基于Linux平臺(tái)組態(tài)軟件圖形界面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究
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引 言
隨著工業(yè)控制自動(dòng)化水平的不斷提高,計(jì)算機(jī)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(chǎng)的軟件平臺(tái),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(jì)、以及數(shù)據(jù)采集等功能需要依靠復(fù)雜編程來實(shí)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(yùn)行環(huán)境,在工業(yè)控制系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集處理和存儲(chǔ),數(shù)據(jù)趨勢(shì)顯示、圖形動(dòng)畫展示、報(bào)表、實(shí)時(shí)報(bào)警顯示等多種任務(wù)。并且能夠提供數(shù)據(jù)安全訪問機(jī)制,可以采用基于角色的多級(jí)關(guān)系安全訪問控制對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作,防止未授權(quán)用戶修改或刪除工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)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(tái)種類繁多,硬件平臺(tái)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(jì)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(jì)算機(jī)硬件設(shè)備中,如臺(tái)式計(jì)算機(jī),大型機(jī)、手機(jī)、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(dòng)化中的設(shè)備通信需求。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)性化需求而有針對(duì)性的對(duì)操作系統(tǒng)源代碼進(jìn)行修改和優(yōu)化, 綜合各方面優(yōu)勢(shì),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。
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(chǎng)管理,其結(jié)構(gòu)主 要是由組態(tài)開發(fā)模塊,用戶界面運(yùn)行模塊,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng), 通信模塊以及 I/O 驅(qū)動(dòng)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(yùn)行狀態(tài),是最 直觀,與用戶交互也最直接的主要模塊。
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(yùn)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(chǎng)設(shè)計(jì)需求,進(jìn)行個(gè)性化的組態(tài)和配置,進(jìn)入運(yùn)行系統(tǒng)后,將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的組態(tài)程序進(jìn)行運(yùn)行,圖形界面運(yùn)行系統(tǒng)通過通信模塊與實(shí)時(shí)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(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。一方面,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫通過IO 通信模塊獲取工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)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(yùn)行界面,組態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)能夠以圖形或數(shù)據(jù)直觀展示工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)情況,能夠進(jìn)行報(bào)警處理,顯示趨勢(shì)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(yùn)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(duì)應(yīng)的工控現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)潔、便于操作的方式管理和監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(gè)跨平臺(tái)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(tái)的優(yōu)勢(shì), 同時(shí), 也支持其他常見的如Windows 操作系統(tǒng),真正實(shí)現(xiàn)了一次開發(fā)而跨平臺(tái)運(yùn)行的目標(biāo)。
Qt 提供的信號(hào)和槽(Signal/Slot)機(jī)制是其核心特征機(jī)制之一。它可以讓編程人員把一些互不了解的對(duì)象綁定在一起, 用于對(duì)象之間的通信,槽可以和信號(hào)連接在一起,每當(dāng)發(fā)射信號(hào)時(shí),就會(huì)自動(dòng)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(hù)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(shí)可以設(shè)計(jì)自己的信號(hào)和槽,將信號(hào)聯(lián)系到某個(gè)槽上,則槽會(huì)在正確的時(shí)間, 以正確的信號(hào)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(jī)制,能夠把一個(gè)窗口部件渲染到一個(gè)脫屏 QPixmap 中,然后再把這個(gè)QPixmap 復(fù)制到顯示屏幕上。因此,用于組態(tài)圖形運(yùn)行系統(tǒng)中就能夠消除屏幕的閃爍,更好地支持組態(tài)運(yùn)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(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
