任 韜，孫 立，蔣鵬飛，尹華山，陳保林

（1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 211100；3.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 211100）

在應(yīng)用物理學(xué)科的“數(shù)字化壓力測(cè)量”實(shí)驗(yàn)裝置中，使用了模擬電路，數(shù)字電路，傳感器與單片機(jī)等學(xué)科技術(shù)知識(shí)。為了完成數(shù)據(jù)采集與分析，單靠單片機(jī)技術(shù)所構(gòu)成的硬件系統(tǒng)架構(gòu)，雖然可以做到實(shí)時(shí)的監(jiān)控，但不利于數(shù)據(jù)處理的深化與更加深入詳細(xì)分析的表達(dá)，數(shù)據(jù)的記錄也會(huì)帶來誤差，為了解決這些問題，讓學(xué)生能更好的領(lǐng)略到數(shù)字化時(shí)代的知識(shí)，在完成數(shù)字化壓力測(cè)量檢測(cè)儀的基礎(chǔ)上，提出本課題的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

PC機(jī)具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理，圖像顯示以及實(shí)時(shí)監(jiān)控的能力，利用PC機(jī)的這些特點(diǎn)，同時(shí)編寫友好的應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與分析，具有特殊意義——能夠提升整套測(cè)試系統(tǒng)的處理能力的上位機(jī)得以呈現(xiàn)。

Qt提供的C++應(yīng)用程序開發(fā)框架，可以輕松實(shí)現(xiàn)“一次編寫，隨處編譯”的跨平臺(tái)解決方案，編寫的應(yīng)用程序能完美運(yùn)行于從windows 98到windows 7，從Mac OSX到Linux，從Solaris，HP-UX到其他基于X11的眾多Unix平臺(tái)上。

這讓編寫的應(yīng)用程序可以運(yùn)行在不同的系統(tǒng)，很大程度上方便移植[1]。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件整體架構(gòu)包括完善的菜單欄、啟動(dòng)畫面，工具欄，狀態(tài)欄和應(yīng)用程序主界面。軟件架構(gòu)[2]如圖1所示。

圖1 軟件架構(gòu)圖Fig.1 Software construction chart

由啟動(dòng)畫面進(jìn)入程序主應(yīng)用程序，主應(yīng)用程序初始化界面提供一些必要的操作說明，單擊清除按鈕將會(huì)清除說明，然后進(jìn)入具體應(yīng)用程序配置，配置完成一些工具按鍵進(jìn)入使能狀態(tài)同時(shí)另一些按鍵進(jìn)入禁止使用狀態(tài)。

軟件保留一個(gè)按鍵作為切換測(cè)量與監(jiān)控模式，具體的模式由單片機(jī)程序決定，默認(rèn)為測(cè)量模式。

Qt是由 C++體系實(shí)現(xiàn)[3]，采用先進(jìn)的信號(hào)槽機(jī)制[1，4]，每一個(gè)類對(duì)應(yīng)一個(gè)功能，about.cpp中的about類提供軟件版本，作者和日期等信息，display.cpp中的Clock類提供數(shù)據(jù)回歸分析曲線擬合，fader.cpp中FaderWidget類提供對(duì)整體程序彈出窗口中淡入淡出效果，mainwindow.cpp中的MainWindow類提供應(yīng)用程序主體窗口，win_qextserialport.cpp提供的類用于串口配置底層驅(qū)動(dòng)文件。

2 界面布局設(shè)計(jì)

2.1 菜單欄、工具欄以及狀態(tài)欄的實(shí)現(xiàn)

菜單可以讓用戶瀏覽應(yīng)用程序并且可以學(xué)會(huì)如何處理一些新的事情；上下文菜單和工具欄則提供了對(duì)那些常使用的功能進(jìn)行快速訪問的方法；狀態(tài)欄用于顯示狀態(tài)提示和其他一些臨時(shí)消息。

