口袋實驗室的客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)

東北大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 付嘉樂 李大宇 蔣 偉

口袋實驗室是將傳統(tǒng)的實驗儀器微型化、軟件化集成到一個小的系統(tǒng)中，其有豐富的軟硬件資源，能夠提供較為全面的實驗學(xué)習(xí)，符合微實驗化的主流趨勢。為實現(xiàn)口袋實驗室資源的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)可視化處理，本文基于QT設(shè)計實現(xiàn)了一種通用的口袋實驗室客戶端，實現(xiàn)通過客戶端進行多設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)可視化及處理等功能，通過客戶端框架可拓展功能，能夠提升學(xué)習(xí)開發(fā)效率。

與傳統(tǒng)的實驗室儀器相比，口袋實驗室注重快速配置使用以及易用便攜，具有一定通用性，即在滿足基本一致的功能上通過便于使用的主機端如PC來管理使用，口袋實驗室的設(shè)備通過口袋實驗室的客戶端的使用實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的歸檔管理，而目前對于相似功能設(shè)備的客戶端完成功能基本為針對單一設(shè)備的使用進行管理，對于多個設(shè)備的使用管理和數(shù)據(jù)的歸檔分類無法完成或者需要多個客戶端，滿足不了多設(shè)備管理的需求。

在本文中設(shè)計了一種基于桌面端的口袋實驗室客戶端應(yīng)用，通過數(shù)據(jù)的和UI的分層級結(jié)構(gòu)，可以實時管理與使用下位機口袋實驗室設(shè)備，充分發(fā)揮當(dāng)前高性能個人計算機在應(yīng)用上的快速易用的優(yōu)勢?？蛻舳说脑O(shè)計基于開源桌面開發(fā)QT，使用C++設(shè)計開發(fā)客戶端的界面與邏輯，數(shù)據(jù)庫可使用SQLite和MySQL分別作為本地的小型化輕量數(shù)據(jù)管理和可遠程的管理渠道來組織調(diào)用設(shè)備數(shù)據(jù)。不僅可以跨平臺開發(fā)與Windows或者Linux乃至Android設(shè)備，而且系統(tǒng)具有穩(wěn)定性通用性的同時能大幅減少開發(fā)的周期。

1 系統(tǒng)設(shè)計

口袋實驗室的客戶端（以下簡稱客戶端）的設(shè)計主要由兼容硬件接口的軟件設(shè)計、針對不同設(shè)備設(shè)計的數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計、設(shè)備數(shù)據(jù)的修改以及調(diào)用接口設(shè)計，以及對應(yīng)的UI設(shè)計，提供用戶操作界面。客戶端所使用的桌面應(yīng)用框架為QT，通過C++完成算法的開發(fā)，使開發(fā)的應(yīng)用具有更高的效率。

1.1 硬件數(shù)據(jù)接口

口袋實驗室的客戶端主要設(shè)計使用不同的口袋實驗室設(shè)備（以下簡稱設(shè)備）接口?？诖鼘嶒炇以O(shè)備的硬件數(shù)據(jù)接口根據(jù)使用的需求可以使用不同的接口與傳輸協(xié)議。

對于低數(shù)據(jù)量低帶寬而需要較高兼容性的設(shè)備，使用通用異步首發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receviver/Transmitter,UART）可以滿足要求。UART作為一種在電子設(shè)備中應(yīng)用場合廣泛的傳輸方式，應(yīng)用開發(fā)周期短，對器件要求低。在PC端，UART傳輸僅需要設(shè)備具有通用串行總線（Universal Serial Bus,USB），通過具備USB轉(zhuǎn)換UART硬件電路的設(shè)備，或者使用USB通信設(shè)備類（USB Communication Device Class,USB-CDC）進行虛擬串口傳輸即可實現(xiàn)?？蛻舳送瓿晒δ軇t需要實現(xiàn)對于UART設(shè)備掃描查找，以及對于對應(yīng)的端口的數(shù)據(jù)位、傳輸速率、奇偶校驗、停止位、流控制進行配置，對于稱重或者其他對于實時刷新要求不高的數(shù)據(jù)，UART能夠滿足使用要求。

