摘 要

随着光电产业的发展与工业测试不断优化，行业对测试界面的美观以及性能提出了更高的要求。为了优化光电仪表系统性能,提高系统智能化、人机交互界面友好度,目前光电测试仪表的下位机控制系统多为基于嵌入式系统，该系统以Linux操作系统为软件平台,因此配套使用的软件界面同样也需要是基于Linux系统,并采用满足系统硬件特殊要求的Qt来开发仪表界面。Qt是嵌入式GUI的优秀代表，是Qt公司在90年代出开发一应用程序开发/运行框架，采用面向对象的编程技术，可以开发出独立于平台的应用程序。经过将近三十年发展完善，Qt在不同行业都大放异彩。

本文采用基于Linux的Qt程序设计方法，关注在光电仪表行业领域下的技术用途。以Qt Charts作为仪表界面数据曲线显示的核心，通过串口通信方法获取模拟采集的数据,并实时不断更新采集数据，实现了动态显示。为了更详细观察曲线，不仅可以使用按钮暂停动态更新，还可以使用鼠标移动至曲线上，就会显示出具体数据值。为了实现记录功能本次设计中，双击曲线中的某一点就会在下方记录表哥中记录下包括产品型号、操作人员、时间以及各项数据在内的表格。本论文的主要内容均以此为中心开展，在参考国内外最新研究动态基础上，完善我的设计。最终，完成整个的研究任务。

关键词：嵌入式Linux 操作系统，Qt，光电仪表界面

Abstract

With the development trend of the optoelectronic industry and the continuous optimization of industrial testing,the industry has put forward higher requirements for the aesthetics and performance of the test interface. In order to optimize the performance ofthe photoelectric instrument system and improve the system intelligence and human-computerinteraction interface friendliness,the lower-level machine control system of the photoelectric test instrument is mostly based on the embedded system. The system uses the Linux operating system as the software platform, so the supporting software is used.The interfacealso needs to be based on a Linux system,and Qt is used to meet the special requirementsof the system hardware to develop the instrument interface.Qt is an excellent representative of embedded GUI. Qt developed an application development/operation framework in the 1990s. It uses object-oriented programming technology to develop platform-independent applications. After nearly 30 years of development and improvement, Qt has shined in different industries.

This paper adopts the Linux-based Qt programming method and focuses on the technical use in the field of photoelectric instrument industry. Qt Charts is used as the core of the instrument interface data curve display. The data collected by the analog communication is obtained through the serial communication method, and the collected data is continuously updated in real time to realize dynamic display. In order to view the curve in more detail, you can not only use the button to pause the dynamic update, but also use the mouse to move to the curve,and the specific data value will be displayed. In order to realize the recording function, in this design, double-clicking on a point in the curve will record the form including the product model, operator, time and various data in the cousin below. The main content of this paper is For the center, based on the latest research dynamics at home and abroad, improve my design. In the end, the entire research task is completed.

