运用Python和PyQT开发嵌入式ARM的界面

Python是一种跨平台的计算机程序设计语言。是一种面向对象的动态类型语言，最初被设计用于编写自动化脚本(shell)，随着版本的不断更新和语言新功能的添加，越来越多被用于独立的、大型项目的开发

1). 简介

随着Python在互联网人工智能领域的流行，大家也慢慢感受到Python开发的便利，本文就基于嵌入式ARM平台，介绍使用Python配合PyQT5模块来开发图形化应用程序。

本文所演示的ARM平台来自于Toradex 基于NXP iMX6 ARM处理器的Apalis iMX6 ARM嵌入式平台。

2. 准备

a). Apalis iMX6Q ARM核心版配合Apalis Evaluation Board载板，连接调试串口UART1(载板X29)到开发主机方便调试。更多关于Apalis iMX6配合Apalis Evaluation Board载板的说明请参考Datasheet和开发上手指南。

b). Apalis iMX6Q 默认的Linux BSP是不包含Python，QT等支持的，需要重新编译。

./ 基于Toradex Linux BSP release V2.8

./ 参考这里搭建Openembedded 编译环境，然后适配下面patch，用于使本文测试需要的 libsoc适配 Python3。

https://github.com/simonqin09/libsoc-examples/blob/master/python/0005-libsoc-python3-support.patch

./ 修改 build/conf/local.conf 文件，增加需要的组件

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#IMAGE_INSTALL_append = " python3 python3-pip python3-libsoc python3-pyqt5 rng-tools "

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./ 适配下面patch，在标准image bb文件中增加QT5的支持

https://github.com/simonqin09/libsoc-examples/blob/master/python/0003-angstrom-qt5-lxde-image.patch

./ 重新编译image

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$ bitbake -k angstrom-qt5-lxde-image

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./ 新生成的image位于 deploy/images/apalis-imx6/ 目录，参考这里的说明更新到Apalis iMX6模块上面

3). Python GPIO中断测试程序

a). 首先我们先不包含图形界面，单独通过Python来完成简单的GPIO中断测试程序，本程序通过调用 libsoc 来完成GPIO控制，关于libsoc的使用和说明请参考这里。

b). Apalis Evaluation Board载板硬件连接配置如下，X4 GPIO05(MXM3_11)对应系统中的GPIO号码是170，作为按键输入使用;X4 GPIO06(MXM3_13)对应系统中的GPIO号码是169，作为输出驱动LED使用。

X4 GPIO05 <-> X34 SW5

X4 GPIO06 <-> X34 LED1

c). 源代码请参考如下，分别实现了阻塞模式和非阻塞模式中断相应，实现功能就是按键交替点亮和关闭LED灯。

./ 阻塞模式 – https://github.com/simonqin09/libsoc-examples/blob/master/python/gpiotest_block.py

// main 函数作为主函数，实现打开GPIOs，同时设定初始化状态为高电平输出;test_interrupt_handler函数实现中断相应，采用 gpio_in.wait_for_interrupt 为阻塞式中断，捕获中断才会继续进行，捕获中断后做了简单的防误触处理。

./ 非阻塞模式 – https://github.com/simonqin09/libsoc-examples/blob/master/python/gpiotest_nonblock.py

// main 函数作为主函数，实现打开GPIOs，同时设定初始化状态为高电平输出;另外，在main函数里面采用gpio_in.start_interrupt_handler来使能中断相应，为非阻塞式;在main函数最后通过while来接收键盘输入实现退出应用;gpio_in.wait_for_interrupt依然作为中断处理函数相应中断并驱动LED状态改变。

d). 将Python代码直接复制到Apalis iMX6上面测试运行结果如下：

./ 阻塞模式下，最后是通过Ctrl-C强制退出程序

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root@apalis-imx6:~# ./gpiotest_block.py

The LED initial status is ON

The LED turns OFF

interrupt times is 1

The LED turns ON

interrupt times is 2

^Clibsoc-gpio-debug: Interrupted system call

Traceback (most recent call last):

File "./gpiotest_block.py", line 54, in

main(gpio_input_id, gpio_output_id)

File "./gpiotest_block.py", line 45, in main

test_interrupt_handler(gpio_in, gpio_out)

File "./gpiotest_block.py", line 12, in test_interrupt_handler

gpio_in.wait_for_interrupt(-1)

File "/usr/lib/python3.5/site-packages/libsoc/gpio.py", line 118, in wait_for_interrupt

if api.libsoc_gpio_wait_interrupt(self._gpio, timeout) != 0:

KeyboardInterrupt

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./ 非阻塞模式下

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root@apalis-imx6:~# ./gpiotest_nonblock.py

The LED initial status is ON

please enter 'Q' to quit

The LED turns OFF

The LED turns ON

The LED turns OFF

Q

Do you really want to quit? yes or no

yes

root@apalis-imx6:~#

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4). 使用PyQt5实现图形化界面GPIO中断程序

a). 硬件配置和连接和上面的测试场景一致。

b). 为了方便开发PyQt5界面，首先通过Qtcreator创建如下QWidget项目UI界面

// LED Status 右边的 QFrame 方框以及QLable用于显示LED当前的状态

// ‘Turn ON’和’Turn OFF’ 两个PushButton用于通过界面控制LED状态，’Exit’ PushButton用于退出程序

./ 最终的UI源代码参考如下，将对应的mainwindow.ui文件复制到Apalis iMX6 Python应用相同路径下

https://github.com/simonqin09/libsoc-examples/blob/master/python/mainwindow.ui

c). 程序源代码参考如下：

https://github.com/simonqin09/libsoc-examples/blob/master/python/gpiotest_pyqt5.py

说明如下：

./ class ApplicationWindow 用于实现Qt5界面以及相关按键操作：

// 首先通过 loadUi 函数来加载之前制作好的UI文件 mainwindow.ui，然后初始化界面显示，连接各个按键对应的处理程序

// 最后开启一个新的Qthread线程self.thread，用于处理外部GPIO按键中断相应，连接新线程反馈信号的处理程序，最后启动新线程

// LedStatusChange 函数为处理新线程反馈回来的LED状态变化信号而同步改变界面显示状态的函数

// Button_On_clicked 和 Button_Off_clicked 函数用于根据界面按键的点击来对应改变LED GPIO输出以及界面显示的函数

// Button_Exit_clicked 和 closeEvent 函数用于处理退出程序包括子线程的退出等相关的函数

./ class gpioInterrupt 为用于处理GPIO中断同时对于改变LED GPIO输出以及将LED状态变化反馈给界面主程序

// 首先定义反馈信号，并初始化所需要使用的GPIO引脚

// run 函数部分基本就是上面第3章节的阻塞模式Python应用的代码，这里就不做赘述了

d). 测试运行结果如下：

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root@apalis-imx6:~# ./gpiotest_pyqt5.py

The LED initial status is ON

set LOW

set HIGH

The LED turns OFF

button clicked for setting LOW

The LED turns ON

button clicked for setting HIGH

root@apalis-imx6:~#

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5). 总结

如上述示例，使用Python和PyQt5非常方便了创建一个嵌入式界面应用程序示例，相对于传统C语言开机要配置交叉编译环境，整个流程更加快捷方便，同时在实现比较简单的控制的时候其运行效率也是可以接受的，另外Python还可以集成大量的组件方便开发，就更加简化了比如设计机器视觉、人工智能等领域的嵌入式应用开发流程。