當(dāng)前無線技術(shù)的應(yīng)用，使得口袋實驗室設(shè)備開發(fā)無線連接更為常見，客戶端的設(shè)計也應(yīng)該滿足對于無線設(shè)備的使用管理。使用無線連接且具有較高數(shù)據(jù)傳輸速率需求的設(shè)備，可以通過無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，WLAN比較于其他較為常用的無線通信技術(shù)，相比低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，BLE）或者經(jīng)典藍牙，雖然具有更高功耗，但是傳輸速率遠高于BLE，而ZigBee需要專用的設(shè)備連接，綜合來看WLAN更適用于客戶端的開發(fā)。通過無線局域網(wǎng)的連接，作為服務(wù)端，需要能夠配置可開放的端口，供設(shè)備的連接。

硬件設(shè)備使用WLAN連接可以通過專用的具有WLAN功能的單片機實現(xiàn)，也可以使用具備通信接口的模塊進行實現(xiàn)。

在客戶端上軟件的接口的設(shè)計需要滿足不同設(shè)備的兼容，在設(shè)計上需要對于每一個設(shè)備使用單獨的界面進行選擇。其設(shè)計方案如圖1所示。

1.2 軟件架構(gòu)設(shè)計

口袋實驗室的客戶端的在操作界面上包含主管理界面，連接設(shè)備界面，設(shè)備添加管理界面，設(shè)備列表管理，設(shè)備控制界面以及不同設(shè)備處理算法部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 軟件架構(gòu)設(shè)計

其中主界面為客戶端進入之后首先需要顯示的界面，包含了設(shè)置與選擇按鈕以及設(shè)備管理列表界面。

設(shè)備管理列表界面完成顯示設(shè)備列表功能并能選擇控制，通過查詢數(shù)據(jù)庫并在Widget上繪圖實現(xiàn)顯示。

在設(shè)備操作界面中，界面的內(nèi)容通過所選的設(shè)備的類型進行判定并顯示出對應(yīng)的界面和功能列表，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種設(shè)備操作界面的顯示和操作。同時包含刪除設(shè)備功能。

添加設(shè)備界面模塊中，本系統(tǒng)實現(xiàn)了不同通信接口的選擇和設(shè)備名稱的自定義，通過增添數(shù)據(jù)庫表內(nèi)容進行管理。

1.3 軟件界面子模塊設(shè)計

程序采用單窗口多子界面的設(shè)計，通過切換子界面來顯示不同的程序模塊，實現(xiàn)對于低性能設(shè)備的兼容。其中，設(shè)備管理列表首先初始化數(shù)據(jù)庫管理程序，打開本地數(shù)據(jù)庫文件。在本地化的客戶端設(shè)計上，使用輕量級數(shù)據(jù)庫SQLite實現(xiàn)對于設(shè)備數(shù)據(jù)的管理，設(shè)備列表管理模塊通過查詢數(shù)據(jù)庫內(nèi)device表內(nèi)的數(shù)據(jù)得到設(shè)備數(shù)量以及對應(yīng)的設(shè)備編號設(shè)備名稱以及設(shè)備類型，并將設(shè)備列表顯示在界面上，實現(xiàn)可視化選擇設(shè)備使用，如圖3所示。設(shè)備列表管理模塊提供添加設(shè)備功能，功能通過按鈕實現(xiàn)子界面，即設(shè)備添加界面的跳轉(zhuǎn)。

圖3 設(shè)備列表管理界面圖

設(shè)備添加界面首先初始化數(shù)據(jù)庫的管理，然后檢索數(shù)據(jù)目錄下是否存在程序的指定數(shù)據(jù)庫文件。界面上，通過文本框和選擇框，實現(xiàn)手動輸入設(shè)備的類型和自定義的設(shè)備名稱，在功能上提供默認的設(shè)備名稱自動排序填充以及對于重名設(shè)備的提示。完成輸入之后，在數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)建立device表，已經(jīng)存在則不重復(fù)，并保存在可視化界面上保存的所添加的設(shè)別的信息。

設(shè)備控制模塊可以通過鼠標(biāo)的點擊進入對應(yīng)的設(shè)備，點擊之后需要判斷使用的設(shè)備，顯示對應(yīng)的界面，并完成對應(yīng)算法的加載。其流程如圖4所示。

主界面中提供的當(dāng)前界面按鈕通過記錄當(dāng)前使用的設(shè)備ID來切換到對應(yīng)的設(shè)備控制界面，設(shè)置界面提供對數(shù)據(jù)庫的清空功能。