在Qt中實(shí)現(xiàn)這3個(gè)子窗口是相通的，原理一樣，實(shí)現(xiàn)手法一樣，只是對(duì)用戶而言看上去不一樣。Qt里面有一個(gè)類，叫做QAction，QAction保存有關(guān)于這個(gè)動(dòng)作，也就是action的信息，神奇的是，QAction能夠根據(jù)添加的位置來改變自己的樣子，如果添加到菜單中，它就會(huì)顯示成一個(gè)菜單項(xiàng)；如果添加到工具欄，它就會(huì)顯示成一個(gè)按鈕，QAction有一個(gè)屬性適用于狀態(tài)欄顯示setStatusTip。通過這個(gè)屬性可以設(shè)置狀態(tài)欄顯示信息。

example=new QAction（tr（""），this）；

example－＞setIcon（QIcon（""））； example－＞setStatusTip（tr（""））；

最后給動(dòng)作添加一個(gè)槽，以便實(shí)現(xiàn)了信號(hào)槽connect（example，SIGNAL（triggered（）），this，SLOT（））。

2.2 添加控件的實(shí)現(xiàn)

在Qt中每一個(gè)控件對(duì)應(yīng)于一個(gè)類，向窗口或控件添加其他控件只需指定相關(guān)類就完成了添加窗口的操作。

2.3 布局組件的實(shí)現(xiàn)

在Qt中使用布局機(jī)制來實(shí)現(xiàn)控件的位置定位。只要把組件放入某一種布局之中，當(dāng)需要調(diào)整大小或位置的時(shí)候，Qt就知道該怎樣進(jìn)行調(diào)整。

Qt一共有 3種主要的 Layout[3]，分別是:QHBoxLayout水平方向從左到右布局；QVBoxLayout垂直方向從上到下布局；QGridLayout在一個(gè)網(wǎng)格中進(jìn)行布局。圖2是整體效果。

圖2 界面整體布局Fig.2 Contact surface overall layout

3 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)顯示設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在測(cè)量模式下通過單擊獲取數(shù)據(jù)按鈕會(huì)獲得來自單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送過來的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)顯示獲取系統(tǒng)采集的時(shí)間來精確記錄數(shù)據(jù)信息。如果不需要在應(yīng)用程序界面上顯示，可以通過單擊寫入文件按鈕，此時(shí)數(shù)據(jù)將會(huì)寫入到具體文件中去，操作者可以保存以自己姓名學(xué)號(hào)為文件名的文件。Qt中 通過QFile類訪問本地文件系統(tǒng)或者嵌入資源，同時(shí)還要使用QTextStream類來操縱文本文件，QTextStream會(huì)自動(dòng)將Unicode編碼同操作系統(tǒng)編碼進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

3.2 數(shù)據(jù)分析與擬合

為了方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)，通過獲取每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析以及擬合曲線，對(duì)應(yīng)于每個(gè)button是由數(shù)據(jù)增和數(shù)據(jù)減求得平均值；學(xué)生由于誤操作導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)不正確，可以通過單擊刪除按鈕刪除該數(shù)據(jù)，然后重新獲取數(shù)據(jù)。學(xué)生可以通過原始數(shù)據(jù)擬合曲線和回歸分析后的擬合曲線進(jìn)行對(duì)比。在Qt中沒有具體數(shù)據(jù)圖表控件，因此需要自定義控件。

3.3 解決方案

利用Qt中繪圖控件QPainter[5]當(dāng)獲取每個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，在屏幕上打印出相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，這樣就能擬合出曲線如圖3所示。同時(shí)利用坐標(biāo)變換translate方法重新定義原點(diǎn)，這樣更有利于坐標(biāo)的繪制。

圖3 測(cè)量曲線擬合圖Fig.3 Survey curve fitting chart

如圖3所示，首先畫出網(wǎng)格坐標(biāo)軸，然后將獲取到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的具體左邊打印出該點(diǎn)：

paint.drawEllipse（（（i+1）*24）+2，－（share[i]/10/5*24）+4，－6，－6）；//畫點(diǎn)，最后由回歸分析擬合出數(shù)據(jù)表達(dá)式。

4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

QtSql模塊提供了與平臺(tái)以及數(shù)據(jù)庫種類無關(guān)的訪問SQL數(shù)據(jù)庫接口[1，4]。這個(gè)接口由利用Qt的模型/視圖結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)庫與用戶界面集成的一套類來集成。

