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基於（yú）Qt的數控係統測試軟件的設計與實現

2018-4-3 來源：轉載作者：吳純贇栗（lì）勇杜少華葛小川

摘要:數控係統的測試相比較一般的係統更加複雜，以往的測試工具存在測試過程複雜、測試效率低下、可移植性差、用戶交互不理想等缺點。在研究了（le）Linux驅（qū）動及Qt技術的基礎下設計並實現了藍天數控係統的測試驅動（dòng）程序以及基於Qt的測試應用（yòng）軟件，完成對數控係統I0, DA,鍵盤操作站等的測試。軟件具有較（jiào）高的移植性，可以運行在不同平台上，測試人員可以自主選擇（zé）測試的項（xiàng）目與過程，提高了測（cè）試效率，簡化了測試過程，縮短了測試（shì）時間。測試（shì）軟（ruǎn）件在（zài）生產車間中投入使用，有（yǒu）效地保障了數控係統的可靠性（xìng）。

關鍵詞:數控係統;軟件測試;Qt技術

0、引言

數控技術是工業化過（guò）程中發展國家高新（xīn）技術產業和尖端工業的重要一環，也是先進（jìn）製造（zào）技（jì）術的核心研究內容。數控係統測試軟件為（wéi）工業生產提供（gòng）了有效保障，目前我國的（de）數控測試軟件主（zhǔ）要采用基於c語言的命（mìng）令行模式，雖然在功能上能覆蓋常用的模塊，但存在可移植性差、用戶交互性弱、測試過程複雜等缺點（diǎn）。基於Qt的數控係統測試軟（ruǎn）件正是要解決以（yǐ）上問題，為測試人員提供一個操作簡便、可視化程度高、移植性好的測試環境。

在深入理解Linux內核以及Qt界麵、信號與槽機製的前提下，基於Qt的數（shù）控係統測試軟件重新設計了GJ303係統的測試3動程序，並且使用Qt的UI實現（xiàn）了可視化操作。軟件完成（chéng）了對IO,DA,鍵盤、操（cāo）作站等功能模塊的設計與（yǔ）實現，編譯後部署在藍大高精數控測試生產線上（shàng）進行實際測試，並（bìng）記錄測試時間和故（gù）障率，從而驗證（zhèng）測試軟件（jiàn）的可行性。

1、需求說明

GJ303是新一代開放式普及型數控係統，采用高（gāo）性（xìng）能工業（yè）級PC平（píng）台，在工業生產中已經有廣泛的（de）應用，生產車間（jiān）需要在數控係統（tǒng）出廠前對IO,DA,鍵盤操作站等進行測試，以確保軟硬件的正（zhèng）確性和穩定性（xìng），為工業生（shēng）產提供保障。

對於IO部分，需要GJ303係統與外接板連接，通過測試程序對（duì）IO讀寫信號進行測試（shì）;DA部（bù）分需要程序對DA輸出值進行測試;鍵盤和操作站部分需要通過程序（xù）對數控係統鍵盤（pán）鍵位的有（yǒu）效性及操作站控製的（de）有效性等進行測試。

從上述可以看出數控係統的測試存（cún）在步驟多、測試過程（chéng）繁瑣、測試過程（chéng）掌控不到位等問題。在此背景下（xià），結合當前數控封裝測（cè）試車間的實際應用場（chǎng）景，采用Qt技術j實（shí）現功能完備、測試過程簡單高效、移植性強、可視化程度高的數控係統測試軟件。

2、測試軟件（jiàn）驅動的設計與實現

測試軟件需要對數控係統的硬件資源進行操控（kòng），所以底層需要一套專門的驅動來配合上層的Qt程序。藍大數（shù）控係統內核（hé）是基於Linux 2. 6係統，測試馭（yù）動程序符合一般Linu、字符馭動程序開發的流程（chéng）。在整個數控係統測試軟件中，驅動（dòng）程序扮（bàn）演著承（chéng）上啟下的作用。

