基于Linux平臺組態(tài)軟件圖形界面系統(tǒng)的設(shè)計研究

劉思洋

摘 要：主要介紹了工業(yè)控制組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境中圖元類的設(shè)計思想，結(jié)合實時數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，并利用QT集成開發(fā)工具及C++面向?qū)ο蟮奶匦?，給出了在Linux平臺下組態(tài)人機界面中圖元類的一種設(shè)計實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了圖元控件的封裝性、獨立性和可重用性。

關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件；圖元設(shè)計；組態(tài)動畫；Linux

中圖分類號：TP316 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-03

0 引 言

隨著工業(yè)控制自動化水平的不斷提高，計算機應(yīng)用技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。其中，組態(tài)軟件是用于管理、控制和監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的軟件平臺，主要是指控制數(shù)據(jù)采集與生產(chǎn)過程監(jiān)控的專用軟件。組態(tài)軟件解決了以前在控制系統(tǒng)中的復(fù)雜流程設(shè)計、以及數(shù)據(jù)采集等功能需要依靠復(fù)雜編程來實現(xiàn)的問題。它可以為工程人員提供使用靈活的組態(tài)開發(fā)方式和運行環(huán)境，在工業(yè)控制系統(tǒng)中同時進行工業(yè)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集處理和存儲，數(shù)據(jù)趨勢顯示、圖形動畫展示、報表、實時報警顯示等多種任務(wù)。并且能夠提供數(shù)據(jù)安全訪問機制，可以采用基于角色的多級關(guān)系安全訪問控制對實時數(shù)據(jù)庫進行操作，防止未授權(quán)用戶修改或刪除工業(yè)控制現(xiàn)場的有效數(shù)據(jù)，避免非法訪問系統(tǒng)而造成工業(yè)生產(chǎn)事故和損失。

工業(yè)控制應(yīng)用的硬件平臺種類繁多，硬件平臺上的軟件系統(tǒng)需要有良好的可移植性。Linux操作系統(tǒng)是基于Unix設(shè)計理念發(fā)展出來的操作系統(tǒng)，其系統(tǒng)源代碼是開源的。雖然目前存在很多不同的Linux，但它們都使用了Linux內(nèi)核并且具有廣泛的硬件支持，可以安裝在各種計算機硬件設(shè)備中，如臺式計算機，大型機、手機、平板電腦、路由器等，因此非常適合于工業(yè)控制領(lǐng)域。Linux內(nèi)核功能全面，具備網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等方面的功能，可使用戶很方便地建立高效穩(wěn)定的通信，非常適用于工業(yè)控制領(lǐng)域自動化中的設(shè)備通信需求。其系統(tǒng)設(shè)計模塊化程度高，代碼的開源性也為用戶提供了很高的自由度，對于工業(yè)控制領(lǐng)域中多樣的需求，開發(fā)者可以根據(jù)個性化需求而有針對性的對操作系統(tǒng)源代碼進行修改和優(yōu)化，綜合各方面優(yōu)勢，使得Linux操作系統(tǒng)能夠在工業(yè)控制領(lǐng)域取得廣泛的使用。

1 組態(tài)介紹，結(jié)構(gòu)

組態(tài)軟件系統(tǒng)需要適用于工業(yè)控制現(xiàn)場管理，其結(jié)構(gòu)主要是由組態(tài)開發(fā)模塊，用戶界面運行模塊，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通信模塊以及I/O驅(qū)動模塊等組件組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，用戶圖形界面系統(tǒng)將直觀的展示系統(tǒng)運行狀態(tài)，是最直觀，與用戶交互也最直接的主要模塊。

圖1 組態(tài)軟件主要架構(gòu)

從用戶使用的角度來看，組態(tài)軟件一般由開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境組成。工程人員在開發(fā)環(huán)境下，根據(jù)不同的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計需求，進行個性化的組態(tài)和配置，進入運行系統(tǒng)后，將已經(jīng)設(shè)計好的組態(tài)程序進行運行，圖形界面運行系統(tǒng)通過通信模塊與實時數(shù)據(jù)庫通信，數(shù)據(jù)庫通過I/O通信模塊采集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)并進行處理。一方面，實時數(shù)據(jù)庫通過IO通信模塊獲取工業(yè)現(xiàn)場產(chǎn)生的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)庫處理后傳送回組態(tài)運行界面，組態(tài)運行系統(tǒng)能夠以圖形或數(shù)據(jù)直觀展示工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)情況，能夠進行報警處理，顯示趨勢曲線等多種方式向用戶提供工業(yè)控制解決方案。另一方面，用戶也可以通過修改運行環(huán)境中的圖形元素和參數(shù)配置，通過通信接口向圖元對應(yīng)的工控現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送指令。組態(tài)軟件就可以使用戶能夠以直觀簡潔、便于操作的方式管理和監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)情況和相關(guān)數(shù)據(jù)。

