基于RK3399+FPGA的地面测试台多参数数据记录仪方案(一）软件设计及测试

完成了测试台软件分析和编程环境搭建后，接下来就是软件的编写。本章主要包括

软件窗口界面设计和功能代码实现。以某型号数据记录仪的工作需求为目标，根据测试

工作流程，以 Linux-Qt 为主要开发手段，设计一款功能完备、界面友好、操作简洁的测

试台软件。

3.1 软件设计原理

根据需求和总体设计软件分为三个工作模式，功能模块图如图 3.1 所示。从图中可

以明显看到软件包括模拟信号源、存储器检测回读、数据处理三个功能窗口。每个窗口

功能独立，又紧密结合。可以配合工作进行测试，也可以单独工作进行某一项测试。

首先是模拟源窗口，主要负责飞行实验前地面数据源模拟，由上位机发送指令控制

测试台中的主控 CPU ，产生 5 路开关量、 2 路模拟量、 1 路 422 数据， 5 路网络数据。

目的是为了在飞行试验前，对系统的整个流程进行测试。通过发送已设定好的模拟数据

并存储到 Flash 中，然后回读数据，经过初步对比和进一步数据处理来验证整个系统的

工作状态。存储器检测回读窗口包括网络配置、存储器选择、查询当前存储状态、读取

次数和读取量设置、停止读数、记录仪擦除等功能，核心任务是对已经存在 Flash 中的

数据进行回读。最后是数据处理窗口，主要功能是对已经回读并存放到桌面的的原始数

据文件进行分离，按照不同通道将数据分开，便于单独研究。

通讯模式采用串口指令收发和 UDP 数据回读两种。其中串口通讯采用发送 + 反馈的

方式，保证每一条指令的准确度，同时在软件界面给予即时显示，退出时生成 .log 日志

文件，便于查看。

下位机收到某一条指令以后会及时给予反馈。当上位机发送数据回读指令时，记录

仪通过网络 UDP 传输将已存到 Flash 中的数据传回上位机并储存为本地文件，进行下一

步处理。数据包格式为：帧头 + 帧计数 + 数据 + 校验和。表 3.1 、 3.2 为详细的控制指令表。

软件功能包括以下内容：

1 ，用户可以在软件开机界面选择工作模式。包括模拟源模式 / 数据回读模式 / 数据分

离模式。

2 ，在模拟源模式下，软件通过发送串口指令使能测试台中的继电器，同时控制 CPU

产生模拟数据源。操作方式分为自动和手动两种。实验过程中可随时开启或关闭任意一

路开关量，方便测试系统的某一路开关是否正常工作。

3 ，在数据回读模式下，上位机通过查询指定存储器中的存储信息选择读取数据，读

数过程中不能进行其他操作。读数完毕后，可根据需求擦除数据记录装置（整体擦除），

擦除前需要再次确认。

4 ，数据分离模式。对已经回读并存储的数据文件进行进一步分离，用户可按照需求

分离一路或者多路数据。每路数据分离互不干扰，都是独立的功能模块。

3.2 Qt 信号通信机制

作为一款上位机控制软件，与通过指令收发的形式与下位机进行通信是其主要职能。

使用 Qt 开发，首先要考虑通信问题。信号与槽（ Signal & Slot ）机制是 Qt 软件独创的

一种通信方式 [16] 。信号类似与一个开关，而槽函数类似于一个灯泡。当开关触发后，灯

泡开始工作。信号与槽也是如此 [17] 。当表示信号函数的事件触发后，比如点击一个按钮，

就会发出一个信号，需要实现的目的就是槽函数要表达的信息。它隐藏了复杂的底层实

现，完成信号和槽的关联后，发射信号并不需要知道 Qt 是如何找到槽函数的 [18] 。与某

些开发框架的回调函数（ callbacl ）相比，信号与槽这种机制更加灵活多变，也让 Qt 在

界面设计时，对各个组件的编程目标更加明确。

信号和槽函数是用 QObject::connect() 函数进行连接的的。一般写成：

QObject::connect(sender,SIGNAL(signal()),recevier,SLOT(slot()));