組態(tài)軟件中,構(gòu)成工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的圖形界面由各個(gè)簡(jiǎn)單的圖元對(duì)象組成,它們是組態(tài)運(yùn)行畫面的基礎(chǔ)單元,也是動(dòng)畫功能的基本元素,主要分為基本圖元和動(dòng)態(tài)圖元兩類。每個(gè)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(jìn)入運(yùn)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(jí)編程語言,支持面向?qū)ο箝_發(fā)。能夠進(jìn)行圖元的圖形展示,可以繪制從簡(jiǎn)單的直線到復(fù)雜的和弦曲線等形狀和動(dòng)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(jìn)行了改 進(jìn), QGraphicsView 能夠管理大量圖元, 支持如碰撞檢測(cè)、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(dòng),釋放,雙擊事件,能夠跟蹤鼠標(biāo)移動(dòng)。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(shí)地顯示大場(chǎng)景??蚣苤邪齻€(gè)主要的類, 分別是 QGraphicsView, QGraphicsScene,QGraphicsItem,依次分別是視圖,場(chǎng)景和圖元。
QGraphicsItem 是在一個(gè) QGraphicsScene 中最基本的圖形類,它是在 QGraphicsScene 中繪制的各個(gè)圖形的項(xiàng)的基類, 類中包括聲明圖形項(xiàng)的位置,進(jìn)行碰撞檢測(cè),繪制的重載和進(jìn)行各個(gè)項(xiàng)之間的相互作用的事件處理等屬性。
Qgraphicsscene 進(jìn)行場(chǎng)景的展示, 包含許多不同的項(xiàng)。場(chǎng)景(以及它的項(xiàng))在視圖中顯示,這樣用戶就可以看到了。QGraphicsView 提供一個(gè)顯示 QGraphicsScene 內(nèi)容的窗口, 可以在構(gòu)造時(shí)候把場(chǎng)景對(duì)象作為參數(shù),或者之后使用 setScene()來設(shè)置View 的場(chǎng)景,然后調(diào)用show()函數(shù)后,view 就可以默認(rèn)的在場(chǎng)景的中心進(jìn)行圖形界面的顯示。
2.1 簡(jiǎn)單靜態(tài)圖元
圖形運(yùn)行系統(tǒng)簡(jiǎn)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(shí),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(shí)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(duì)圖元類的屬性值進(jìn)行賦值,畫出期望的圖形形狀和顏色,以矩形圖元為例:
重寫 paint 函數(shù),對(duì)不同屬性進(jìn)行賦值,在函數(shù)定義中實(shí)現(xiàn)圖像的繪制。
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(jiǎn)單圖形例如圓形、直線、多邊形等,都可以使用類似的方法進(jìn)行定義和重寫,就可以設(shè)計(jì)畫出不同的簡(jiǎn)單圖形元素。
2.2 動(dòng)態(tài)圖元的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)運(yùn)行圖元類能夠靈活而直觀的顯示工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài),每一個(gè)動(dòng)態(tài)的控件有獨(dú)立的數(shù)據(jù)源,因而有特定的動(dòng)畫功能和效果。以動(dòng)態(tài)圖形水管流動(dòng)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(xiàng)添加到動(dòng)畫組QParallelAnimationGroup 中,則動(dòng)態(tài)圖元類型具有陰影動(dòng)畫效果,以水管 WaterPipe類為例,實(shí)現(xiàn)代碼如下:
在視圖QGraphicsView 中添加包含有 WaterPipe 類型圖元項(xiàng)的QGraphicsScene 場(chǎng)景,進(jìn)行初始化和調(diào)用顯示函數(shù)后, 在圖形界面運(yùn)行系統(tǒng)中便會(huì)顯示出水管動(dòng)態(tài)流動(dòng)的畫面效果, 因此,對(duì)于類似的具有動(dòng)態(tài)畫面效果的圖元類型,可以采用上述方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),并能夠在 Linux 平臺(tái)系統(tǒng)中得到良好應(yīng)用。
結(jié) 語
本文采用在Linux 系統(tǒng)下Qt/E 進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì),解決了組態(tài)圖形界面中的簡(jiǎn)單圖元設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的問題,提出了采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想,對(duì)不同的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖元控件類的設(shè)計(jì)開發(fā)和研究。隨著工業(yè)自動(dòng)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(gè)模塊之間的交互以及運(yùn)行展示仍需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的不同需求、不同情況進(jìn)行不斷的優(yōu)化和完善。