在Linux2. 6內（nèi）核（hé）中，使用（yòng）cdev結構體描（miáo）述一個字符設（shè）備，cdev結構體的定義描述如下:

cedv結構體的dev_t成員（yuán）定義了設備號，為32位，其中12位（wèi）主設備號，20位次設備號。使用下列宏可以獲（huò）得（dé）主設備號和次設（shè）備（bèi）號:

MAJOR (dev_ t dev)

MINOR (dev_ t dev)

使用下列宏可以通過主設備號和次設備號生成dev_t:

MKDEV (int major int minor)

文件操作file operations是（shì）程序操作設（shè）備的主要（yào）結構，它的成員在應用層中以open ( ) ，write ( ) ， read()，close ()等係統調用來體現。以上操作在測試軟件中需要進行自定義，以read函數為例，GJ303係統中需要先設置偏移找到讀取的起始位置（zhì），再根據傳（chuán）入的讀取範圍分配內核空間（jiān）內存，最後調用（yòng）_copy_ to_ user函數將需要的數據從內核（hé）空間拷貝到用戶空間。write函數操作過程類（lèi）似，隻是拷貝數據（jù）的（de）方向相反。

上層的應用程序在測試過程（chéng）中（zhōng）需要對機床的各（gè）個功能硬件進行（háng）命令的（de）收發，通過以上馭動程序的調用就可以高效（xiào）便捷地進行交互。

3、測試軟件應用層的設計與實現

3.1 總體架構（gòu）設計

測試（shì）軟件從結構上分成二層，如圖（tú）1所示，用戶界麵采用Qt技術實現，底層調用馭動測試程序。驅動程序直接解（jiě）析用戶界而傳來的測試命令，數控硬件係統根據（jù）馭動（dòng）程序進行相應的操作完成測試。

圖1 係統整體結（jié）構

Qt具有（yǒu）跨平台以及界（jiè）而美觀等優點，且在嵌入式領域已經有（yǒu）廣泛地應用（yòng），所以（yǐ）本（běn）軟件的用戶交互界麵全部由Qt來實現。應用（yòng）層的開發在搭載（zǎi）Ubuntu 14. 04的PC下（xià）完成，測試與部署則在藍大數控（kòng）GJ303係統上進行（háng）。上圖中數控係統部分實際還需要用（yòng）到I0, DA的外接測試（shì）板以及外置手輪。

3. 2 事件處理機（jī）製

由於（yú）以往的藍大數控係統測試工具都是基於C語言的命令行格式，測試人員即便測（cè）試某個（gè）小功能也要掌握（wò）所有的命令選項，一步步地進入到測（cè）試點。這（zhè）不僅造成測試過程複雜，還容易（yì）出錯。傳統的程序界而跳轉采用順序馭（yù）動，導致邏輯複雜，跳轉（zhuǎn）代碼與業務代碼摻雜在一起，結構混亂，不利於軟件的功能擴展及移植。

軟件使用Qt實現事件馭動機製，並抽取（qǔ）測試人員常（cháng）用的測試選項於頁而供直接使用，很好地解決了以上問題。測試軟件的測試（shì）組件由按鈕和（hé）命（mìng）令行組成。按鈕是由事（shì）件馭動的測試路徑，需要通過數控係（xì）統自帶（dài）的鍵盤綁定相應的事件;命令行則是快捷測試路徑的入口，需（xū）要綁（bǎng）定並解析相應鍵盤輸入的字符串。為了讓軟件更好地支持與底（dǐ）層硬件通信，提（tí）高測試效率，以上測試路徑采用異步的事件通（tōng）知。異步意味著當主線程接受完一個信號後可以繼續處理業務邏輯，不必等待，當調（diào）用QApplication : : exec時，就（jiù）進入了事件循環隊列。對於按鈕和命令，自定義的事件主要對QKeyEvent進行封（fēng）裝，隻需對不同（tóng）的事件源進行判斷就可以滿足動（dòng）態需求。測試人（rén）員在（zài）對某個功能進行（háng）測試時，其輸入將被包裝成一個事件源。如（rú）果是（shì）簡單的鍵（jiàn）盤事件，將調用Qt自帶（dài）的事件處理器，但當要輸入命令時，就先由事件（jiàn）分發器捕獲回這次命令事件，然後判斷是否自定義的事件，若是則分發器（qì）查找對應的（de）自定義事件處理器（qì），並觸發相（xiàng）應的操作（zuò），具體流程如圖2所示（shì）。為了便於管理眾多的按鈕與命令輸入框，也為了統一結果顯示（shì）頁而，軟（ruǎn）件（jiàn）還擴展了Qt的部分控件:

(1) 狀態控製方法，由於不同控件有各（gè）自的布局及大小管理方法，使（shǐ）用時十分不便，本軟（ruǎn）件設計的voidset-eometry (int ， int ， int ， int)成員方法可以統一設置所以控件的大小及位置，前兩個參數表示（shì）起點位置，後兩個參數表示長度和寬度;

(2) 字體設置方法，為了使界而（ér）支持各種編碼的字符（fú），設計了QString to -Chinese (const char* str，constchar* code)方法，內部使用了（le）QTextCodec字符編碼器將傳入的信息提示字符串str轉變（biàn）為code指（zhǐ）定（dìng）的編碼，使得軟件支持國際化。

基於異步的事件處理機製對（duì）數控測試軟件的各個功（gōng）能模塊進行（háng）了解耦，不同模塊（kuài）間形成（chéng）了責任鏈模式，在提高性能的同時也增加了擴展性。

圖2 自（zì）定義事件處理機製

3. 3 IO與DA測試的設計與（yǔ）實現

IO與（yǔ）DA是數控係統的基礎（chǔ），是數控係統（tǒng）機床控製係統的重要組（zǔ）成部分，因此對這兩部分的（de）測（cè）試就尤（yóu）為重要。GJ303數控係統的IO模式（shì）是48IN320UT以及32IN240UT，測試（shì）時需要考慮多種輸入輸出的情（qíng）況。

IO測試模塊程序流程如圖3所示，以48IN320UT輸出測（cè）試為例，犯個比特（tè）要每隔is輸出一位，要控製時間間隔（gé）便要使用Qt定時器來完成任務。該功能模塊的實現方法定義: void IO_ outport (int offset ， int st ， un-signed int word)，該方法內（nèi）部實現需要使用上文的（de）驅動程序，即調用writ。係統調用（yòng），該（gāi）係統調（diào）用將向操作（zuò）係統內核傳遞IO輸出數據。

DA的測試需要提供一組待測電壓（yā）以及一（yī）組與之對應的地址。軟件中封（fēng）裝了void DA outport (int st int chunsigned int word)方法，word參數就是要測試的DA地址值，前（qián）而兩個參數是狀態（tài）控製參數。為了可（kě）擴（kuò）展性，測試的地址岡值可以由（yóu）測試人員自行輸入，軟件後台會（huì）將最近的一次設定值保存在數組中，並寫入配置文件刷（shuā）新到磁（cí）盤上。測試開始時軟件會根據最終的地址傳入上述方（fāng）法，底層使用係統調（diào）用傳遞給數控係統（tǒng）。

圖（tú）3 IO測試流程

3. 4 鍵盤測試的設計與實現

數控係（xì）統的鍵盤是其在工業生產環境（jìng）中最常用的外設，操作人員（yuán）絕大部分操作及維護都是通過它來完成的，因此對鍵盤的測試尤為重要。GJ303數控係統的鍵（jiàn）盤和普通PC機的鍵位基（jī）木相同，但多了幾個係統鍵。該部分測試的主要思想是利用Qt的鍵盤事（shì）件。當在主界而按下代表鍵盤測試的按鈕後，整個鍵盤進入測試模式，測試（shì）人員之後按下（xià）的（de）每個鍵都會在軟件（jiàn）的界麵上進行回（huí）顯，直（zhí）到連按2次ESC鍵後（hòu）退出測試。