Keywords: embedded Linux operating system, Qt photoelectric instrument interface

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 光电仪表应用 3

1.3.1 半导体激光器 3

1.3.2 半导体激光器特性参数测试 4

1.4 论文主要研究内容 5

第2章 仪表界面设计软件平台 6

2.1 嵌入式Linux操作系统 6

2.1.1 嵌入式操作系统Linux 6

2.1.2 Linux版本特行分析 7

2.2 嵌入式Linux的GUI工具 8

2.2.1 GUI工具 9

2.2.2 Qt特性分析 10

2.3 本章小结 12

第3章 仪表界面设计需求分析 13

3.1 功能需求分析 13

3.1.1 用户需求分析 13

3.1.2 登陆模块需求分析 14

3.1.3 仪表界面需求分析 15

3.2 非功能需求分析 15

3.2.1 系统需求分析 15

3.2.2 性能需求分析 15

3.3 本章小结 16

第4章 仪表界面设计关键技术 17

4.1 用户登录注册功能 17

4.2 曲线显示及实时更新 17

4. 3 曲线上的鼠标事件 18

4.4 表格记录实现 19

4.5 串口通信实现 19

4.6 本章小结 20

第5章 仪表界面设计总体实现 21

5.1 任务整体实现 21

5.2 整体设计流程 21

5.3 本章小结 23

第6章 总结与展望 24

6.1 总结 24

6.2 展望 24

参考文献 26

致谢 28

绪论

课题研究的背景及意义

随着技术的发展，嵌入式系统的性能更加强大，稳定性更好，应用范围更广，嵌入式设备产品的成本也越来越低。应用的范围也越来越广泛，无论在生活、生产还是管理上都有嵌入式系统的身影。当前市场流行的嵌入式产品中，绝大部分搭载的操作系统是Linux，或者以Linux为基础的二次开发的操作系统（比如Android），Linux在不同的领域取得了广泛的认可，在这样的辉煌成就的背后，是其在市场上展现出的无法比拟的优势。与其它嵌入式操作系统相比，它可以在官网上完全免费的获得所有内核源代码，全世界自由软件开发者和设备厂家共同推动嵌入式Linux的发展。原始Linux的优良特性完美在嵌入式Linux保留下来，安全稳定、体积小、可“量体裁衣”根据需要定制，嵌入式Linux适用于各种CPU和硬件平台，同时，Linux与生俱来的优秀血统为其在物联时代的发展打下良好基础。

有些应用场合要求嵌入式系统有良好的人机交互，由此催生了基于嵌入式系统的图形用户界面(GUI, Graphical User Interface)技术。在所有的Linux GUI工具中，Qt是其中的优秀代表，有着广泛的应用,经过不断的成长完善，如今已经得到全世界开发人员的认可，收获了一大批支持者和开发者。Qt/E全称是Qt/ Embedded，是Qt专门针对嵌入式（Linux）系统的版本，Qt/ Embedded 的API是基于面向对象技术的。在界面程序创建上,使用与Qt相同的编程语言，无需重新掌握新的编程语言，也无需为了编程专门购买新的设备，只需要一次编写嵌入式应用程序,然后目标平台重新使用相应开发软件编译即可。

嵌入式系统的发展及应用范围的随着时代的发展不断增大，人们对嵌入式系统的要求也越来越高，不仅需要完善的功能支持，还要有友好的界面显示。嵌入式系统基本GUI要求包括、界面简洁易操作、体积小、运行时所需要较少的资源、反应快速、高可靠性以及与硬件无关可移植等，对嵌入式人机交互界面的设计是整个开发过程中必不可少的环节。友好的人机界面往往决定了嵌入式产品能否成功打入市场，因此图形用户界面的开发是产品开发过程中最耗时的工作。

成熟的嵌入式软硬件平的裁剪性和可移植性为设计者开发提供了良好的系统平台。同时以Qt/Embedded为嵌入式台的应用，带动了相关产业的发展，其中仪器仪表行业从中获益颇多，仪器仪表可以采用计算机设计图形用户界面。通常的计算机系统都会携带GUI工具，计算机强大的运算处理能力，不仅能够提高数据处理及图形显示的速度，而且，采用计算机设计能多次调试，降低成本。同时其丰富的应用函数接口及便利高效开发环境能够使设计者有更多时间关注与程序功模块，保证软件的可靠性和竞争力[^[1]]。

在现代工业生产中,经常要进行光电检测,并根据得到的数据对器件性能进行分析。整体上的工作量比较大,仅仅通过一两项技术和设备,根本无法较好的完成,但如果是多项技术和设备联用,又会在客观上增加时间与精力,对于工作人员来讲,并不是最好的选择。经过长时间的讨论与研究,认为选择“基于Linux的Qt技术”,能够完成较多的工作,并且可以实现仪器的模拟工作,贴合现实工作,减少工作量的同时,还能搜集到较多的数据和信息,以此来促使现代工业生产的全面进步。基于Linux的Qt技术是现代计算机技术和图形界面技术深层次结合的产物，不仅拥有现有计算机的强大的计算能力，在具有传统仪器功能的同时，还具备传统仪器无法比拟的智能化和良好的可拓展性[^[2]]。基于嵌入式 Linux 和 Qt/E 的光电仪表是一种充分应用后PC时代嵌入式技术设计的光电仪表，拥有许多的优点，例如生命周期较长、可靠安全、界面友好、反应速度快、多用途可拓展性好等，在仪器仪表领域与传统仪表相比更加有竞争力，发展前景广阔，是一种替代传统仪表的理想选择。

