詳解PyQt5 GUI 接收UDP數據并動態(tài)繪圖的過程(多線程間信號傳遞)
1. Qt 的用法
pyqt5是qt的python版本，其主要是以對象的形式存在的，在編程的過程中無法可視化，帶來諸多的不便。為了簡化pyqt5的界面設計環(huán)節(jié)，我們可以使用qt中的設計器Qt Designer (C:\Qt\5.12.11\mingw73_32\bin\designer.exe)來設計圖形界面，生成的圖形界面通常保存在*.ui后綴的文件中。
pyqt5可以直接調用.ui文件，也可以通過pyqt5自帶的pyuic.exe將設計好的.ui文件轉換為.py格式的pyqt5類，供其他模塊調用。
Qt 的安裝教程在CSDN論壇上有很多，在此不再贅述了，建議使用 Qt5, 高版本的Qt6目前還沒有被 matplotlib 納入后端支持。
2. Pycharm 設置
首先安利一波，Pycharm在代碼顏色主題、功能界面、python環(huán)境切換、打開終端、jupyter notebook支持、變量查看、Markdown支持、console多開等方面具有較高的便利性，因此本人主要使用pychrm 進行相關代碼的開發(fā)，推薦使用。
2.1 安裝 Pyqt5 和 pyinstaller 包
在pycharm底部打開終端，并輸入如下代碼安裝pyqt5包和pyinstaller包。Pyinstaller包是用來將pyqt5GUI設計打包成exe可執(zhí)行文件的工具，有了這個工具，就可以將程序拷貝到其他windows電腦上使用。
pip install pyqt5,pyinstaller
后續(xù)還需要安裝matplotlib包，按照類似的方式進行安裝，不再贅述。在安裝了pyqt5后，matplotlib會自動以pyqt5為后端，繪制出來的圖像效果更好，所帶的工具欄也更加實用，推薦日常使用。
2.2 Pycharm pyqt工具配置
在使用Qt進行界面設計時，可以在pycharm中將Qt軟件自帶的幾個工具都配置為外部工具（這就是pycharm眾多優(yōu)點之一），方便隨時調用。pycharm中以及點擊文件-設置-工具-外部工具（英文版自行對照）即可進入外部工具添加界面。
Qt Designer 工具（設計Qt 界面)
程序路徑：
C:\Qt\5.12.11\mingw73_32\bin\designer.exe
工作目錄：
$ProjectFileDir$
Qt Creator 工具（設計Qt 界面）
程序路徑在對應環(huán)境的Script目錄下：
C:\Anaconda3\envs\tensor37\Scripts\pyuic5.exe
參數設置如下：
$FileName$ -o $FileNameWithoutExtension$.py
工作目錄：
$ProjectFileDir$
PyUI 工具（Qt UI界面轉為python代碼）
程序路徑：
C:\Qt\Tools\QtCreator\bin\qtcreator.exe
工作目錄：
$ProjectFileDir$
完成上述設置后在右鍵菜單中可以打開designer.exe和creator.exe這兩個GUI設計應用，選中.ui文件右鍵運行pyuic.exe則會生成同名的.py文件，文件中包含有能夠產生相同GUI的pyqt5類。
3 UDP圖形界面設計
3.1 GUI設計
在pycharm的空白處右鍵選擇外部工具，打開designer，新建Main Window窗體。
根據需要，我設計了一個UDP網絡編程的界面，主要功能是接收UDP客戶端發(fā)來的正弦數據，保存數據到txt文件中并將其繪制在底部的widget （窗體部件）中。
目標運行界面如下：
3.2 將GUI文件轉換為py文件
設計好界面后，保存得到widget_recev.ui圖形文件，在左側的項目資源管理器中可以選中ui文件右鍵實用外部pyuic工具將其轉換為widget_recev.py文件，供程序調用。這個操作在后續(xù)的調試中經常會用到，隨時改動GUI隨時生成新的py文件。新建的py文件會覆蓋原來的內容，所以建議另建其他python模塊調用該模塊，避免信息丟失。
3.3 widget窗體提升，整合matplotlib的功能
這里需要注意的是，matplotlib中的FigureCanvas和GUI中的widget都是Qwidget的子類，matplotlib是無法直接在widget中繪圖的，需要在Designer中將widget提升為Qwidget類。選中GUI中的widget右鍵選擇提升窗口部件，選擇Qwidget，給提升的類取一個好記的名字，在這里我使用的是mplwidget。
生成的widget_recev.py最后面會生成一句：
from mplwidget import mplwidget
將其放在類文件的開頭，否則會報錯。
mplwidget.py 模塊需要自己構建，在對應的路徑下自己建一個mplwidget.py文件，主要功能是創(chuàng)建一個同時繼承了FigureCanvas與QWidget的類，按照上面預定義的，將其命名為mplwidget類。該操作使原來的widget窗體具有了matplotlib畫布功能，可以在上面繪圖了。mplwidget.py文件的內容如下：
# _*_coding: UTF-8_*_
# 開發(fā)作者 ：TXH
# 開發(fā)時間 ：2021-09-05 14:42
# 文件名稱 ：mplwidget.py
# 開發(fā)工具 ：Python 3.7 + Pycharm IDE
from PyQt5 import QtGui,QtWidgets
from matplotlib.backends.backend_qt5agg \
import FigureCanvasQTAgg as FigureCanvas