或者 connect(sender,SIGNAL(signal()),recevier,SLOT(slot()));//QObject 可省略

在上面的函数中， sender 表示发出信号的控件名， signal() 是该信号的名称。比如按

钮的点击，文本框的输入等。同理， recevier 表示接收信号的类名称，可以是窗体，或

者对话框等。 slot() 函数为相对应的槽函数，表明接收信号的类要执行的操作 [19] 。可以是

窗体的弹出，或者显示一段文本。在使用信号和槽函数机制进行编程时，需要明确以下

内容：

4. 一个信号允许与数个槽函数进行配对，数个信号也能够关联相同的槽函数 [20] 。信

号与槽函数之间并没有固定的数目匹配。需要注意的是，当一个信号与几个槽函数连接

时，槽函数的实现需要参照具体程序，根据程序中关系的先后依次进行。这种一对多，

多对一的对应关系可以用图 3.2 表示。

5. 不同信号之间也能够互相建立关系。并不是信号必须对应槽函数。信号也可以触

发另一个信号，再去响应一个或几个槽函数，可以根据具体的情况灵活运用 [21] 。

6. 信号与槽函数的关联方式是很迅速的、即时的。类似于中断，当触发了一个信号

槽函数时，会立刻执行。只有这个槽函数执行完毕，主程序才会继续运行 [22] 。

信号与槽函数的通信机制是 Qt 编程的根本原则。除此之外，还有一些函数需要事件

去触发。比如鼠标操作和键盘的键入。这些操作在 Qt 中都有对应的函数来响应。图 3.3

为常见的几种事件处理函数 [23] 。

3.3 软件程序界面的设计和实现

根据 Qt 的通信机制，结合项目需求，软件除开机界面外，设计为三个功能窗口。分

别是模拟源窗口、数据回读窗口、数据分离窗口。

3.3.1 开机界面

开机界面显示软件名称和版本号以及软件功能入口。包括模拟源窗口、数据回读窗

口、数据分离窗口三个功能窗口。每个窗口都是功能独立，互不干扰。使用时，可以根

据具体需求选择对应的的功能按钮。开机界面如图 3.4 所示。

3.3.2 地面数据模拟窗口

地面数据模拟是整个系统的必要一环。在飞行试验前，有必要用模拟数据来检测记

录仪的工作情况。模拟源分为手动和自动两种模式。模拟源窗口界面如图 3.5 所示。

点击系统上电后，软件发指令给 CPU ，控制继电器工作，系统上电。手动模式下可

以自由选择任意开关量和模拟量进行测试，方便检查系统某一路是否故障。自动模式下，

软件只发送一条指令。 CPU 收到指令后，会自动上电，依次启动各路开关量和模拟量数

据，并记录在存储器中，实现操作自动化。测试台上都有相应的信号灯显示某一路开关

是否打开。右边窗口显示即时操作信息和反馈信息。

模拟源模式的工作时间可以自行控制，通常试验时间为 3-5 分钟。其中，每一路开

关量数据的开关时间均以数据的形式存存储器中，回读后可以通过数据直观的看到每个

开关的启动时间和顺序。图 3.4 中 < 系统上电 > 和 < 自动模式 > 按钮均为为复用按钮，点击

一次就会变 < 系统断电 > 和 < 停止测试 > 。测试台中的主控 CPU 负责对收到的数据进行总

体的编帧存储。

3.3.3 数据回读窗口

数据回读是整个软件功能的核心部分。负责将已经编帧并存储到 Flash 中的数据回

读到上位机。硬件接口为百兆以太网接口芯片 W5300 ，采用 UDP 协议进行回读。回读

后的数据存储到桌面上，数据格式为 .hex 文件。窗口界面如图 3.6 所示。

首先点击 < 系统上电 > 按钮，然后配置网络 IP 和端口号。点击 < 连接 > 按钮，界面显

示当前网络连接状态。接着选择存储器。系统装配有两个存储器芯片，且均有备份，确

保数据保存完整。点击 < 读取记录器信息 > 按钮，会在界面显示当前存储器的存储状态，

包括上电次数，数据大小等信息，用户可根据显示的信息选择读取次数和读取量，点击

< 读主存储器 > 或者 < 读备存储器 > 开始读数。数据会保存到桌面，以读取时间命名。读取

结束后，文本框内会有提示。最后点击 < 停止读数 > 按钮，使 FPGA 端空闲。用户也可以

根据情况选择擦除存储器。界面右侧文本框内容为操作步骤。每一步操作和反馈均在下

方文本框内即时显示。每个按钮在上一步操作未完成之前，都是灰色不可用的，这样做

的目的是为了防止用户误操作。读取结束后点击 < 退出 > 按钮，退出当前界面，返回主界

面，执行下一步操作。

3.3.4 数据分离窗口

数据分离窗口的主要功能是对已经回读的原始数据文件进行分离。数据分离窗口界

面如图 3.7 所示。

图中每一个按钮都代表分离一路数据。点击每个按钮，自动弹出文件索引窗口，选

择分离已经回读的任意一次原始数据。分离结束后，弹出信息提示框表明分离结束。输

出的子数据文件存放到桌面上。通过分离数据，进一步观察分析每一路数据，与预先设

定好的模拟数据作对比，进而对整个系统的运行情况作出结论。

数据分离基本思路是按照不同通道数据的帧头进行分离。由于每个通道的数据都是

独立互不影响的，且数据格式固定，即帧头 + 帧计数 + 数据 + 校验和。所以按照帧头判断

可以很准确的将原始数据分离开来。分离过程程序设计流程图如图 3.8 所示。

深圳信迈提供RK3399+FPGA的软硬件方案。

5.1 软件功能测试

将开发板与测试台连接，包括开发板电源 12V 由测试台提供。串口、网口与测试台

连接。接通测试台电源，可以看到测试台电压显示窗口数值稳定为 27.7V ，表明电源、

串口、网口接通状态的指示灯都为绿色。系统硬件连接如图 5.1 所示。

打开软件，首先选择进入模拟源工作模式。点选 < 手动模式 > 。依次点击各个开关量

模拟量按钮，工作时间设为 5 分钟。软件工作界面如图 5.2 。窗口即时显示操作信息。

系统工作结束，开始回读数据。在软件数据回读界面，按照提示框内的操作流程进

行读数配置。工作界面如图 5.3 所示。

数据回读后自动存到桌面上，生成以存储时间命名的数据源文件。

5.2 测试结果

将回读成功的数据从 rk3399 提供的 USB 口传输到 PC 端。通过数据解析软件处理，

按各通道数据帧头将原始数据分离，最终输出 7 路数据。用 Hexedit 和 Matlab 软件进行

查看和处理，得到对应的数据源码和波形图。每一路数据前 8 个字节中， 4 个字节为数

据帧头， 4 个字节为帧计数，在原始数据中都可以直观的看出。

7. 开关量和模拟量测试结果如图 5.4 所示。数据帧头 F1F20000 ，频率 100Hz ，帧计

数间隔为 2 。

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