QGC 通信模块架构梳理

QGC 的通信模块 (comms) 是其核心支柱，负责与无人机（自动驾驶仪）及其他外部设备（如地面站、中继器等）的所有底层数据交换。其设计核心是抽象化和模块化，以支持多种链路类型、协议和多飞行器操作。

一、 核心设计哲学

1. 链路抽象： 将物理连接（如串口、UDP）抽象为统一的逻辑“链路”（Link），向上层应用提供一致的接口。
2. 协议与传输分离： MAVLink 协议处理与数据传输完全解耦。链路只负责字节流的传输，协议层负责解析和封装。
3. 多线程与异步I/O： 所有可能阻塞的 I/O 操作（如读写串口、网络套接字）都在独立的工作线程中完成，确保用户界面（UI）始终保持流畅响应。
4. 中心化管理： 通过一个中央管理器（LinkManager）统一管理所有链路的生命周期和配置。

二、 核心组件层级与关系

下图清晰地展示了 QGC 通信模块各核心组件间的层级与数据流转关系：

flowchart TDsubgraph A [应用层 / UI层]direction LRMainWindow[主窗口/界面]Vehicle[Vehicle对象<br>（代表一架无人机）]endsubgraph B [协议层]direction LRMAVLinkProtocol[MAVLinkProtocol<br>单例全局协议处理器]endsubgraph C [链路管理层]direction LRLinkManager[LinkManager<br>链路管理器]LinkConf[LinkConfiguration<br>链路配置抽象类]endsubgraph D [链路实现层]direction LRLinkInterface[LinkInterface<br>链路接口抽象基类]LinkInterface -- 派生 --> SerialLinkLinkInterface -- 派生 --> UDPLinkLinkInterface -- 派生 --> TCPLinkLinkInterface -- 派生 --> BluetoothLinkLinkInterface -- 派生 --> MockLinkendA -- 1. 请求创建/连接链路 --> CC -- 2. 实例化具体链路 --> DD -- 3. 上报连接状态/字节数据 --> CC -- 4. 转发字节数据 --> BB -- 5. 解析为MAVLink消息<br>并分配至对应Vehicle --> AB -- 6. 将待发送的MAVLink消息<br>编码为字节数据 --> CC -- 7. 通过相应链路发出 --> D

三、 详细组件功能解析

1. 链路管理层 (Link Management Layer)

• LinkManager (单例模式)

  • 功能： 整个通信模块的“大脑”，负责协调所有链路活动。
  • 职责:
    • 生命周期管理： 创建、添加、删除、连接、断开所有 LinkInterface 实例。
    • 配置持久化： 加载和保存所有链路的配置信息（通过 LinkConfiguration 子类）。
    • 自动连接： 管理开机或运行时按预设配置自动建立连接。
    • 状态广播： 当链路连接/断开或有数据活动时，向全系统发送通知（Qt信号）。
    • 多飞行器支持： 与 MAVLinkProtocol 协作，管理 MAVLink 通道与特定 Vehicle 对象的映射关系。

• LinkConfiguration (抽象基类)

  • 功能： 存储某种类型链路的配置参数（如名称、连接类型）。
  • 派生类： SerialConfiguration (端口、波特率), UDPConfiguration (主机IP、端口), TCPConfiguration等。每个 LinkInterface 子类都有对应的配置子类。

2. 链路实现层 (Link Implementation Layer)

• LinkInterface (抽象基类)

  • 功能： 定义所有具体链路必须实现的统一接口。这是“抽象化”设计的关键。
  • 核心接口:
    • connect() / disconnect()
    • writeBytes() / readBytes()
    • 发送 connected(), disconnected(), bytesReceived() 等信号。
  • 特性:
    • 多线程： 通常会在 connect() 时启动一个专属的 QThread（工作线程），所有I/O操作在该线程中进行。
    • 数据流： 仅处理原始字节流，不涉及任何协议解析。

• 具体链路实现 (派生自 LinkInterface)