from matplotlib.figure import Figure
from PyQt5.QtCore import QThread
class MplCanvas(FigureCanvas,QThread):
def __init__(self):
self.fig = Figure()
FigureCanvas.__init__(self, self.fig)
FigureCanvas.setSizePolicy(self,
QtWidgets.QSizePolicy.Expanding,
QtWidgets.QSizePolicy.Expanding)
FigureCanvas.updateGeometry(self)
class mplwidget(QtWidgets.QWidget):
def __init__(self, parent=None):
QtWidgets.QWidget.__init__(self, parent)
self.canvas = MplCanvas()
self.vbl = QtWidgets.QVBoxLayout()
self.vbl.addWidget(self.canvas)
self.setLayout(self.vbl)
3.4 GUI 設計結果
生成的pyqt5 UI(widget_recev.py)內容如下。該文件是根據Qt ui文件自動生成的，因此一般只需要知道里面有哪些部件即可，對于一些大小、位置設置的細節(jié)可以不用關注，因為已經在GUI設計的時候做好了。
from PyQt5 import QtCore, QtGui, QtWidgets
from PyQt_Learning.UDP.GUI.mplwidget import mplwidget # 根據mplwidget 的位置改動
class Ui_Widget(object):
def setupUi(self, Widget):
Widget.setObjectName("Widget")
Widget.resize(280, 165)
self.label_2 = QtWidgets.QLabel(Widget)
self.label_2.setGeometry(QtCore.QRect(110, 10, 55, 16))
self.label_2.setObjectName("label_2")
self.lineEdit_2 = QtWidgets.QLineEdit(Widget)
self.lineEdit_2.setGeometry(QtCore.QRect(110, 30, 61, 21))
self.lineEdit_2.setObjectName("lineEdit_2")
self.pushButton = QtWidgets.QPushButton(Widget)
self.pushButton.setGeometry(QtCore.QRect(10, 120, 71, 24))
self.pushButton.setObjectName("pushButton")
self.label = QtWidgets.QLabel(Widget)
self.label.setGeometry(QtCore.QRect(12, 10, 55, 16))
self.label.setObjectName("label")
self.lineEdit = QtWidgets.QLineEdit(Widget)
self.lineEdit.setGeometry(QtCore.QRect(12, 30, 81, 21))
self.lineEdit.setObjectName("lineEdit")
self.pushButton_2 = QtWidgets.QPushButton(Widget)
self.pushButton_2.setGeometry(QtCore.QRect(180, 120, 75, 24))
self.pushButton_2.setObjectName("pushButton_2")
self.lineEdit_5 = QtWidgets.QLineEdit(Widget)
self.lineEdit_5.setGeometry(QtCore.QRect(190, 80, 61, 21))
self.lineEdit_5.setObjectName("lineEdit_5")
self.label_3 = QtWidgets.QLabel(Widget)
self.label_3.setGeometry(QtCore.QRect(190, 60, 71, 16))
self.label_3.setObjectName("label_3")
self.label_4 = QtWidgets.QLabel(Widget)
self.label_4.setGeometry(QtCore.QRect(10, 60, 71, 16))
self.label_4.setObjectName("label_4")
self.lineEdit_3 = QtWidgets.QLineEdit(Widget)
self.lineEdit_3.setGeometry(QtCore.QRect(10, 80, 51, 21))
self.lineEdit_3.setObjectName("lineEdit_3")
self.label_5 = QtWidgets.QLabel(Widget)
self.label_5.setGeometry(QtCore.QRect(110, 60, 71, 16))
self.label_5.setObjectName("label_5")
self.lineEdit_4 = QtWidgets.QLineEdit(Widget)