本應(yīng)用程序采用微軟開發(fā)的SQL Server2005作為數(shù)據(jù)庫引擎，用戶界面采用Qt編寫，當(dāng)系統(tǒng)處于監(jiān)控模式時(shí)，需要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)量將非常大使用文件存儲(chǔ)不適合，同時(shí)利用數(shù)據(jù)庫提供的查詢語句Select、修改update、刪除delete等語句，可以方便地管理數(shù)據(jù)庫。

5 軟件美化

5.1 國際化

Qt中國際化[4]的方式有很多種，常使用的QTextCodec類和使用tr（）函數(shù)，前者將編碼名稱寫到代碼里面，除非使用Unicode編碼，否者編碼依然是一個(gè)問題，本軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用tr（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的國際化。同時(shí)在main函數(shù)中增加一個(gè)QTranslator對(duì)象，這樣應(yīng)用程序就變成了中文。

5.2 淡入淡出效果

當(dāng)窗體進(jìn)行頁面切換時(shí)，原頁面的消失和新頁面的顯示并不是瞬間切換的，而是逐漸消隱和逐漸顯現(xiàn)的過程。

本應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)的fader類就是用于實(shí)現(xiàn)這種效果，在響應(yīng)頁面切換時(shí)，新建一個(gè)窗體，此窗體是一個(gè)與對(duì)話框等尺寸的空白窗體，此窗體由透明逐漸變成不透明就完成了淡入淡出的效果[6-10]，如圖4所示。

圖4 應(yīng)用效果圖Fig.4 Application effect chart

6 Qt串口通信

在Qt中沒有特定的串口控制類，采用第三方寫的qextserialport類如圖5，文件中包含QextSerialBase類，Win_Qext-SerialPort類，Posix_QextSerialPort類，QextSerialPort是所有類的子類，是最高的抽象，它屏蔽了平臺(tái)特征，使得在任何平臺(tái)上都可以使用[7]。

對(duì)于串口的讀取方式有Polling模式即查詢模式還有EventDriven事件驅(qū)動(dòng)模式。

圖5 串口工作流程圖Fig.5 Serial port work flow chart

事件驅(qū)動(dòng)方式就是使用處理串口的讀取，一旦有數(shù)據(jù)到來就會(huì)發(fā)出readyRead（）信號(hào)，設(shè)計(jì)者可以關(guān)聯(lián)該信號(hào)來讀取串口數(shù)據(jù)。在事件驅(qū)動(dòng)的方式下，串口的讀寫是異步的調(diào)用讀寫函數(shù)會(huì)立即返回，它們不會(huì)凍結(jié)調(diào)用線程。

而查詢方式則不同，讀寫函數(shù)是同步執(zhí)行，信號(hào)不能工作在這種模式下，但這種模式下開銷小，需要自己建立定時(shí)器來讀取串口數(shù)據(jù)。

Windows下可以使用兩種方式而在Linux下只能使用查詢 Polling方式[8]。

7 結(jié)束語

本軟件測(cè)試系統(tǒng)界面直觀、友好，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，分組存儲(chǔ)更能方便學(xué)生記錄數(shù)據(jù)。軟件能后滿足實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量要求，并且省去了繁瑣的數(shù)據(jù)記錄、處理的過程。學(xué)生可以更直觀地觀測(cè)壓力的變化。在通信協(xié)議不變的條件下，軟件和硬件平臺(tái)可以分別進(jìn)行改進(jìn)、擴(kuò)展，使其更加完善。應(yīng)用程序的跨平臺(tái)性，可以完美運(yùn)行于各種操作系統(tǒng)，從Windows到Mac OS，從Linux到Unix及一些嵌入式系統(tǒng)上[1，9-10]。

[1]Jasmin Blanchette，Mark Summerfield。C++GUI Qt4編程[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]齊治昌，譚慶平，寧洪.軟件工程[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]皮德常.C++程序設(shè)計(jì)教程 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]薩默菲爾德.Qt高級(jí)編程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5]Qt幫助文檔[EB/OL].www.trolltech.com.

[6]成浩，盧紫毅.Linux窗口程序設(shè)計(jì)——Qt4精彩實(shí)例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[7]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[8]Qt串口通信[EB/OL].www.yafeilinux.com.

[9]蔡志明.精通Qt4編程 [M].2版.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

[10]鄭阿奇.Qt4開發(fā)實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社，2011.