組件化數據監顯軟件設計與實現

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(空間物理重點實驗室，北京 100076)

組件化數據監顯軟件設計與實現

王毅,趙俊翔,封慧英,薛凱

(空間物理重點實驗室，北京100076)

為滿足網絡數據在開發平臺上動態顯示，并允許在分布、異構的計算環境下穩定且靈活的運行等功能;本系統應用數據分發服務、組件化數據監顯技術，針對用戶不同的需求，完成界面顯示的設計;為用戶提供分層及微內核的軟件框架，使界面顯示與業務邏輯分開，降低系統耦合性；提高代碼重用性以及可維護性;在控件功能設計中采用工廠和反射設計模式，使系統有良好的擴展性，減少數據監視軟件的開發周期;本系統引入組件化程序設計思想，將復雜的工程分割成若干子模塊，實現了用戶在客戶端上進行信息顯示方式的配置;充分驗證了組件化框架在監顯系統中的優勢;提高系統的重用性、開放性、以及高可靠性。

數據分發服務；組件化；用戶定制；界面設計器；控件

0 引言

隨著航天飛行器快速發展，作為飛行器系統關鍵部分的軟件被寄予更多希望。然而，隨著航天型號任務增多，研發軟件規模越來越大，軟件開發過程也更為復雜，因此傳統軟件架構方法和設計模式已經不能滿足航天軟件在質量和進度上的高要求。

為解決面臨的問題，從傳統的組件化設計，到基于開發框架+組件的開發模式，再到最后引入中間件技術采用基于數據分發服務的組件化程序設計方法。

數據監顯軟件在引入中間件和組件化程序設計方法以后，應分布、異構的硬件環境變化要求，可允許兩個軟件組件進行跨進程、跨操作系統的通信，提升了分布式環境下數據監顯軟件的可擴展性、可重用性，從而提高整個飛行器軟件系統的研制效率和可靠性。

1 組件化應用程序框架

組件化數據監顯系統面向典型的網絡化測控環境，采用中間件+組件化框架，通過與本地服務器數據屬性庫的自動映射提供數據解析服務，為用戶提供個性化動態定制的試驗數據狀態查看功能，并方便用戶根據業務需求動態擴展。同時實現用戶在客戶端上進行信息顯示方式的配置，并且形成各客戶端的配置文件，以.XML文件形式進行保存。

組件化數據監顯系統利用分層架構模式，把各組件分成若干平行層次，每一層都代表特定功能(如展示邏輯或者業務邏輯)，典型的分層架構模式包括展示層、邏輯業務層、持久層和數據層。分層架構模式關系與功能的關系與功能如圖1所示。

圖1 分層架構模式的關系與功能

采用此種分層架構的特點是為了使組件間功能邏輯的分離。一個層中的組件只會處理本層的邏輯。然而，每一層又都是封閉的。每一層的輸入request必須一層一層的傳遞。從展示層傳遞來的請求首先會傳遞到業務層，然后傳遞到持久層，最后才傳遞到數據層。

分層架構模式滿足開發-封閉的設計原則，利用分層架構模式可以在組件化的開發過程中，僅關注本層組件的邏輯，同時利用數據分發中間件技術實現組件間的交互，從而提升應用程序架構可重用性和可擴展性。

2 組件化數據監顯系統設計

在組件化數據監顯系統中，系統為用戶提供個性化動態定制的試驗數據狀態查看功能，所以將數據傳輸分為服務端、客戶端以及通信接口3個部分。其中服務端安裝數據庫，保存測試數據的屬性信息以及客戶端數據監視軟件的用戶、人員權限及個性化配置。客戶端用于數據監視客戶端在數據監視軟件中用于接受和顯示數據中心發布的試驗信息、測試數據。組件化數據監顯軟件主要由控件庫模塊、控件管理模塊、用戶管理模塊3個部分組成，總體設計如圖2所示。

圖2 系統模塊圖

利用DDS數據分發服務器中間件技術，實現組件與組件的數據交互。在組件化數據監顯軟件中內部僅關注需要發布和訂閱的數據，而不關注數據的來源和去向。所有的數據集中在DCPS層的數據域中，并由通信中間件進行分發。在這種結構方式中，數據的流向以發布/訂閱關系而不是通信地址為標識，實現了底層網絡、組件之間的脫耦。通信地址的改變不會引起組件的任何變動，使得這種改變能夠在流程中實時進行。在組件間交互設計過程中，組件數目的減少將不會引起現有平臺的任何改變，組件數目的增加則只會引起需要對所增加組件發布的數據進行處理的服務和任務的更改。這種特性極大地提高了軟件系統的靈活性和可靠性。如下圖3組件間邏輯結構設計所示。