  • SerialLink： 基于 QSerialPort，用于物理串口、USB转串口、数传电台等。
  • UDPLink： 用于UDP网络通信。可配置为客户端（指向特定主机端口）或服务器（监听特定端口）。
  • TCPLink： 用于TCP网络通信。目前主要实现为客户端（连接到自动驾驶仪的TCP服务器）。
  • BluetoothLink： 用于蓝牙RFCOMM通信（模拟串口）。
  • LogReplayLink： 用于回放 .tlog 格式的MAVLink日志文件，用于调试和演示。
  • MockLink： 用于单元测试和CI/CD，完全模拟一个自动驾驶仪的行为，可以仿真各种飞行状态和故障。

3. 协议层 (Protocol Layer)

• MAVLinkProtocol (单例模式)
  • 功能： MAVLink消息的中央交换机和处理器。它从所有链路接收字节流，并将其转换为有意义的MAVLink消息。
  • 核心职责:
    • 协议解析： 从原始字节流中识别并解包MAVLink消息（v1.0和v2.0）。
    • 协议封装： 将应用程序的MAVLink消息封装成字节流，通过指定链路发送。
    • 消息路由： 根据消息中的 sysid/compid，将消息路由到对应的 Vehicle 对象。
    • 日志记录： 实时将收发的所有MAVLink消息记录到 .tlog 文件中。
    • 统计信息： 计算并更新丢包率、数据速率等链路质量指标。
  • 与链路管理器的交互： 它监听 LinkManager 的 bytesReceived 信号以获取数据，并通过 LinkManager 的接口发送数据。

四、 关键工作流程

1. 启动与初始化：

   • LinkManager 和 MAVLinkProtocol 作为单例被创建。
   • LinkManager 从设置中加载已保存的链路配置列表。

2. 连接建立：

   • 用户（或自动连接配置）通过 LinkManager 请求连接一个配置。
   • LinkManager 根据配置类型创建对应的 LinkInterface 子类实例（如 SerialLink）。
   • 调用 LinkInterface::connect()，启动工作线程并建立物理连接。
   • 连接成功后，链路发出 connected() 信号。

3. 数据接收 (Downlink)：

   • SerialLink 的工作线程从串口读取到字节数据。
   • 线程通过 bytesReceived(LinkInterface*, QByteArray) 信号将数据块发出。
   • LinkManager 接收此信号，并将其转发给 MAVLinkProtocol。
   • MAVLinkProtocol 解析字节流，生成完整的MAVLink消息对象。
   • MAVLinkProtocol 根据消息的 sysid 查找对应的 Vehicle 对象，并将消息传递给该对象进行处理。

4. 数据发送 (Uplink)：

   • 应用程序（如UI上的点击操作）或 Vehicle 对象需要发送命令（如起飞）。
   • 命令被组装成MAVLink消息，传递给 MAVLinkProtocol::sendMessage()。
   • MAVLinkProtocol 将消息编码为字节流。
   • MAVLinkProtocol 通过 LinkManager 查询应使用哪个链路发送（通常根据当前激活的飞行器确定链路），然后调用 LinkInterface::writeBytes()。
   • 字节数据被送入链路的工作线程队列，由该线程异步写入物理连接。

五、 总结与优势

QGC 的通信架构是一个经典的高内聚、低耦合设计范例：

• 可扩展性： 添加一种新的链路类型（如WebSockets）只需继承 LinkInterface 和 LinkConfiguration，并在管理器注册即可，无需改动上层应用和协议逻辑。
• 可靠性： 工作线程模式将耗时、阻塞的I/O操作与UI线程隔离，保证了软件的实时性和响应能力。
• 一致性： 上层应用（如飞行仪表、地图、设置页面）完全无需关心数据来自串口还是WiFi，它们只与统一的MAVLink消息接口交互。
• 功能强大： 完整支持多飞行器、日志回放、模拟测试等复杂场景，架构清晰地将这些功能的支持责任划分到不同的模块中。