self.lineEdit_4.setGeometry(QtCore.QRect(110, 80, 51, 21))
self.lineEdit_4.setObjectName("lineEdit_4")
self.label_6 = QtWidgets.QLabel(Widget)
self.label_6.setGeometry(QtCore.QRect(70, 80, 21, 16))
self.label_6.setObjectName("label_6")
self.retranslateUi(Widget)
QtCore.QMetaObject.connectSlotsByName(Widget)
def retranslateUi(self, Widget):
_translate = QtCore.QCoreApplication.translate
Widget.setWindowTitle(_translate("Widget", "數據發(fā)送端"))
self.label_2.setText(_translate("Widget", "端口"))
self.lineEdit_2.setText(_translate("Widget", "9999"))
self.pushButton.setText(_translate("Widget", "發(fā)送正弦"))
self.label.setText(_translate("Widget", "IP地址"))
self.lineEdit.setText(_translate("Widget", "127.0.0.1"))
self.pushButton_2.setText(_translate("Widget", "停止發(fā)送"))
self.lineEdit_5.setText(_translate("Widget", "8"))
self.label_3.setText(_translate("Widget", "正弦通道數"))
self.label_4.setText(_translate("Widget", "正弦頻率"))
self.lineEdit_3.setText(_translate("Widget", "50"))
self.label_5.setText(_translate("Widget", "正弦幅度"))
self.lineEdit_4.setText(_translate("Widget", "1"))
self.label_6.setText(_translate("Widget", "Hz"))
4 多線程編程UDP通訊
使用Qt進行界面設計非常方便。pyqt編程的難點在于底層的信號-槽函數機制以及多線程編程。先拋開多線程UDP編程，簡單舉例講一下信號-槽函數的原理。
4.1 信號和槽函數
信號相當于是GUI主循環(huán)中的事件，一旦觸發(fā)某個事件，對應的槽函數（對象方法）將會運行。
信號可以是內建信號，也可以是自定義信號。內建信號一般直接跟部件相關聯(lián)，可以根據一定的規(guī)則構建對應的槽函數，例如：
def on_pushButtom_clicked(self):
...
def on_pushButtom_2_clicked(self):
...
def on_pushButtom_3_clicked(self):
...
分別對應著pushButtom，pushButtom_2，pushButtom_3 三個按鈕被觸發(fā) clicked()事件時的自動關聯(lián)槽函數，事件觸發(fā)后立即運行對應的槽函數。類似的，checkBox_5被觸發(fā)則默認自動關聯(lián)如下槽函數，傳遞chencked 布爾信號：
def on_checkBox_5_toggled(self,checked):
...
自定義信號則更加靈活，其在事件觸發(fā)時通過emit()函數發(fā)送數據。在pyqt5中，信號發(fā)送的數據類型可以是python支持的任何類型， 目前的測試表明，numpy.array、list、str、int、float等數據類型可以通過信號傳遞給槽函數，作為槽函數的輸入。
在主線程（或GUI主循環(huán)）內，自定義簡單的信號和槽函數對如下。
from PyQt5.QtCore import QObject
from PyQt5 import QtCore
class Test(QObject):
test_signal = QtCore.pyqtSignal(list) # 定義test_signal 信號
def __init__(self, parent=None):
super().__init__(parent)
self.test_signal.connect(self.print_data) # 將信號與test槽函數關聯(lián)
def toggle(self):
a = list([1, 2, 3, 4, 5])
self.test_signal.emit(a) # 向槽函數發(fā)送信號
@QtCore.pyqtSlot(list)
def print_data(self, list_var): # 定義槽函數
# 槽函數一旦接收到test_signal 發(fā)送的數據，立即執(zhí)行后續(xù)內容
print(list_var)
test = Test()
test.toggle()
>>> [1, 2, 3, 4, 5]
信號一般在初始化方法之前定義，作為Qt類的成員，定義信號時給出所發(fā)送信號的數據類型，以下例子中使用的是list類型。在初始化時將信號與對應的槽函數相關聯(lián)。然后根據需要在不同的方法中發(fā)送信號給槽函數，槽函數接收到數據后立即執(zhí)行函數中的內容。以上例子較為簡單，主要在主線線程內進行信號和槽函數的觸發(fā)。后文中將給出多線程進行信號和槽函數傳遞數據的案例。