組態(tài)軟件系統(tǒng)采用Qt/E集成開發(fā)工具進行設(shè)計開發(fā)。Qt/E最初由奇趣科技開發(fā)，后來為諾基亞公司收購，是一個跨平臺的C++應(yīng)用程序以及UI開發(fā)框架。它支持Linux操作系統(tǒng)，具有跨平臺的優(yōu)勢，同時，也支持其他常見的如Windows操作系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了一次開發(fā)而跨平臺運行的目標(biāo)。

Qt提供的信號和槽（Signal/Slot）機制是其核心特征機制之一。它可以讓編程人員把一些互不了解的對象綁定在一起，用于對象之間的通信，槽可以和信號連接在一起，每當(dāng)發(fā)射信號時，就會自動調(diào)用槽函數(shù)。它和普通C++成員函數(shù)幾乎是一樣的，可以是虛函數(shù)，可以被重載，可以是共有的、保護的或者私有的，并且也可以被其他C++函數(shù)直接調(diào)用，參數(shù)也可以是任意類型。而且，編程人員在開發(fā)時可以設(shè)計自己的信號和槽，將信號聯(lián)系到某個槽上，則槽會在正確的時間，以正確的信號參數(shù)被調(diào)用。

Qt具有完備的圖形開發(fā)工具，提供了雙緩沖機制，能夠把一個窗口部件渲染到一個脫屏QPixmap中，然后再把這個QPixmap復(fù)制到顯示屏幕上。因此，用于組態(tài)圖形運行系統(tǒng)中就能夠消除屏幕的閃爍，更好地支持組態(tài)運行系統(tǒng)中圖形界面的操作和展示，因此QT集成開發(fā)環(huán)境非常適用于組態(tài)軟件的開發(fā)目標(biāo)。

2 組態(tài)圖形運行系統(tǒng)的設(shè)計

組態(tài)軟件中，構(gòu)成工業(yè)控制現(xiàn)場的圖形界面由各個簡單的圖元對象組成，它們是組態(tài)運行畫面的基礎(chǔ)單元，也是動畫功能的基本元素，主要分為基本圖元和動態(tài)圖元兩類。每個圖元擁有影響和決定其外觀展示的各種屬性，用戶通過配置不同的屬性值，在進入運行系統(tǒng)后將體現(xiàn)為不同形式的外觀展示。Qt的視圖框架中包括QGraphicsView，QGraphicsScene， QGraphicsItem和Qpainter，能夠提供給用戶開發(fā)圖形界面所需的必要元素，并且使用C++高級編程語言，支持面向?qū)ο箝_發(fā)。能夠進行圖元的圖形展示，可以繪制從簡單的直線到復(fù)雜的和弦曲線等形狀和動畫效果。

從Qt 4.2開始引入的QGraphicsView框架用來取代Qt 3中的Canvas模塊，并在很多地方進行了改進，QGraphicsView能夠管理大量圖元，支持如碰撞檢測、坐標(biāo)變換等功能。QGraphicsView中的圖元能夠處理鍵盤事件、鼠標(biāo)事件，包括鼠標(biāo)按下，移動，釋放，雙擊事件，能夠跟蹤鼠標(biāo)移動。在QGraphicsView框架中，通過二元空間劃分樹提供了快速的圖元查找，這樣就能夠?qū)崟r地顯示大場景?？蚣苤邪齻€主要的類，分別是QGraphicsView，QGraphicsScene， QGraphicsItem，依次分別是視圖，場景和圖元。

QGraphicsItem是在一個QGraphicsScene中最基本的圖形類，它是在QGraphicsScene 中繪制的各個圖形的項的基類，類中包括聲明圖形項的位置，進行碰撞檢測，繪制的重載和進行各個項之間的相互作用的事件處理等屬性。

Qgraphicsscene進行場景的展示，包含許多不同的項。場景（以及它的項）在視圖中顯示，這樣用戶就可以看到了。QGraphicsView提供一個顯示QGraphicsScene內(nèi)容的窗口，可以在構(gòu)造時候把場景對象作為參數(shù)，或者之后使用setScene（）來設(shè)置View的場景，然后調(diào)用show（）函數(shù)后，view就可以默認(rèn)的在場景的中心進行圖形界面的顯示。

