劉思洋

摘 要：主要介紹了工業(yè)控制組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中圖元類(lèi)的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用，并利用QT集成開(kāi)發(fā)工具及C++面向?qū)ο蟮奶匦?，給出了在Linux平臺(tái)下組態(tài)人機(jī)界面中圖元類(lèi)的一種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)了圖元控件的封裝性、獨(dú)立性和可重用性。

關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件；圖元設(shè)計(jì)；組態(tài)動(dòng)畫(huà)；Linux

中圖分類(lèi)號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）03-00-03

0 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(lái)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(guò)程監(jiān)控的專(zhuān)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(lái)實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。它可以為工程人員提供使用靈活的組態(tài)開(kāi)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(huà)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(fǎng)問(wèn)機(jī)制，可以采用基于角色的多級(jí)關(guān)系安全訪(fǎng)問(wèn)控制對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，防止未授權(quán)用戶(hù)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(fǎng)問(wèn)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(lèi)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(lái)的操作系統(tǒng)，其系統(tǒng)源代碼是開(kāi)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(hù)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(kāi)源性也為用戶(hù)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(kāi)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。

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(chǎng)管理，其結(jié)構(gòu)主要是由組態(tài)開(kāi)發(fā)模塊，用戶(hù)界面運(yùn)行模塊，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)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(hù)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(hù)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(hù)使用的角度來(lái)看，組態(tài)軟件一般由開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境組成。工程人員在開(kāi)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(guò)通信模塊與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)通信，數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)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(kù)通過(guò)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(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)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(xiàn)等多種方式向用戶(hù)提供工業(yè)控制解決方案。另一方面，用戶(hù)也可以通過(guò)修改運(yùn)行環(huán)境中的圖形元素和參數(shù)配置，通過(guò)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(hù)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(kāi)發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。Qt/E最初由奇趣科技開(kāi)發(fā)，后來(lái)為諾基亞公司收購(gòu)，是一個(gè)跨平臺(tái)的C++應(yīng)用程序以及UI開(kāi)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(jiàn)的如Windows操作系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了一次開(kāi)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(lèi)型。而且，編程人員在開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境非常適用于組態(tài)軟件的開(kāi)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(huà)面的基礎(chǔ)單元，也是動(dòng)畫(huà)功能的基本元素，主要分為基本圖元和動(dòng)態(tài)圖元兩類(lèi)。每個(gè)圖元擁有影響和決定其外觀展示的各種屬性，用戶(hù)通過(guò)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(hù)開(kāi)發(fā)圖形界面所需的必要元素，并且使用C++高級(jí)編程語(yǔ)言，支持面向?qū)ο箝_(kāi)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(xiàn)到復(fù)雜的和弦曲線(xiàn)等形狀和動(dòng)畫(huà)效果。

從Qt 4.2開(kāi)始引入的QGraphicsView框架用來(lái)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(pán)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(guò)二元空間劃分樹(shù)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(lèi)，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(lèi)，它是在QGraphicsScene 中繪制的各個(gè)圖形的項(xiàng)的基類(lèi)，類(lèi)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(hù)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(lái)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(xiàn)、圓形、多邊形等，在繪制此類(lèi)圖形時(shí)，需要用到QPainter類(lèi)，自定義圖元類(lèi)繼承QWidget類(lèi)并重載paintEvent （ QPaintEvent * ）方法，可以在派生的圖元類(lèi)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(xiě)其paint函數(shù)，對(duì)圖元類(lèi)的屬性值進(jìn)行賦值，畫(huà)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(xiě)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。

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(jiǎn)單圖形例如圓形、直線(xiàn)、多邊形等，都可以使用類(lèi)似的方法進(jìn)行定義和重寫(xiě)，就可以設(shè)計(jì)畫(huà)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(lèi)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(huà)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(lèi)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(huà)組QParallelAnimationGroup中，則動(dòng)態(tài)圖元類(lèi)型具有陰影動(dòng)畫(huà)效果，以水管WaterPipe類(lèi)為例，實(shí)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(lèi)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(huà)面效果，因此，對(duì)于類(lèi)似的具有動(dòng)態(tài)畫(huà)面效果的圖元類(lèi)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。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用在Linux系統(tǒng)下Qt/E進(jìn)行開(kāi)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(wèn)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(lèi)的設(shè)計(jì)開(kāi)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。

參考文獻(xiàn)

[1]王亞青，陳青，劉暢生，等. 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[2]李冬梅. 基于Qt的組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[3]段鵬，金敏. 嵌入式Linux組態(tài)軟件圖形界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（5）：47-48.

[4]譚曉鵬. 工業(yè)控制中嵌入式組態(tài)的研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2008.

[5]安吉宇. 基于Qt的Linux組態(tài)軟件研究與開(kāi)發(fā)[J]. 電子器件，2006（2）：29-35.