基于Linux Qt的無損信號檢測儀人機界面軟件的設計與實現

閆保中 孟慶丹 鄒銀紅

(哈爾濱工程大學自動化學院，哈爾濱 150001)

隨著信息技術的發展以及現代探測技術的不斷進步，帶有平板顯示器的智能終端逐步取代了傳統的儀表方式，這對于工作人員處理大量的信息提供了極大的便利[1～3]。基于上述原因，筆者提出了一種無損信號檢測儀人機界面的設計方案，該方案采用ARM11處理器作為硬件平臺，以嵌入式Linux系統為軟件平臺，在此基礎上采用開源的圖形界面庫Qt開發上層應用程序并把應用程序中所需要的庫文件進行了移植，最后對設計完成的儀器進行了調試，根據調試結果給出問題相應的解決方案。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 系統方案設計①

1.1 操作系統的選擇

Linux操作系統完全沿襲了Unix系統的架構，因此它具有成熟穩定的特點，在網絡通信方面的效率和功能都很突出[4]。Linux是開源的操作系統，系統的設計者可以對嵌入式Linux進行二次開發，只保留必須的操作系統功能即可，并可以根據實際應用的需要優化操作系統的代碼。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選擇嵌入式Linux。

1.2 硬件平臺ARM的優勢

與X86架構的處理器硬件平臺相比，ARM級別的處理器具有低功耗優勢，且在硬件資源(處理器性能及存儲容量等)方面，ARM架構的硬件平臺有時更加滿足系統的需要，因此選擇主處理器為S5PV210的ARM11架構作為檢測儀人機界面開發的硬件平臺[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快速開發工具Qt Designer及國際化工具Qt Linguist等。Qt支持所有的Unix系統，當然也包括Linux系統，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]。筆者結合探測儀實際的運行環境、嵌入式Linux系統及嵌入式GUI等，實現了適合探測儀的人機界面(HMI)特定波形顯示。

2 系統開發環境的搭建及整體結構

2.1 開發環境的搭建

硬件平臺選擇arm11-tiny210，10寸液晶顯示屏，操作系統選擇為Linux，版本為Fedora 9，其內核為Linux-kernel 2. 6.25-14。為了便于應用程序的開發，根據用戶的需求描述和硬件系統本身的條件，筆者采用VMware WorkStation7.0虛擬機和Fedora 9操作系統作為開發環境[8]。

VMware WorkStation7.0虛擬機和Fedora 9操作系統安裝在上位機上[9]，然后在此環境中安裝交叉編譯工具linux-gcc-arm-4.5.1-v6-vtf以完成Qt庫的驅動和應用程序的編譯[10]。編譯安裝 Qt/Embedded庫，用來支持人機交互界面程序的開發。在Fedora 9系統中安裝Qt Creator集成開發環境，用于完成檢測儀HMI應用程序的開發，加載硬件平臺相關驅動。開發的應用程序經過交叉編譯生成可執行文件后，利用網絡傳輸NFS傳到ARM板中，在ARM板中運行可執行文件。

2.2 系統的整體結構

系統的總體設計框架如圖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、信號預處理模塊和Arm11模塊，這幾個模塊封裝在一個小的箱體內。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，現場采集的數據存入系統后，可通過這些接口實現數據交換，便于以后分析。電源既能給采集系統提供低壓直流電，又能通過充電接口充電。所有模塊之間的連接線都在內部，現場使用時，只需要通過一根信號線與檢測探頭連接起來即可。

圖1 檢測系統的總體設計框架

3 無損信號檢測儀軟件的設計

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，主要功能是各參數的設置，通信連接，特定波形的實時顯示，查詢已檢測管子的數量以及合格數量與不合格的數量。大多數界面可以直接跳轉到主界面。主界面下是主要子系統界面， 通過這些界面可以查看各子界面的狀態，歷史查詢界面可以通過相應的文件索引查找所需要的歷史數據，還可以通過維護界面設置系統時間并查看各子系統的軟件版本等信息。

3.1 軟件整體框圖以及圖形界面顯示流程

應用程序采用模塊化設計,主要包括無線傳輸模塊、信號采集模塊、波形顯示模塊、SD卡存儲模塊和數據打印模塊。系統軟件整體框圖如圖2所示。

圖2 檢測系統軟件整體設計框圖

3.2 界面繪制的實現

3.2.1圖形顯示的設計

特征波形顯示界面模塊包括A/D采集、波形顯示和數據保存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，當采集結束后兩組波形就顯示在兩個坐標框內，同時波形數據將保存至SD卡中新創建的文件中。波形顯示模塊流程如圖4所示。

波形顯示部分采用Qt的基礎類 QPainter開發，QPainter具有豐富的圖形圖像繪制函數，并支持像素混合漸變填充反走樣及線性變換等特性，利用這些函數完成相應的波形顯示(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采集數據的波形顯示

3.2.2文件系統的設計

文件系統的設計代碼如下：

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

QString date1=strDate;

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

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

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

3.3 系統測試與結果分析

在實地調試過程中，將整個系統安裝完成后，通過傳感器進行數據采集，將采集到的數據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。經過多次反復的改進后，整個系統運行正常并且準確率很高，系統實際工作后波形結果如圖6所示。

圖6 HMI實際運行波形

4 結束語

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