2.1 簡單靜態(tài)圖元

圖形運行系統(tǒng)簡單的靜態(tài)圖元，例如直線、圓形、多邊形等，在繪制此類圖形時，需要用到QPainter類，自定義圖元類繼承QWidget類并重載paintEvent （ QPaintEvent * ）方法，可以在派生的圖元類中重新實現(xiàn)繪圖事件。

由于不同圖元要求圖形有不同形狀，大小和顏色等，需要重寫其paint函數(shù)，對圖元類的屬性值進行賦值，畫出期望的圖形形狀和顏色，以矩形圖元為例：

class MyRect： public QGraphicsObject{

public：

MyRect（ ）；

QRectF boundingRect（） const；

void paint（QPainter *painter， const QStyleOptionGraphicsItem *option， QWidget *widget）；

}；

重寫paint函數(shù)，對不同屬性進行賦值，在函數(shù)定義中實現(xiàn)圖像的繪制。

void MyRect：：paint（QPainter *painter， const QStyleOptionGraphicsItem *option， QWidget *widget）{

Q_UNUSED（option）；

Q_UNUSED（widget）；

painter->setPen（QPen（Qt：：black，2））；

painter->setBrush（QColor（255，80，60））；

painter->drawRect（-50，-50，50，20）；

}

即可構(gòu)造出自定義大小/形狀和顏色的平面矩形形狀。其他簡單圖形例如圓形、直線、多邊形等，都可以使用類似的方法進行定義和重寫，就可以設(shè)計畫出不同的簡單圖形元素。

2.2 動態(tài)圖元的設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)中的動態(tài)運行圖元類能夠靈活而直觀的顯示工業(yè)現(xiàn)場運行狀態(tài)，每一個動態(tài)的控件有獨立的數(shù)據(jù)源，因而有特定的動畫功能和效果。以動態(tài)圖形水管流動的圖元為例，可以使用QT/E中QGraphicsDropShadowEffect 類并設(shè)置數(shù)據(jù)范圍使得管道流水具有陰影效果，并且將圖元項添加到動畫組QParallelAnimationGroup中，則動態(tài)圖元類型具有陰影動畫效果，以水管WaterPipe類為例，實現(xiàn)代碼如下：

WaterPipe：：WaterPipe（QGraphicsItem *parent）

： WaterPipePart（parent）

{

//setFlag（ItemHasNoContents）；

QGraphicsDropShadowEffect *effect = new QGraphicsDropShadowEffect；

effect->setBlurRadius（1）；

this->setGraphicsEffect（effect）；

QGraphicsObject *flowItem = new Flow（this）；

QGraphicsObject *pipeItem = new Pipe（this）；

pipeItem->setPos（0，20）；

flowItem->setPos（20，21）；

QParallelAnimationGroup *animation = new QParallelAnimationGroup（this）；

QPropertyAnimation *flowAnimation = new QPropertyAnimation（flowItem， “pos”）；

flowAnimation->setStartValue（QPointF（63，0））；

flowAnimation->setEndValue（QPointF（117，0））；

animation->addAnimation（flowAnimation）；

animation->setLoopCount（-1）；

animation->start（）；

}

在視圖QGraphicsView中添加包含有WaterPipe類型圖元項的QGraphicsScene場景，進行初始化和調(diào)用顯示函數(shù)后，在圖形界面運行系統(tǒng)中便會顯示出水管動態(tài)流動的畫面效果，因此，對于類似的具有動態(tài)畫面效果的圖元類型，可以采用上述方法設(shè)計實現(xiàn)，并能夠在Linux平臺系統(tǒng)中得到良好應(yīng)用。

3 結(jié) 語

本文采用在Linux系統(tǒng)下Qt/E進行開發(fā)設(shè)計，解決了組態(tài)圖形界面中的簡單圖元設(shè)計和實現(xiàn)的問題，提出了采用面向?qū)ο笤O(shè)計思想，對不同的靜態(tài)和動態(tài)圖元控件類的設(shè)計開發(fā)和研究。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展和控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷增大，使得組態(tài)軟件的功能需求日漸增多，系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。由于組態(tài)軟件系統(tǒng)整體的復(fù)雜性，組態(tài)軟件系統(tǒng)中各個模塊之間的交互以及運行展示仍需要根據(jù)實際應(yīng)用中的不同需求、不同情況進行不斷的優(yōu)化和完善。

參考文獻

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