基于Linux Qt的無損信號檢測儀人機界面軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

閆保中 孟慶丹 鄒銀紅

(哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，哈爾濱 150001)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代探測技術(shù)的不斷進步，帶有平板顯示器的智能終端逐步取代了傳統(tǒng)的儀表方式，這對于工作人員處理大量的信息提供了極大的便利[1～3]?；谏鲜鲈?，筆者提出了一種無損信號檢測儀人機界面的設(shè)計方案，該方案采用ARM11處理器作為硬件平臺，以嵌入式Linux系統(tǒng)為軟件平臺，在此基礎(chǔ)上采用開源的圖形界面庫Qt開發(fā)上層應(yīng)用程序并把應(yīng)用程序中所需要的庫文件進行了移植，最后對設(shè)計完成的儀器進行了調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果給出問題相應(yīng)的解決方案。該人機界面在可移植性、可維護性和成本方面都得到了良好的改善。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計①

1.1 操作系統(tǒng)的選擇

Linux操作系統(tǒng)完全沿襲了Unix系統(tǒng)的架構(gòu)，因此它具有成熟穩(wěn)定的特點，在網(wǎng)絡(luò)通信方面的效率和功能都很突出[4]。Linux是開源的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計者可以對嵌入式Linux進行二次開發(fā)，只保留必須的操作系統(tǒng)功能即可，并可以根據(jù)實際應(yīng)用的需要優(yōu)化操作系統(tǒng)的代碼。此外，Linux還有出色的速度性能[5]。信號檢測儀可使用的硬件資源相對較少并且要求上電時間短，綜合上述因素操作系統(tǒng)選擇嵌入式Linux。

1.2 硬件平臺ARM的優(yōu)勢

與X86架構(gòu)的處理器硬件平臺相比，ARM級別的處理器具有低功耗優(yōu)勢，且在硬件資源(處理器性能及存儲容量等)方面，ARM架構(gòu)的硬件平臺有時更加滿足系統(tǒng)的需要，因此選擇主處理器為S5PV210的ARM11架構(gòu)作為檢測儀人機界面開發(fā)的硬件平臺[6]。

1.3 圖形庫Qt

Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，由挪威TrollTech公司出品，目前包括基于Frame-Buffer的 Qtopia Core快速開發(fā)工具Qt Designer及國際化工具Qt Linguist等。Qt支持所有的Unix系統(tǒng)，當然也包括Linux系統(tǒng)，還支持WinNT、Win2k、Windows 95/98平臺。Qt基本上同X-Window上的Motif OpenwinGTK等圖形界面庫和Windows平臺上的MFC OWLVCL ATL是同類型的[7]。筆者結(jié)合探測儀實際的運行環(huán)境、嵌入式Linux系統(tǒng)及嵌入式GUI等，實現(xiàn)了適合探測儀的人機界面(HMI)特定波形顯示。

2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的搭建及整體結(jié)構(gòu)

2.1 開發(fā)環(huán)境的搭建

硬件平臺選擇arm11-tiny210，10寸液晶顯示屏，操作系統(tǒng)選擇為Linux，版本為Fedora 9，其內(nèi)核為Linux-kernel 2. 6.25-14。為了便于應(yīng)用程序的開發(fā)，根據(jù)用戶的需求描述和硬件系統(tǒng)本身的條件，筆者采用VMware WorkStation7.0虛擬機和Fedora 9操作系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境[8]。

VMware WorkStation7.0虛擬機和Fedora 9操作系統(tǒng)安裝在上位機上[9]，然后在此環(huán)境中安裝交叉編譯工具linux-gcc-arm-4.5.1-v6-vtf以完成Qt庫的驅(qū)動和應(yīng)用程序的編譯[10]。編譯安裝 Qt/Embedded庫，用來支持人機交互界面程序的開發(fā)。在Fedora 9系統(tǒng)中安裝Qt Creator集成開發(fā)環(huán)境，用于完成檢測儀HMI應(yīng)用程序的開發(fā)，加載硬件平臺相關(guān)驅(qū)動。開發(fā)的應(yīng)用程序經(jīng)過交叉編譯生成可執(zhí)行文件后，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸NFS傳到ARM板中，在ARM板中運行可執(zhí)行文件。