2 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

客戶端作為設(shè)備的框架，針對不同的設(shè)備需要設(shè)計不同的驅(qū)動程序供設(shè)備使用。通過添加設(shè)備對應(yīng)的程序，調(diào)用硬件數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)傳輸，能夠較快實現(xiàn)多種設(shè)備的兼容設(shè)計和拓展，通過判斷不同的設(shè)備顯示對應(yīng)的界面和數(shù)據(jù)處理可以實現(xiàn)多種設(shè)備的使用，在客戶端的設(shè)計中預(yù)置了組合秤和示波器的設(shè)備驅(qū)動模塊。客戶端實現(xiàn)了可以調(diào)用組合秤和示波器，并且可以管理多個不同設(shè)備。

圖4 設(shè)備控制界面加載流程框圖

圖5 組合秤算法原理框圖

2.1 針對組合秤的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了組合秤的客戶端控制界面。在界面上，需要顯示出組合秤的秤頭數(shù)據(jù)，同時設(shè)計開始按鈕。需要記錄歷史數(shù)據(jù)并可以完成導(dǎo)出。完成功能可以將歷史數(shù)據(jù)按照秤頭數(shù)順序記錄在文本文件中，方便進行查看。在組合秤客戶端的算法設(shè)計上，需要通過數(shù)據(jù)接口獲取秤頭數(shù)據(jù)，以使用的八個秤頭的組合秤為例，需要比較從中挑選一個到八個數(shù)據(jù)的組合完成最佳組合的選擇，完成選擇之后通過與客戶端連接的接口實現(xiàn)對設(shè)備的控制。以完成三個數(shù)據(jù)的組合為例，其算法框圖如圖5所示。

圖6 示波器客戶端操作算法流程

2.2 針對示波器的軟件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計了不同設(shè)備的切換，可以選擇使用示波器設(shè)備。通過QT的Painter，可以實現(xiàn)在界面上的繪圖，對于下位機設(shè)備的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)之后進行顯示和計算。在示波器應(yīng)用中，客戶端首先需要同步設(shè)備的信心配置以便后期的計算。界面上留出虛擬旋轉(zhuǎn)按鈕可以調(diào)整下位機設(shè)備的垂直和水平，客戶端的設(shè)置之后通過數(shù)據(jù)接口同步到下位機設(shè)備。其流程如圖6所示。

3 系統(tǒng)測試驗證

本系統(tǒng)需要完成口袋實驗室客戶端的功能，需要測試其正常功能。

3.1 設(shè)備的添加和控制界面的打開

首先在客戶端的設(shè)備列表管理界面點添加按鈕，完成設(shè)備信心的填寫和選擇后點擊OK，可以看到在數(shù)據(jù)目錄下已經(jīng)建立了一個后綴為.db的文件。使用SQLiteStudio打開該文件，可以看到表已經(jīng)建立，可以查看device表內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)容，如圖7所示。

在設(shè)備列表界面，任意點擊已經(jīng)添加的設(shè)備，檢查控制界面是否為對應(yīng)設(shè)備的界面。測試結(jié)果表明，設(shè)備的添加和設(shè)備對應(yīng)的控制界面的啟用可靠。

3.2 客戶端設(shè)備功能使用測試

在現(xiàn)有的設(shè)備基礎(chǔ)上，通過添加設(shè)備功能分別添加示波器和組合秤設(shè)備，分別選用串口和WLAN通信。

圖7 數(shù)據(jù)庫內(nèi)容測試

圖8 設(shè)備一功能測試

通過檢查數(shù)據(jù)是否正常接收以及是否為正確數(shù)據(jù)來檢驗程序能夠完整無誤接收數(shù)據(jù)。設(shè)備測試圖如圖8所示。

通過與實際數(shù)據(jù)的對比，結(jié)果表明客戶端完成了數(shù)據(jù)接收和處理的功能。

結(jié)論：本文設(shè)計實現(xiàn)了通用的口袋實驗室客戶端，并對現(xiàn)有的設(shè)備完成了多次測試，測試結(jié)果滿足設(shè)計要求?？蛻舳俗幽K能實現(xiàn)處理通過UART、WLAN傳輸?shù)膶嶒灁?shù)據(jù)，能夠節(jié)省成本，且方便實時的得到數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，提升了實驗效率。多設(shè)備的分類管理以及通過本地數(shù)據(jù)存儲實驗數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)備份和后續(xù)回看對比。同時系統(tǒng)兼容Window、Linux甚至Android手機端，可以實現(xiàn)跨平臺的開發(fā)，且具有很好的穩(wěn)定性。為后續(xù)口袋實驗室整體的進一步完善提供了很好的參考。