圖3 組件間的邏輯結構設計圖

2.1 基于數據分發服務軟件架構

組件化數據監顯軟件架構是一種基于DCPS的軟件系統架構。其由域、域參與者、數據寫者、數據讀者、發布者、訂閱者、主題幾種實體構成。軟件系統架構如下圖4所示。

圖4 基于DDS的軟件架構

在基于DDS的軟件架構中，數據在域內發送和接收，發布者和訂閱者分別用來管理單個或多重數據寫入和數據讀取。一對數據讀取者和數據寫入者必須擁有相同的主題，數據寫入者發布的數據才能被訂閱數據讀取者接收。

本文通過發布-訂閱機制，數據監顯軟件實現了應用程序與網絡拓撲解耦。應用程序中的數據產生者向DCPS注冊聲明為數據發布者，并聲明其生產的數據類型和主題號，把生產出的數據推送給通信中間件。數據接收方則聲明為訂閱者，描述其需要的數據類型與主題號。通信中間件之間根據雙方的數據類型與主題號來進行關聯，若匹配，則建立數據鏈路。通過這種發布-訂閱機制，通信中間件正確地把數據分發給所有的訂閱者。一個典型的數據傳輸過程有以下幾個步驟：

1)數據生產者注冊聲明為發布者，并聲明其生產的數據類型、主題和其所要求的服務策略；

2)數據接收方聲明為訂閱者，并聲明其需要的數據類型、主題和服務策略；

3)DCPS層根據雙方的數據類型、主題、服務策略進行關聯，若匹配，則建立數據鏈路；

4)數據生產者向中間件發布數據，通信中間件根據其服務策略向相應數據鏈路發送信息，訂閱者的通信中間件收到信息，并向數據接收方推送信息。

通過以上流程，數據監顯軟件架構實現了各個組件之間數據的正確、高效分發。

2.2 控件庫

控件庫模塊是整個數據監顯軟件用戶定制系統的核心部分，其利用基于DDS的分布式測控中間件獲取和解析信息，進行數據的顯示和按需定制，主要實現方式為控件動態顯示。此模塊包含兩類功能實現。其一控件產生類型模塊使用了一種“工廠模式”的設計方法來實現依據用戶需求產生對應類型的控件這一操作。工廠模式設計方法的意義是定義一個創建產品對象的工廠接口，將實際創建工作推遲到子類當中。核心工廠類將不再負責產品的創建，這樣核心類成為一個抽象工廠角色，僅負責具體工廠子類必須實現的接口。其在產生控件類型中引入工廠方法模式，涉及到抽象工廠角色、具體工廠角色、抽象產品角色以及具體產品角色等，其圖示例如圖5。

圖5 工廠方法模式類圖

2.3 控件管理

控件管理模塊是整個基于用戶定制界面設計器工程的管理部分，其中控件管理模塊功能設計如圖6所示。

圖6 控件管理模塊功能圖

基本管理子模塊提供了對用戶所使用的控件進行基本管理的功能，包括了對顯示窗口中添加新的控件，刪除顯示窗口中用戶所不需要的控件，復制、剪切并粘貼新的控件等。除此之外，用戶可以通過對顯示界面中功能控件進行鼠標右擊，在彈出的菜單中選擇屬性參數查詢與屬性參數配置修改實現對控件進行屬性參數配置查詢及修改的操作。

擴展管理模塊可以根據業務需要對圖元控件庫進行動態擴展，并提供標準接口和圖元擴展范例。用戶可以通過預留好的產生控件接口根據自身需求添加相應控件，同時刪除不需要的控件。擴展管理模塊還可以在多文檔視圖中，實現對不同文檔頁中的控件進行不同管理操作。對某一個文檔頁中用戶使用的控件進行相關管理操作時，并不會影響到其他文檔頁中所設計好的界面及相關信息內容的顯示。從而實現基于多文檔視圖顯示的界面定制設計的功能需求。

2.4 用戶管理

為實現用戶對整個軟件系統的管理功能，用戶管理的功能設計包括數據庫關聯子模塊和系統管理子模塊。用戶管理模塊的相關功能設計如圖7所示。

圖7 用戶管理模塊功能圖

數據庫關聯子模塊主要功能是每個用戶有自己相應的權限，對應生成的文件會保存在對應的數據庫當中。各用戶之間相互獨立，互不相干，數據之間也互不影響。從而保證各用戶的數據獨立性。當用戶根據需求拖拽不同控件完成界面設計后，可以將界面配置文件以XML格式進行保存，保存的界面配置文件將存儲到數據庫中。同時，用戶可以直接從數據庫對已保存的XML配置文件進行讀取打開。從而實現了用戶操作與數據庫相關數據的關聯。