国内外研究现状

目前GUI工具没有在原始的Linux 系统中集成，这对用户操作造成了不少困难。为了解决客户的问题，GUI开发工具在之后的更新中加入到Linux系统中，使操作能够用图形界面形式呈现，与其他显示输入设备配合，可以实现更加直观、方便、易于掌握的能够的操作更方式。

世界上的软件公司开发出了不下数百种的图形用户界面开发环境，比较主流的Nano-X，Qt，OpenGUI和MiniGUI这四款。Nano-X的优点包括:Nano-X的服务器端程序将会一直等待直到收到完整的请求包。这使服务器代码非常简单，运行的速度仍非常快。而且Nano-X占用资源少。但它的缺点也非常明显，例如缺乏完善的联网功能，缺少软件应用适配，文档支持较少等。Open GUI在基于x86平台的操作系统使用较多，但想要移植到其它平台比较困难，当前发展比较缓慢，它的优点是底层采用汇编语言，直接面向处理器，操作对象直接是寄存器或存储器，这样就能大幅提高编译速度，但它的可配 置性和定制性较差。MiniGUI并不是完全开源，所以只适用于特定场合。而Qt开发工具免费提供图形库，这些图形库种类丰富并且是完全开放源码的。众多开发商在不断开发Qt产品过程中不断发现问题解决问题，完善这Qt的API函数。这就使得Qt具有的移植性强、可靠性高、可拓展性强的优点。

近年来,随着嵌入式产品市场的发展壮大，嵌入式GUI也得到了迅速发展, 但多功能、易操作、稳定可靠的GUI仍是嵌入式系统的追求目标[^[3]]。Qt/E不仅保留了Qt在通用系统的所有功能,而且其丰富的应用接口和面向对象的编程方式,使得进行相应的程序开发的更加简单,未来嵌入式系统GUI的发展方向一定是以Qt为主的。因此，此次本研究运用 Qt 开发一个光电仪表的图形用户界面。下图为一款激光器测量光谱界面。

图 1.1激光器光谱测量系统界面

光电仪表应用

半导体激光器

在光电检测中，光源是实现光电转换的器件，发光器件经过驱动电路驱动，稳定发光。光源在光电进检测技术中拥有重要的地位。

光电检测使用光源要注意如下几个方面:第一，使用激光光源时要注意激光的模态，只有选择合适的模态才能在激光器谐振腔内产生稳定震动，输出稳定光源。第二，所有光源都应该选择合适的功率，功率太小，光源没有足够的强度，功率过大造成能耗过大甚至损坏光电检测电路。第三，选择的光源无故障寿命和有效寿命应符合要求。第四，光源的功率谱分布，光谱功率分布的峰值波长与光电器件灵敏波长一致，这样才能有效提高光电转换效率。第五，光源能耗不宜过高，光源的体积、重量要控制在一定范围内。

作为光源，激光有着许多的优点，因为它的相干性好，所以可以用作相干光源，因为优秀的方向性，长距离传播方向偏移小，因此它也是直准光源的不错的选择，而其，激光器的能量大、光强高、抗干扰能力强、空气中传播衰减小相对较小，是远距离测量的理想光源。常见的激光光源有半导体激光二极管(LD，又称半导体激光器)、半导体发光二极管(LED)、固体激光器和气体激光器等。

图 1.2 100mW激光器

半导体激光器特性参数测试

半导体激光器的测试，主要有几个重要参数需要测量，可以使用ILX系统等具备PIV测试功能的系统测试主要包括阈值电流Ith、背光电流Im、输出功率Po串联电阻等。除上述特性参数之外，有时也把半导体激光器的工作电压、工作温度等列入特性参数。

