基于Qt数控系统的人机界面设计与研究
关键字：CNC系统；HMI；WinCE；Qt
摘要
随着数控系统人机界面需求的增长，本文建立和开发一种基于AM3352的数控系统的人机界面系统。本文介绍了WinCE系统、Qt语言的设计以及开发嵌入式数控系统人机界面的方法。人机界面的设计基于Qt平台及相关的应用，包括总体框架设计、g代码编辑器设计、研究文件管理器主要部分的设计和图形仿真。对于G02和G03图形仿真纸本文也提供了更详细的算法步骤。实验和测试结果表明，数控系统是能够满足人机交互和控制要求的系统。
引言
随着计算机技术的飞速发展，嵌入式技术如今已成为一种热门的新趋势。在嵌入式技术的发展下，作为一种具有工业控制功能的专用计算机系统，数控系统变得越来越复杂，并越来越向网络化、智能化和小型化方向发展。为了快速开发嵌入式数控系统控制程序，摆脱传统接口通用性差、稳定性差、软件开发生命周期短等缺点，人们开始研究基于嵌入式系统的人机界面。由于嵌入式操作系统需要跨平台开发语言，因此本文采用Qt跨平台开发语言作为开放式数控系统设计开发人机界面开发语言。开放式数控系统的发展对推动工业自动化的发展起着重要的作用。本文基于EPC-9200控制面板 WinCE嵌入式数控系统人机界面平台，采用Qt作为开发语言。
Qt引入和开发环境搭建
Qt介绍
Qt是由挪威TrollTech公司提供的跨平台C 图形用户界面库，Qt支持包括Linux在内的所有UNIX系统，当然也支持WinNT / WinCE，Win95 / 98平台。Qt基本上都有像Openwin，GTK，MFC，VCL，ATL这类东西，但Qt有以下优点：（1）良好的跨平台功能，（2）面向对象，（3）丰富的API，（4）支持2D / 3D图形的渲染，支持OpenGL（5）许多开发文档（6）支持XML。
开发环境搭建
基于WinCE开发需求的数控系统需要拥有基于WinCE系统的PC开发环境，即构建“VS Qt SDK”开发环境。具体的开发环境如下：硬件包括安装WIN7 PC机，预装Windows Embedded CE6.0 EPC-9200I-W工业控制面板软件，包括Visual Studio2008，WinCE6.0_Standard_SDK，Microsoft ActiveSync4.5。然后Qt4.8（更高版本或者只是需要更高版本的VS）配置VS2008编译好的类库，使得开发者可以在VS2008上开发Qt应用程序。环境搭建完成。
数控（CNC）系统
数控（CNC）系统功能需求
根据实际需要，构建了数控系统主界面的设计框图，如图1所示。数控主界面分为坐标、程序编辑、偏置设置、处理、监控、维护、诊断、参数设置、系统8个模块，这8个模块作为第一层。通过显示器下边缘的8个按钮来切换模块和命令。其中，坐标模块主要负责坐标切换，并拥有清除功能；程序编辑模块主要实现编辑处理程序、文件管理和图形模拟这部分的功能；部分复位设置模块主要有伪影坐标系统设置、道具设置、上刀的功能；处理监控模块主要用于图形模拟显示和处理记录，有清除时间累计、图形调整等功能；维护模块主要包括警报显示、网络设置和信息备份的功能；诊断模块主要是对运行的系统进行快速诊断，包括PLC状态、系统信息、共享信息、程序变量和操作记录；系统制造商和系统配置文件中引入了参数矩阵、应用参数、参数和补偿表数据系统模块等参数。
图1 CNC主接口图
表1 函数名
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功能1 |
函数名 |
功能2 |
函数名 |
hellip; |
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坐标 |
Coordinate() |
1 坐标开关 |
SwitchCoordinate() |
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2 清除相对坐标 |
ClearRelaCoordinate() |
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hellip; |
hellip; |
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程序编辑 |
ProgramEditor() |
1 文件管理 |
FileManagement() |
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2 图形模拟 |
SimulateGraph() |
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3 删除行 |
DeleteRow() |
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4 复制 |
Copy() |
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5 粘贴hellip; |
Paste()hellip; |
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偏置设置 |
SetOffset() |
1 工件坐标 |
WorkpieceCoordnate() |
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2 工具设置 |
SettingTool()hellip; |
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处理监视器 |
Coordinate() |
1 图形模拟显示 |
DisplayAnalogGraph() |
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2 MPI |
MPI() |
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3 处理设置 |
SetManuInformation() |
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4 处理记录 |
ProcessRecordForm() |
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5 表格hellip; |
hellip; |