系統管理子模塊實現了用戶管理員可以給不同的用戶動態的設置和修改不同的權限的功能，可以保證不同的用戶只能瀏覽自己相關的數據，包括管理數據庫，分配數據瀏覽終端的鏈接端口和顯示方式等。同時還可以進行客戶端配置文件管理以及集中定制。

3 系統實現與應用

3.1 系統實現

為了滿足動態數據顯示平臺用戶可定制的需求，將系統的實現分為3個狀態：定制態、配置態、運行態。定制態完成用戶按需定制控件以及設計顯示界面；配置態是系統進行數據源配置以及屬性配置時的狀態顯示，此狀態完成數據顯示前的一系列配置操作；而運行態則是系統進行動態顯示數據測控結果的狀態，在通過停止操作便可回到定制態和配置態。系統根據用戶需求在3個狀態下相互轉換，實現對數據的監視和測控。

本文所設計的圖元控件庫涵蓋了一系列的圖形樣式，包括單行/多行文本、表盤、LED進度條、指示燈、表格、曲線、分組框、標簽頁等。每一類型的控件都有其各自具體的設計，用來實現對應的功能，并通過這些豐富的圖形樣式控件來很好的滿足用戶按照不同的需求瀏覽相關信息的要求。控件樣式如圖8所示。

圖8 控件樣式圖

3.2 系統應用

在Windows和Linux環境下，用Qt開發出一個基于組件化的數據監顯系統，系統以界面顯示器的方式供用戶自定義設計界面，以控件的形式動態顯示數據。系統為用戶提供個性化動態定制試驗數據查看功能，操作靈活方便，運行穩定可靠，在數據顯示與監控試驗中有著較為廣泛的應用。組件化數據監顯軟件實現過程如下：

數據發布端發送以火箭發射記錄數據為主題的數據，完成測控系統中各分布式節點高效的數據交互功能。數據訂閱與顯示端(人機界面設計器)接收發布端發送的數據，經過分布式測控系統的數據解析后，界面設計器動態顯示出的火箭發射記錄數據。

數據訂閱與顯示端動態顯示經過解析后的數據，不同控件識別不同數據類型。在飛行器壓力狀態組合中，飛行器壓力由于其特定的數據結構，只能由指示燈控件識別與顯示；火箭發射過程超差數要求以數值形式呈現，以更加直觀表現出超差數值大小，LCD控件符合其數據結構用于顯示；曲線直觀對比出各組數據變化以及幾種測試之間參數要求。如圖9，界面設計器連接數據庫后，接收發布者發送的主題，解析各類型數據，以不同種類控件顯示不同類型信息，為火箭發射試驗提供依據。

圖9 系統運行界面圖

4 結論

組件化數據監顯軟件是基于Qt creator可視化編程平臺，滿足用戶不同的需求下的數據顯示與監控功能。使用基于數據分發服務的組件化程序設計思想提升了分布式環境下數據監顯軟件的可擴充性、可重用性，提高了系統的穩定性和可靠性，使系統模塊之間獨立性提高，減少開發周期。

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DesignandImplementationofComponentDataMonitoringSoftware

Wang Yi，Zhao Junxiang，Feng Huiying，Xue Kai

(Science and technology on space physics laboratory,Beijing 100076, China)

In order to meet the dynamic display of network data on the development platform, and to allow stable and flexible operation in distributed and heterogeneous computing environment, etc.. This system uses the modular data monitoring technology, and aims at the user's different requirements, and completes the design of the interface display. Provide users with the MVC framework to separate views from functionality, reduce coupling, and improve code reusability and maintainability. The factory model design is adopted in the design of control function, so that the system has good scalability and reduces the development cycle of data monitoring software. The system introduces the idea of component programming, divides complex engineering into several sub modules, and realizes the configuration of information display mode on the client. The advantages of component-based framework in monitoring system are fully verified. Improve system reusability, openness, and high reliability.

component; user customization; interface designer; controls

2017-08-31；

2017-10-11。

王 毅(1984-)，男，遼寧人，工學碩士，工程師，主要從事軟件系統設計、數據挖掘技術等方向的研究。

1671-4598(2017)11-0103-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.027

TH873.7

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