了Linux内核对于底层端口的操作，用户不需要去了解底层的各种结构体，让程序开发变得更加容易。QSocketNotifier类支持监视文件描述符上的活动，它以文件描述符的方式将Qt的事件循环与其他事件循环进行集成。使用QSocketNotifier来处理串口接收数据时，只需要把它设置为Read属性即可，每个QSocketNotifie对象侦听一个事件，在使用open方法打开串口并设置好属性后，就可以创建套接字通知程序来监视文件描述符，创建成功后就可以使用QSocketNotifier来侦听串口数据了。它是基于事件驱动的，配合Qt的信号与槽机制，当有可读数据时，QSocketNotifier就会发射activated信号，主程序只需要创建一个槽连接到该信号，然后在槽函数中处理串口读到的数据即可[7]。通过这样的方式，读取串口的任务就不用新开辟线程来处理了，这就是Qt官方给出的串口接收数据的建议。

在使用QSocketNotifier要注意，如果需要同时监视同一文件描述符的读取和写入，则必须创建两个套接字通知程序，不能在同一个套接字上安装两个相同类型（读、写、异常）的套接字通知程序。

在Linux系统中，所有对设备的操作都是通过对设备节点文件的操作来进行的，这一机制正好符合QsocketNotifie侦听系统文件变化的机制。特别是在嵌入式Linux系统中，使用QSocketNotifie来处理串口数据的接收，可谓珠联璧合、相得益彰。

3 串口初始化

在Linux系统中，所有的设备文件都位于/dev目录下，以tty为前缀的文件是终端设备节点文件。以tty加大写S开头的即为串口设备节点文件，如ttyS0即为串口0（即COM0）。但在嵌入式Linux中，串口一般是以ttySAC为前缀的，如ttySAC0表示串口0。在Linux系统下要对文件进行相应的操作，必须先打开它，串口设备文件也不例外，所以需要调用open函数来打开对应的串口端口。在打开文件的同时，要设置好串口的属性，如可读可写、不将设备分配为控制终端、无延时模式等[8]。然后，对打开的串口进行波特率、数据位数、停止位位数、奇偶校验、硬件流量控制等配置。在Linux系统中，这些串口的配置项目由一个名为termios 结构体来实现[8]，termios提供了一个常規的终端接口，用于控制非同步通信端口。通过termios 结构体，再结合前面的打开串口系统调用API函数open，可以在Qt下写成一个串口初始化函数，如下：

int MainWindow：：UART_Init（void）

{

struct termios opt;

fdUart = open（"/dev/ttySAC0"， O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY）;

tcgetattr（fdUart， &opt）;

opt.c_cflag &= ～（PARENB | CSTOPB | CSIZE | OPOST）;

opt.c_cflag |= （CS8 | CLOCAL | CREAD）;

cfsetispeed（&opt， B9600）;

cfsetospeed（&opt， B9600）;

opt.c_cc[VMIN] = 0;

opt.c_cc[VTIME] = 0;

tcflush（fdUart，TCIOFLUSH）;

if （tcsetattr（fdUart， TCSANOW， &opt） < 0）

return -1;

return fdUart;

}

经过上述初始化程序，串口0被设置为：可读可写、不将设备分配为控制终端、无延时模式、无校验、1位停止位、8位数据位、波特率9600等模式。在实际应用中应该根据项目本身的具体情况来进行配置。

4 数据接收及处理

在进行Qt程序设计时，先调用上面的串口初始化函数，然后创建一个QSocketNotifier类的对象并将其实例化，最后建立信号与槽的连接函数，如下：

MainWindow：：MainWindow（QWidget *parent）：

QMainWindow（parent），

ui（new Ui：：MainWindow）

{

ui->setupUi（this）;

readTimer = new QTimer（this）;

UART_Init（）;

QSocketNotifier *com0_notifier;

com0_notifier = new QSocketNotifier（fdUart， QSocketNotifier：：Read， this）;

connect（com0_notifier， SIGNAL（activated（int））， this， SLOT（dataIncoming （void）））;

connect（readTimer，SIGNAL（timeout（）），this，SLOT（readCom（）））;

}

上述程序中，com0_notifier即为实例化的QSocketNotifier对象，而第一个connect函数就是把该对象发射的activated信号与自定义的数据接收槽函数dataIncoming进行连接。程序运行后，只要串口接收到数据，就会触发dataIncoming函数去对串口数据进行处理。但在嵌入式Linux系统中，受硬件缓冲区大小的限制，串口一般一次只能读取8个字节数据，大于8个字节的数据需要分次读取，这在设计程序时要给予充分考虑，以免造成数据丢失[9]。这里给出一种方法，需要针对接收到的整帧数据是小于8字节、等于8字节还是大于8字节三种情况分别进行讨论。

在接收到的数据小于8字节时，又分两种情况进行考虑：第一种情况是整幀数据本身就不满8字节，这时只需要直接返回这8个字节数据即可；第二种情况是可能在此次接收之前就已经接收到至少一次8字节的数据，现在接收到的是这帧数据的最末部分且未满8字节，这时就需要把当前收到的数据追加到前面已接收数据的最末尾，然后再一次性返回所有接收到的数据。