P-I-V测试是测试半导体激光器的性能的重要方式，它能够反应出激光器的多项性能参数。阈值电流是激光器开始发光的时候的正向驱动电流，一个良好的激光器，阈值电流应该尽可能小，这样发光会更加简单，同样开始发光时对应输出光功率值也应该尽可能小，P-I曲线平滑，这样的激光器稳定电流小，可靠性大大提高，同时激光损耗小。对于P-I曲线的斜率代表着随着驱动电流增加输出光功率增加的效率。我们希望缓慢的增加驱动电流，但同时能够获得快速增加的光功率，但不宜过大，那样驱动电路承受的压力太大，不利于激光器的稳定，如果斜率太小，则会出现光电转换效率低下的状况。

论文主要研究内容

本课题主要针对光电产业发展对仪器仪表需求，在Linux嵌入式操作系统Ubantu18.0上，采用 Qt 开发框架，研究设计一款GUI 界面，窗口中包含对激光光信号参数的显示、记录等功能。

本论文就仪表的数据刷新、界面效果、信号记录等问题进行展开研究。具体的内容安排如下：

第 1 章主要讲述课题的研究目的及意义、国内外相关研究的最新发展动态、并对论文的研究方法和相关理论进行了介绍。还有半导体激光器相关知识以及半导体激光器主要参数及其意义，为之后设计一个基于激光器PIV测试仪表界面提供测试方法和依据

第 2 章由于考虑的光电仪表是一种嵌入式设备，不同的嵌入式操作系统有不同的特性，在这一章比较各种嵌入式操作系统的后，最终选择 Linux 作为光电仪表的软件平台。并简述目前市面上主流GUI 工具，并且分析比较各自的特点，最终考虑到Qt作为界面开发工具的优势，能够满足我们需求。

第 3 章对设计任务的主要需求进行了详尽分析，包括功能需求和非功能需求。

第 4 章完成了系统的总体设计并分析相关键技术。

第 5 章在完成整个设计工作后对此次设计进行总结，并对未来设计进一步发展进步做出了展望。

仪表界面设计软件平台

嵌入式Linux操作系统

随着微电子技术和信息技术的不断发展，电子产业有了更广阔的发展空间，以微处理器为核心的产品的功能日益强大、集成的模块也越来越多，个单独的芯片就可以完成以往一整套计算机的功能(SOC, SystemOn Chip,片上系统)。计算机技术的这些特点以及其智能化引起了控制专业人士的兴趣，研究将计算机系统嵌入到其他设备或机器中，实现机械或设备的智能化、自动化。例如，将微型化的计算机系统安装到大型机械中以实现自动运作和机械状态监控。这样，计算机系统将以另外的形态实现与常规计算机不同功能。嵌入式计算机系统，顾名思义，就是嵌入到其他设备或机器中实现设备或机器自动化控制和智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统，简款嵌入式系统[^[4]]。

嵌入式操作系统Linux

从上世纪80年代开始，嵌入式计算机系统就有了操作系统的支持，国际上些IT组织和公司开始进行嵌人式操作系统的研发。经过多年的发展，涌现了一批z著名的嵌人式操作系统。其中，现在应用中比较主流也比较有代表性的有Windows CE、VxWorks、eCos、μC/OS-Ⅱ、QNX、Linux等^[5]。

得益于Linux的完全开放源码，遵循POSIX标准的特点和类UNIX的设计思想，以及网络社团推动的发展方式，近年来嵌入式Linux已经成为最重要的嵌入式操作系统。与其他操作系统相比，Linux的源代码是完全开放的，全世界自由软件开发者和设备厂家共同推动嵌入式Linux的发展。嵌入式Linux继承了Linux的特点，内核稳定、占用空间小，定制化高。正逐渐成为嵌入式操作系统中的新贵。近年来风头正劲的完全图形化人机接口的嵌入式系统Android,实际上也算半个嵌入式Linux，Google以Linux内核为内核，增加图形接口、应用的运行库和运行环境等元素形成了Android。由于Linux系统完全的开源，使得开发者在其基础之上进行再次开发变得非常容易。而且几乎能够适配所有流行的CPU上。这些都进步促进了Linux的应用。

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