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维护 |
Maintenance() |
1 报警显示 |
Alarm() |
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2 系统设置 |
SystemSettings() |
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3 数据备份 |
DataBackup() |
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诊断功能 |
DiagnosticFunction() |
1 PLC状态 |
PLCStatus() |
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2 共享数据 |
SharedData() |
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3 操作记录 |
OperationRecord() |
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参数设置 |
ParameterSetting() |
1 参数汇总表 |
ParameterSumTable() |
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2 应用参数 |
ApplicationPara()hellip; |
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系统 |
System() |
hellip; |
hellip; |
模块接口定义和通信机制
为了在后期开展合作与交流，本文按照一定的规则定义了模块的功能，如表1所示。定义好后，各个功能模块之间就可以直接通过类名或函数名进行调用，并可减少多人合作编程中命名不一致的问题。
Qt的信号和槽的之间的通信机制是通过“QPushButton”类实现的，跳转功能使用“click()”槽来实现。为了调整菜单，例如在头文件（MainWindow.h）的主窗口中包含坐标的模块头文件（coordinateialog.h），并在主窗口类中将坐标类（CoordinateDialog）定义为坐标对象（坐标），然后在主窗口内的一个源文件（MainWindow.cpp）中写入坐标菜单的按钮槽，当按下该按钮的坐标时，按下Groove功能的坐标按钮，显示主界面的坐标。时隙代码是“coordinate.showFullScreen()”，即全屏坐标对象。功能模块接口跳转等类似。
CNC接口设计和开发
框架设计
数控系统框架的人机界面如图2所示。主要分为四部分：警告栏、状态栏、工具栏和菜单栏。运行一个程序的状态栏，包括当前菜单的商标或标志，名称和位置，显示日期和时间；栏是显示的重点，用来显示当前的文件信息；包括数控系统运行状态和报警显示在内的报警列；菜单栏在类模块中提及。
图2 数控系统框架的人机界面
G代码编辑器设计
数控系统的界面设计的一个主要特征是程序编辑器，包括g代码编辑器，是界面设计的核心。为了更方便编辑，g代码编辑器将具有以下功能：编辑、自动完成和语法检测等功能特性，其工作流程如图3所示。通过键盘编辑继承的“QPlainTextEdit”类别进行编辑；自动完成功能，继承“QListWidget”类，通过查询库文件中的代码提示自动完成的相关功能；语法检测功能是使用正则表达式逐行检查g代码，使用“QRegExp”类完成编程。
图3 G代码编辑器工作流程
文件管理器设计
文件管理功能是指对文件进行一些基本操作，除了一些基本的新增功能，如复制，粘贴，打开，保存，另存为等外，还包括位置的选择，其中涉及内部和外部存储。内部存储，指的是文件存储在本地。外部存储，指的是文件存储外部存储设备，如外部USB闪存驱动器或便携式硬盘驱动器。以USB记忆棒为例，文件传送工作流程如图4所示。
图4 文件传递工作流程
图形仿真设计
Qt开发图形程序有很大的优势，因为“QPainter”类有很多绘图功能，包括直线、圆弧、圆形、矩形和其他基本功能。 数控程序代码的图形模拟为“G00”，“G01”，“G02”和“G03”。“G00”指定位，直接使用“moveTo()”功能; “G01”指直线插补，使用“lineTo()”可以直接完成; “G02”和“G03”是指圆弧插补顺时针和逆时针圆弧插补，使用绘制圆弧函数“arcTo(a)”实现，其具有三个参数：边界矩形“矩形”，起始角度“startAngle”，弧度“sweepLength” ，但是由于这个函数的参数不是根据实际情况来定，因而将直接在后面讨论。
圆弧插补算法如图5所示，将圆划分为8个部分，分别讨论了8个部分圆弧的角度和方向以及圆弧的位置。 编程基于已知起点和终点坐标的半径坐标，并找到三个参数“rectangle（矩形）”，“startAngle（起始角度）”和“sweepLength（扫描长度）”的变量值。 算法步骤如下：
（1）将起点坐标（x1，y1），终点坐标（x2，y2）以及获得的半径坐标（x0，y0），代入以下“rectangle”中计算。
QRectF rectangle(x0-r，y0-r，2 * r，2 * r);
- 根据公式（1），计算起点和中心的连线同水平线之间的夹角（锐角）“alpha;”，并进一步讨论“startAngle”的值是“180-alpha;”还是“alpha;”。
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（1） |
- 根据公式（2）求“sweepLength”。
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（2） |
- 根据所需的“arcTo (rectangle,startAngle,sweepLength)”绘制图形。
图5 弧分布
测试结果
整个系统的接口程序运行良好，因此每个小模块都可以构建单独的项目，然后在测试运行后整合到一个主要项目中。本文的分期包括g代码语法检查测试部分和ARC测试，测试结果如图6所示。如图所示，“＃300”非法变量语法测试问题框会弹出，显示变量无效后的第一行，更改后再测试问题消失，程序语法正确; 图中的弧线轨迹是用g代码的顺序绘制的，注意弧线测试程序的采用，只是圆弧的光滑度很大程度上需要加以改进。
图
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