基于Qt環(huán)境下物理實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

徐文螢，吳 汛，孫 立

（南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 211100）

應(yīng)用現(xiàn)代軟件科學(xué)技術(shù)改進傳統(tǒng)實驗，是適應(yīng)大學(xué)物理實驗課程創(chuàng)新發(fā)展的需求。研制具有簡潔方便的實驗數(shù)據(jù)處理工作平臺，應(yīng)用于繁瑣的物理實驗數(shù)據(jù)處理中，適應(yīng)于不同物理參數(shù)的測試需求；并且具備有其自身的個性化特點，適合特殊性物理參數(shù)測試需求。全篇以邁克爾遜實驗數(shù)據(jù)處理軟件實例作為個案來展開，具體描述整個軟件的設(shè)計與開發(fā)。

Qt作為系統(tǒng)開發(fā)的環(huán)境，具有不可替代的優(yōu)勢。Qt提供的C++應(yīng)用程序開發(fā)框架[1]，可以輕松實現(xiàn)“一次編寫，隨處編譯”的跨平臺解決方案，編寫的應(yīng)用程序能完美運行于從windows 98到windows 7，從Mac OSX到Linux,從Solaris,HP-UX到其他基于X11的眾多Unix平臺上。這讓編寫的應(yīng)用程序可以運行在不同的系統(tǒng)，方便移植，甚至能夠在經(jīng)過簡單的修改后輕松移植至應(yīng)用廣泛的android平臺。Qt設(shè)計師是強大的跨平臺GUI布局和格式構(gòu)建器[2-3]。

同時Qt是一個跨平臺的圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)的C++工具箱[4]。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的各種功能，從而直觀的對可視化用戶交互界面進行設(shè)計。Qt是完全面向?qū)ο蟮?，易于擴展，并且允許真正地組件編程。

1 實驗原理簡介

邁克爾遜干涉儀實驗[8]原理如圖1所示，從光源S發(fā)出的光線經(jīng)半反射鏡的反射和透射后分為兩束光線，一束向上一束向右，向上的光線又經(jīng)C反射回來，向右的光線經(jīng)補償板后被反射鏡D反射回來在半反射鏡處被再次反射向下，最后兩束光線在觀察屏上相遇，產(chǎn)生干涉。干涉儀的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中1～16為儀器上各個部件的數(shù)字編號，可查詢相關(guān)資料。

2 系統(tǒng)軟件總架構(gòu)

軟件功能的實現(xiàn)依靠3種機制：C++面向?qū)ο缶幊虣C制，Qt的信號與槽機制，Qt的事件機制。

Qt編程是由C++體系實現(xiàn)，面向?qū)ο蟮木幊谭椒ê蚎t豐富的類庫，使用戶能夠更簡單靈活的實現(xiàn)各種功能。在Qt Creator的幫助模式下，可以查詢所有類的信息。應(yīng)用這種機制，可以使程序結(jié)構(gòu)靈活，層次感強[6]。

圖1 邁克爾遜干涉儀光路示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical path of Michelson interferometer

圖2 邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of Michelson interferometer

軟件整體構(gòu)架包括主界面與啟動界面兩大部分構(gòu)成。學(xué)生在做完相應(yīng)的邁克爾遜干涉實驗后，即可啟動軟件，進行數(shù)據(jù)

輸入與計算。在數(shù)據(jù)的輸入過程辨清環(huán)變數(shù)與數(shù)據(jù)組數(shù)，使用不同算法進行數(shù)據(jù)處理，采用二者比較精確值，操作簡便和人性化。系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖3所示。

圖3 軟件架構(gòu)示意圖Fig.3 Software architecture diagram

其中qidong.cpp類下提供的軟件信息包括軟件版本號，開發(fā)作者，開發(fā)日期等并且添加圖片使界面更為美觀。log.cpp提供包括學(xué)生信息錄入，和學(xué)號信息驗證提示等功能。mainwindow.cpp提供的主程序界面內(nèi)容及其所包含的兩個核心文件，zuixiao.cpp和zhucha.cpp這是該軟件主要算法程序最小二乘法和逐差法包括它們相應(yīng)的誤差計算方法。最后myedit.cpp是界面美觀與焦點等復(fù)合問題處理。

3 界面設(shè)計與布局優(yōu)化

3.1 啟動界面優(yōu)化

1）布局優(yōu)化：啟動程序，進入啟動界面，界面出現(xiàn)版本號，開發(fā)作者等信息優(yōu)化布局。

2）界面美觀：在Qt樣式表中添加相應(yīng)的彩圖達到美觀界面的效果。

3.2 登陸界面設(shè)計

1）登陸信息：進入啟動界面4～5秒后，出現(xiàn)登陸界面，包括學(xué)生學(xué)號信息錄入和身份驗證。

2）錯誤警示：如果學(xué)生未錄入信息將不能進入主程序，出現(xiàn)警示窗口。在這里體現(xiàn)到了Qt中最為核心的信號與槽的關(guān)鍵應(yīng)用。通過信號和槽[7]的應(yīng)用實現(xiàn)各個界面和數(shù)據(jù)等的傳遞。比如，點擊按鈕“關(guān)閉窗口”就會發(fā)出一個信號，對應(yīng)的槽函數(shù)close（）會被調(diào)用以響應(yīng)這個信號。這種機制使部件與部件，部件與后臺，部件與其他窗口，窗口與窗口之間可以進行交流。