4.2 多線程
pyqt的主界面使用的是主線程，可以看做是一個死循環(huán)。一旦主線程中產生了較為耗時的操作，將導致主線程出現假死的現象，體現在GUI界面就是無響應和無法進行任何操作。
在進行GUI程序設計時一般遵循GUI界面和代碼界面分開設計的原則，主線程只負責管理基本GUI的動作，而耗時的操作則通過子線程進行計算。
回到“多線程UDP通訊”的主題，在創(chuàng)建好GUI的基礎上，UDP通訊接收端的主函數如下。代碼實現了主線程向子線程、子線程向子線程以及子線程向主線程傳遞數據的三種情況。
當然，所有信號與槽函數的連接都必須在主線程中完成。
具體方法是:在主線程中創(chuàng)建子線程實例，將子線程作為主線程的成員，如此可以實現子線程與子線程，子線程與主線程之間的信號傳遞。
# _*_coding: UTF-8_*_
# 開發(fā)作者 ：TXH
# 開發(fā)時間 ：2021-08-26 18:24
# 文件名稱 ：Receiver.py
# 開發(fā)工具 ：Python 3.7 + Pycharm IDE
import socket
import sys
from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QMainWindow
from PyQt_Learning.UDP.GUI.widget_recev import Ui_MainWindow
from PyQt5 import QtCore,uic
from PyQt5.QtCore import QThread,pyqtSlot
class QmyDialog(QMainWindow): # 主窗體本身占用一個主線程
UDP_para = QtCore.pyqtSignal(list)
sender_para = QtCore.pyqtSignal(list)
def __init__(self, parent=None):
super().__init__(parent)
self.pause=False
self.statusBar().showMessage('Load UI...')
if 0:
self.ui = uic.loadUi('E:/Pywork/PyQt_Learning/UDP/GUI/widget_recev.ui',self) #
else:
self.ui = Ui_MainWindow()
self.ui.setupUi(self)
self.statusBar().showMessage('Init Canvas...')
self.canvas = self.ui.widget.canvas # 繪圖設置
self.canvas.ax1 = self.canvas.fig.add_subplot(111)
self.canvas.ax1.get_yaxis().grid(True)
self.statusBar().showMessage('Init UDP...') # 狀態(tài)欄更新
self.UDP = UDPThread(self.para(1)) # 創(chuàng)建子線程1
self.UDP_para.connect(self.UDP.UDP_para_update) # 主線程向UDP線程傳遞參數
self.statusBar().showMessage('Init plot sender...')
self.Plot_fig = Plot_Thread(self.para(2)) # 創(chuàng)建子線程2
self.UDP.send_data.connect(self.Plot_fig.send) # UDP子線程向繪圖子線程發(fā)送數據
self.sender_para.connect(self.Plot_fig.Sender_para_update) # 主線程向繪圖子線程傳遞參數
self.Plot_fig.plot_data.connect(self.plot_fig) # 繪圖子線程將數據發(fā)給主線程plot_fig函數，讓其繪圖
self.statusBar().showMessage('Ready!')
def on_pushButton_clicked(self): # 設置參數
self.update_udp_para()
self.update_sender_para()
self.statusBar().showMessage('Para changed...')
def on_pushButton_2_clicked(self): # 接收數據
self.update_udp_para()
self.update_sender_para()
self.UDP.pause = False
self.Plot_fig.pause=False
self.UDP.start()
self.ui.lineEdit.setReadOnly(True)
self.ui.lineEdit_2.setReadOnly(True)
self.Plot_fig.start()
self.statusBar().showMessage('Receiving data...')
def on_pushButton_3_clicked(self): # 停止接收和繪圖
self.pause=True
self.update_udp_para()
self.update_sender_para()
self.statusBar().showMessage('Receiving paused!')