2.2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖1所示，主要由中央處理電路、顯示和擴展電路3部分組成。中央處理電路部分包括電源模塊、信號預(yù)處理模塊和Arm11模塊，這幾個模塊封裝在一個小的箱體內(nèi)。顯示部分主要是一個10寸的LCD信號顯示屏，操作者可以很方便地通過顯示屏進行人機交流。所有的接線口都裝在擴展電路板上，探頭采集的信號通過一根電纜輸入信號線接口，擴展板上還有鼠標、鍵盤和USB接口，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)后，可通過這些接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，便于以后分析。電源既能給采集系統(tǒng)提供低壓直流電，又能通過充電接口充電。所有模塊之間的連接線都在內(nèi)部，現(xiàn)場使用時，只需要通過一根信號線與檢測探頭連接起來即可。

圖1 檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計框架

3 無損信號檢測儀軟件的設(shè)計

檢測儀的軟件采用的是多級界面， 主界面是整個人機界面的中心，主要功能是各參數(shù)的設(shè)置，通信連接，特定波形的實時顯示，查詢已檢測管子的數(shù)量以及合格數(shù)量與不合格的數(shù)量。大多數(shù)界面可以直接跳轉(zhuǎn)到主界面。主界面下是主要子系統(tǒng)界面， 通過這些界面可以查看各子界面的狀態(tài)，歷史查詢界面可以通過相應(yīng)的文件索引查找所需要的歷史數(shù)據(jù)，還可以通過維護界面設(shè)置系統(tǒng)時間并查看各子系統(tǒng)的軟件版本等信息。

3.1 軟件整體框圖以及圖形界面顯示流程

應(yīng)用程序采用模塊化設(shè)計,主要包括無線傳輸模塊、信號采集模塊、波形顯示模塊、SD卡存儲模塊和數(shù)據(jù)打印模塊。系統(tǒng)軟件整體框圖如圖2所示。

圖2 檢測系統(tǒng)軟件整體設(shè)計框圖

3.2 界面繪制的實現(xiàn)

3.2.1圖形顯示的設(shè)計

特征波形顯示界面模塊包括A/D采集、波形顯示和數(shù)據(jù)保存3個部分(圖3)。

圖3 波形顯示界面

點擊界面中的啟動按鍵開始A/D采集，當采集結(jié)束后兩組波形就顯示在兩個坐標框內(nèi)，同時波形數(shù)據(jù)將保存至SD卡中新創(chuàng)建的文件中。波形顯示模塊流程如圖4所示。

波形顯示部分采用Qt的基礎(chǔ)類 QPainter開發(fā)，QPainter具有豐富的圖形圖像繪制函數(shù)，并支持像素混合漸變填充反走樣及線性變換等特性，利用這些函數(shù)完成相應(yīng)的波形顯示(圖5)，其部分程序代碼如下：

QPainter painter(this);

painter.fillRect(0,0,w,h,QColor(0,0,0) );

painter.translate(5*dx,6*dy);

painter.setPen(QPen(Qt::red, 2));

….

QPointF curve[num];

for(int j=0;j

{

curve[j].setX(j*dx/10);

curve[j].setY(m_list2.at(j)*-5*dy/3.3+50);

}

painter.drawPolyline(curve,num);

圖4 波形顯示模塊程序流程

圖5 A/D采集數(shù)據(jù)的波形顯示

3.2.2文件系統(tǒng)的設(shè)計

文件系統(tǒng)的設(shè)計代碼如下：

QString strDate = QDate::currentDate().toString("yyyyMMdd");//用當前的時間創(chuàng)建一個文件夾

QString date1=strDate;

int hour= QTime::currentTime().hour();//以當前小時創(chuàng)建一個文件夾

QString hour1= QString("%1").arg(hour);

QString path=QString("/sdcard/%1/%2/").arg(date1).arg(hour1);

3.3 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

在實地調(diào)試過程中，將整個系統(tǒng)安裝完成后，通過傳感器進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通信傳送至HMI界面，測試軟件部分是否存在Bug，如存在則進行改進。經(jīng)過多次反復(fù)的改進后，整個系統(tǒng)運行正常并且準確率很高，系統(tǒng)實際工作后波形結(jié)果如圖6所示。

圖6 HMI實際運行波形

4 結(jié)束語

結(jié)合實際項目，設(shè)計了一種基于Linux Qt的無損信號探測儀軟件的方案，從硬件和軟件的選型、平臺搭建及詳細設(shè)計等方面進行了闡述，并且著重描述了軟件系統(tǒng)圖形顯示模塊的設(shè)計過程、工作流程和系統(tǒng)測試過程。以性能優(yōu)異的ARM平臺和穩(wěn)定性良好的Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用功能強大的開源圖形庫Qt 進行系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計，最終實現(xiàn)了信號探測儀的軟件系統(tǒng)設(shè)計。通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，證明該系統(tǒng)完全符合要求，并且具有較高的實時性、可靠性和穩(wěn)定性。