3.3 主界面布局設(shè)計

為了方便師生們對本物理實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的使用，提升用戶體驗，需要對主界面進行合理的布局與適當?shù)拿阑?。在窗口組件的分布方面，采用左右布局使界面更加緊湊。而在對窗口組件的美化方面，首先添加資源文件，然后使用其設(shè)計面下的Qt樣式表[2，8]，修改界面中的文字格式和添加彩圖等功能對主界面進行美觀優(yōu)化。

例如：為了對文字做美化處理，在Qt更改樣式中添加如下代碼

QPushButton{font:75 18pt"華文楷體"；color:rgb（0， 0，255）；}

從而對按鈕進行美化處理，將字體變?yōu)榭w，調(diào)整其大小，并且改變按鈕字體顏色為藍色，從而讓使用者身心更為愉悅。

3.4 焦點光標的可控性

在實際使用中，由于本實驗數(shù)據(jù)個數(shù)相對較多，因此簡化對于焦點光標的控制十分重要。

故定義繼承自LineEdit類的自定義類QMyEdit，在類內(nèi)以鏈表形式建立對象間順序的邏輯關(guān)系。

類定義頭文件qMyEdit.h如下

而后將LineEdit類的文本框?qū)ο筇嵘秊镼MyEdit類，并重寫QMyEdit類的默認鍵盤事件函數(shù)，捕捉上/下方向鍵的輸入，并按順序移動文本框焦點，從而實現(xiàn)對焦點光標的便捷控制，簡化使用時的輸入操作。

鍵盤事件函數(shù)重寫方式如下

3.5 雙算法的實現(xiàn)與變量數(shù)據(jù)的可控性

1）多種算法[9]綜合實現(xiàn)：mainwindow類下有兩個程序zuixiao.cpp和zhucha.cpp，分別執(zhí)行該軟件的兩種核心算法：最小二乘法和逐差法，并計算兩種算法相應(yīng)的誤差。逐差法在數(shù)據(jù)處理中較為普遍，而最小二乘法則是利用呈線性關(guān)系的兩組數(shù)據(jù)擬合為直線，在本實驗的數(shù)據(jù)處理中只需獲取其斜率及誤差。

兩種算法的綜合應(yīng)用是一個較為新穎的數(shù)據(jù)處理方法。學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)輸入后，通過信號和槽的應(yīng)用，將數(shù)據(jù)從主界面?zhèn)鬟f至計算部分，在處理完畢后再將結(jié)果返回主界面并顯示。同時顯示兩種方法的結(jié)果與其對應(yīng)誤差，增強計算結(jié)果的可信度。

2）數(shù)據(jù)可控的實現(xiàn)：數(shù)據(jù)可控是指對實驗數(shù)據(jù)的個數(shù)和實驗中兩次獲取數(shù)據(jù)的間隔間光屏上環(huán)數(shù)的改變數(shù)進行控制，從而不為單一的實驗數(shù)據(jù)獲取方式所局限。在主界面上放置兩個spin部件，用以改變輸入數(shù)據(jù)個數(shù)和環(huán)的變化個數(shù)，同時允許通過鼠標點擊改變數(shù)據(jù)大小。在實驗時可以根據(jù)實際情況改變數(shù)據(jù)組數(shù)與環(huán)的變化個數(shù)，從而擴大軟件的適用范圍。

圖4 雙算法結(jié)果顯示界面Fig.4 Double arithmetic results display interface

圖5 數(shù)據(jù)控制界面Fig.5 Data control interface

4 實驗測試與反饋

通過對多組不同的數(shù)據(jù)對軟件進行測試，并改變數(shù)據(jù)組數(shù)與變化環(huán)數(shù)，將軟件計算結(jié)果與傳統(tǒng)計算結(jié)果比較，結(jié)果完全吻合。

在有效數(shù)字保留方面保持了前后一致，確保數(shù)據(jù)處理的精確度。

圖6 主程序界面Fig.6 The main program interface

5 結(jié)束語

1）軟件投入到實驗教學(xué)中后，得到了廣大師生的一致好評。方便了學(xué)生對于繁瑣數(shù)據(jù)的處理，學(xué)生在實驗方面積極性與活躍性得到了一定程度的提高。同時也使得教師在教學(xué)方面得到了相當大的幫助，提升了教學(xué)質(zhì)量。

2）在本軟件中通過對所有用戶可見的文本使用QString，對動態(tài)文本使用QString::arg（）函數(shù)，對所有文字文本使用tr（）函數(shù)來實現(xiàn)國際化[5，10]。

3）Qt完全面向?qū)ο螅奖懔讼到y(tǒng)的開發(fā)。Qt的跨平臺特性簡化了移植過程，針對不同的軟件平臺，應(yīng)用程序只需要一次性開發(fā)可實現(xiàn)多次編譯；實驗教學(xué)也是一門很重要的學(xué)科應(yīng)用。

[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]霍亞飛.Qt Creator快速入門[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[3]付輝.QT用戶界面的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國新通信，2014（17）:104-105.

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

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

[6]江帆，孫立，尹華山.基于Qt環(huán)境下物理參數(shù)綜合分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2014（8）:34-36.

[7]劉匯丹.基于Qt的國際化圖形用戶界面設(shè)計與實現(xiàn)[J].中文信息學(xué)，2006（4）:94-99.

[8]劉小廷.大學(xué)物理實驗[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[9]皮德常.C++程序設(shè)計教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[10]鄭阿奇.Qt開發(fā)實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.