在接收到的数据正好为8字节时，也需要分两种情况进行考虑：第一种情况是虽然当前收到了8字节数据，但后续可能还会有接收数据，这时需要对该8字节数据进行暂存处理，然后等待再次接收后续数据；第二种情况是所接收的整帧数据刚好就是8字节，或本帧数据的最末部分正好是8字节，此时返回所有接收到的数据即可。但如何区分这两种情况却很困难，即如何判断要接收的数据的长度是只有8个字节还是8的整数倍个字节。一般的做法是引入超时机制，即在串口收到一次8字节数据后立刻开启定时器进行计时，当超出预定时间之后还没有收到下一次数据时，就可认为当前帧的数据已经全部接收完成了。超时的时长一般设定为几十个毫秒，具体值会依据嵌入式硬件环境的不同而不同，需要通过实验进行验证确定。在前面程序中的第二个connect函数就是用来实现超时连接的，当预设的定时时间到了之后，会发射timeout信号，该信号会触发自定义槽函数readCom，在该函数中获取串口接收到的完整数据。

根据上面讨论的接收数据的处理方法，可写出串口数据读取的槽函数dataIncoming，如下：

void MainWindow：：dataIncoming（void）

{

char buff[8]={0};

int length=0;

length = read（fdUart，buff，8）;

if（length>0 && length<8）

{ //本次只接收到小于8个字节的数据

if（count == 0）

{ //整帧数据小于8字节

data_length = length;

int MainWindow：：UART_Init（void）

{

struct termios opt;

fdUart = open（"/dev/ttySAC0"， O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY）; tcgetattr（fdUart， &opt）;

opt.c_cflag &= ～（PARENB | CSTOPB | CSIZE | OPOST）;

opt.c_cflag |= （CS8 | CLOCAL | CREAD）;

cfsetispeed（&opt， B9600）;

cfsetospeed（&opt， B9600）;

opt.c_cc[VMIN] = 0;

opt.c_cc[VTIME] = 0;

tcflush（fdUart，TCIOFLUSH）;

if （tcsetattr（fdUart， TCSANOW， &opt） < 0）

return -1;

return fdUart;

}

经过上述初始化程序，串口0被设置为：可读可写、不将设备分配为控制终端、无延时模式、无校验、1位停止位、8位数据位、波特率9600等模式。在实际应用中应该根据项目本身的具体情况来进行配置。

4 数据接收及处理

在进行Qt程序设计时，先调用上面的串口初始化函数，然后创建一个QSocketNotifier类的对象并将其实例化，最后建立信号与槽的连接函数，如下：

MainWindow：：MainWindow（QWidget *parent）：

QMainWindow（parent），

ui（new Ui：：MainWindow）

{

ui->setupUi（this）;

readTimer = new QTimer（this）;

UART_Init（）;

QSocketNotifier *com0_notifier;

com0_notifier = new QSocketNotifier（fdUart， QSocketNotifier：：Read， this）;

connect（com0_notifier， SIGNAL（activated（int））， this， SLOT（dataIncoming （void）））;

connect（readTimer，SIGNAL（timeout（）），this，SLOT（readCom（）））;

}

上述程序中，com0_notifier即为实例化的QSocketNotifier对象，而第一个connect函数就是把该对象发射的activated信号与自定义的数据接收槽函数dataIncoming进行连接。程序运行后，只要串口接收到数据，就会触发dataIncoming函数去对串口数据进行处理。但在嵌入式Linux系统中，受硬件缓冲区大小的限制，串口一般一次只能读取8个字节数据，大于8个字节的数据需要分次读取，这在设计程序时要给予充分考虑，以免造成数据丢失[9]。这里给出一种方法，需要针对接收到的整帧数据是小于8字节、等于8字节还是大于8字节三种情况分别进行讨论。

在接收到的数据小于8字节时，又分两种情况进行考虑：第一种情况是整帧数据本身就不满8字节，这时只需要直接返回这8个字节数据即可；第二种情况是可能在此次接收之前就已经接收到至少一次8字节的数据，现在接收到的是这帧数据的最末部分且未满8字节，这时就需要把当前收到的数据追加到前面已接收数据的最末尾，然后再一次性返回所有接收到的数据。

在接收到的数据正好为8字节时，也需要分两种情况进行考虑：第一种情况是虽然当前收到了8字节数据，但后续可能还会有接收数据，这时需要对该8字节数据进行暫存处理，然后等待再次接收后续数据；第二种情况是所接收的整帧数据刚好就是8字节，或本帧数据的最末部分正好是8字节，此时返回所有接收到的数据即可。但如何区分这两种情况却很困难，即如何判断要接收的数据的长度是只有8个字节还是8的整数倍个字节。一般的做法是引入超时机制，即在串口收到一次8字节数据后立刻开启定时器进行计时，当超出预定时间之后还没有收到下一次数据时，就可认为当前帧的数据已经全部接收完成了。超时的时长一般设定为几十个毫秒，具体值会依据嵌入式硬件环境的不同而不同，需要通过实验进行验证确定。在前面程序中的第二个connect函数就是用来实现超时连接的，当预设的定时时间到了之后，会发射timeout信号，该信号会触发自定义槽函数readCom，在该函数中获取串口接收到的完整数据。

根据上面讨论的接收数据的处理方法，可写出串口数据读取的槽函数dataIncoming，如下：

void MainWindow：：dataIncoming（void）

{

char buff[8]={0};

int length=0;

length = read（fdUart，buff，8）;

if（length>0 && length<8）

{ //本次只接收到小于8个字节的数据

if（count == 0）

{ //整帧数据小于8字节

data_length = length;