進（jìn）入鍵盤測試後就觸發（fā）了事件源，事件（jiàn）分發器捕獲事件（jiàn）源並判斷自定義事件。軟件中（zhōng）對（duì）該功能的自定義（yì）事件改變了QKeyEvent原來的（de）傳播行為，將輸出重定向至內存中（zhōng），再在界而上輸出。隻要生產時鍵盤焊接等工藝沒有發生錯誤，測試（shì）時鍵盤（pán）的事件源就會被準確地（dì）捕獲（huò），一次典型的捕獲（huò）過程如圖4所示。

圖4 鍵盤測試流（liú）程

3. 5 操作站測試（shì）的設計與實現

操作站是鍵（jiàn）盤的延伸，是數控係統對機床進行控（kòng）製的操作而板，可以控製數控運行過程（chéng）中主軸的轉動方向、液壓係統、照明等，圖5是GJ303係統配（pèi）套的（de）操作站。

圖5 操作站

對操作站（zhàn）的（de）測試不同於鍵盤，因為它是數控係統（tǒng）獨有的，Qt的事件並不（bú）支持。軟件中采用的方（fāng）法是（shì）對操作（zuò）站的鍵位進（jìn）行（háng）轉換，然後用類似於（yú）鍵盤的測（cè）試方法在主界麵上回顯按下的鍵（jiàn）位。

對於數控係統底層馭動來講，操作站的每個鍵位都對應著IO的某個地（dì）址，地址的格式是8位的無符號整數。在軟（ruǎn）件中為了簡（jiǎn）潔使用unsigned char ch_pre變量表示，整個轉換的過程使用void mopValueToText(unsigned char ch_pre， unsigned char ch_rev，char*str)這個方法來完成，轉換過程如圖（tú）6所示。

圖6 操作站轉（zhuǎn）換過程

接（jiē）下去的操作是分發器調用以上轉（zhuǎn）換方法，而非某個自定義事件。轉換（huàn）方法的核心部分是將IO地址一一轉換（huàn）成中文或其他語言（yán），代碼片段如下:

case 0x81 : sprintf (str， " % s"，”進給修調（diào）0%”);

0x81就（jiù）是（shì）IO地（dì）址“進給修調”是需要（yào）在主界而上顯示（shì）的表述。

4、測試（shì）結果

測試軟件通過交叉編譯後部署在（zài）測試車間的GJ303數控係統上供測試人員使用。針（zhēn）對3個月的車間平均測試統計，結果如表1所示。

表1 GJ303數控係統測試時間比較

表1中（zhōng）數據是部署後車間流水線上每台數控係統各個項目的平均測試時間（jiān），是經過（guò）長時間累計測試得出（chū）的。從中可以看出4個項目測試時間都有較大的縮短，使得測試效率得到提高。對於出廠數控係統的故障率和返（fǎn）修率也進行了統計，如表2所示。

表2 GJ303數控係統故障率比較

從表2可（kě）以看出在使用新（xīn）的測試軟件（jiàn）後平均故障率大幅卜降，給生產帶來了較大的保障，提高了產品（pǐn）的經濟效（xiào）益。

5、結論與展望

基於Qt的GJ303數控係統測試軟件完成了對I0,DA,鍵盤與工作站的測試，並且在藍大數控測試（shì）生（shēng）產線上進行了部署。經過長期運（yùn）行（háng）證明了該軟件測試係統的穩定性與高效性。軟件幫助測試（shì）人員建立了完善易用的人機交互界麵，對各個（gè）部分的（de）測試效率也有較大地（dì）提高。

由於軟件采用了Qt技術，因此（cǐ）其跨平台性也進一步得到了提高，目前已經針對GJ301,GJ302等藍天數控係統進行改造，是測試軟件能部署在更多的數控係統（tǒng）上，從而創（chuàng）造更（gèng）多的經濟效益。

未來的工作還要進一步擴展測（cè）試軟件的功能，例如編碼器、軸測試等，最終（zhōng）使軟件能夠適應更多的生產環境。

來源：中國科學（xué）院大學，中國（guó）科學院沈陽計算技術研究所高檔數控國家土程研究中心.沈（shěn）陽高精數控智能技術股份有限公司

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