def plot_fig(self,temp): # 繪圖函數，不計算，避免主線程阻塞，接收數據后立即繪圖
self.canvas.ax1.clear()
self.canvas.ax1.plot(temp)
self.canvas.fig.tight_layout()
self.canvas.draw()
def update_udp_para(self): # UPD子線程參數設置
self.UDP_para.emit(self.para(1))
def update_sender_para(self):# 繪圖計算子線程參數設置
self.sender_para.emit(self.para(2))
def para(self,flag):
if flag==1:
return list([self.ui.lineEdit.text(),int(self.ui.lineEdit_2.text()),self.pause])
else:
return list([int(self.ui.lineEdit_3.text()),self.pause])
# 定義UDP 接收線程類
class UDPThread(QThread):
send_data = QtCore.pyqtSignal(str)
def __init__(self,udp_para_list):
super().__init__()
self.IP,self.Port,self.pause = udp_para_list
self.s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) # 設置socket協(xié)議為UDP
self.s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
def run(self) -> None: # 死循環(huán)接收UDP數據
try:
self.s.bind((self.IP, self.Port))
except:pass
i = 1
with open('out.txt', 'w') as f: # 將獲取的UDP數據保存到本地的txt中
while True:
temp = self.s.recv(1024).decode('utf-8') # 接收 socket 數據
if i%11==1:
self.send_data.emit(temp)
f.writelines(temp + '\n')
i=(i+1)%2000
if self.pause: # 判斷是否跳出循環(huán)
break
def UDP_para_update(self,udp_para_list):
self.Ip,self.Port,self.pause=udp_para_list
# 定義繪圖計算子線程類
class Plot_Thread(QThread):
plot_data = QtCore.pyqtSignal(list)
def __init__(self,para_list):
super().__init__()
self.pause = False
self.data = []
self.max_len = para_list[0]
self.i=1
def change_Len(self,len): # 繪圖長度設置
if len<1000:
self.max_len=1000
else:
self.max_len = len
# 接收UDP接收子線程發(fā)來的數據，并轉發(fā)給GUI中的繪圖方法
@pyqtSlot(str)
def send(self,data):
self.data.append(float(data))
if len(self.data)>self.max_len:
self.data=self.data[(len(self.data)-self.max_len):]
self.i=(self.i+1)%(1000)
if self.i==0:
self.plot_data.emit(self.data) # 每收到 1000個點將data數據發(fā)給GUI進行繪圖
def Sender_para_update(self,para_list): # 根據主線程的信號更新繪圖長度
self.max_len,self.pause=para_list
# if __name__ == "__main__":
app = QApplication(sys.argv) # 調用父類構造函數，創(chuàng)建窗體
form = QmyDialog() # 創(chuàng)建UI對象
form.show() #
sys.exit(app.exec()) #
效果顯示如下：
點擊記錄并繪圖，程序在保存UDP接收的數據的同時，將部分數據發(fā)送到GUI界面進行繪圖。
5 Pyinstaller 打包成exe
pyinstaller將代碼打包成exe時會面臨生成的exe過大的情況，一個很小功能的exe體積高達200M。歸根到底是pyinstaller將一些相互關聯(lián)的安裝包都打包到exe中了，而大多數安裝包在當前項目中并沒有真正使用到。
經測試，可以使用pipenv 創(chuàng)建一個干凈的虛擬環(huán)境，降低exe的大小。 環(huán)境中只安裝需要的pyinstaller, pyqt5, numpy等即可。在虛擬環(huán)境下生成的pyqt5 exe可執(zhí)行文件只有幾十兆。
想進一步壓縮可以下載 upx.exe，將放入pipenv虛擬環(huán)境下的Script文件夾中，pyinstaller打包的時候會自動調用。壓縮量小，但算是有點效果的，畢竟沒有其他補救措施了。
在pipenv虛擬環(huán)境下運行如下代碼：
# Gen_EXE.py
import os
error = os.system('pyinstaller --clean -Fw E:\\Pywork\PyQt_Learning\\UDP\\GUI\\Receiver.py E:\\Pywork\\PyQt_Learning\\UDP\\GUI\\widget_recev.py E:\\Pywork\\PyQt_Learning\\UDP\\GUI\\mplwidget.py') # 添加所有相關的py文件
if not error: print('成功生成exe文件！')
最終的大小約為44M，個人感覺還行。
寫在最后：興趣使然，水平有限，歡迎相互交流。
到此這篇關于PyQt5 GUI 接收UDP數據并動態(tài)繪圖（多線程間信號傳遞）的文章就介紹到這了,更多相關PyQt5 GUI動態(tài)繪圖內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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