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

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。