嵌入式磨加工主动量仪软件系统设计本科论.doc

嵌入式磨加工主动量仪软件系统设计 姓名： 贾英锋 学号：20100130408 指导老师：张琳娜 学校：郑州大学 学院：机械工程学院时间：2014年6月5日摘要 随着工业技术现代化的不断发展，工业生产对设备的加工精度、加工效率和稳定性提出了更高的要求，磨削加工担负着零件精密表面的最终加工工序，其精度对机械产品的质量有着直接影响。传统的磨削加工中传统的磨加工过程中，往往采用加工后测量工件尺寸的方法，这样的开环控制方式往往会导致加工后的零件一致性差、废品率较高。主动测量是指在机械加工过程中，由测量装置始终测量着工件的尺寸并将其尺寸变化量随时传递给控制仪，控制仪发出信号控制机床的动作。采用主动测量进行磨加工可以提高生产效率、降低废品率、工件尺寸一致性较好。现有的磨加工主动测量仪能基本实现主动测量仪的功能，但是普遍存在精度较低、可视性较差等缺点。 本文为一种嵌入式磨加工主动测量仪软件系统设计，此软件系统由C#编程语言和SQLite数据库在Visual studio2008 环境下设计完成。 关键词：C#，Visual studio2008，SQLite数据库，嵌入式，磨加工主动测量仪Abstract With the continuous development of modern industrial technology, the industrial production of the machining accuracy, efficiency and stability of the equipment is put forward higher request, the grinding process for the final machining process on the surface of the precision part, its precision have a direct impact on the quality of mechanical products.The size of the workpiece are measured after processing in traditional process, which often leads in the poor consistency, higher scrap rate . In-process measurement means that in the machining process, by measuring device always measuring the size of workpiece and its size variation on to control instrument. Controlling instrument control the action of the machine tool. In-process measurement in grinding can improve the production efficiency, reduce scrap rate, workpiece size have good consistency. The existing grinding In-process measurement instrument can accomplish basic active measuring instrument function, but widespread low precision, visibility was lacking shortcomings.This paper designs a kind of new embedded Human-machine interface, which provided a friendly embedded human-machine interface for the grinding the initiative of the measurement system. The human-machine interface is designed by C#(C sharp) language and SQlite database under the Visual studio 2008 software.Keywords :C#, Visual studio2008, SQLite database，embedded,grinding, initiative of the measurement system.目录摘要IAbstract1目录2第一章 绪 论51.1课题的目的及研究意义51.2磨加工主动测量控制仪的国内外研究现状61.3课题来源71.4本课题研究的主要内容8第二章 磨加工主动量仪的工作原理及功能分析92.1磨加工主动测量仪的简介及其工作原理92.1.1 嵌入式系统92.1.2主动测量技术102.2磨加工主动量仪的主要结构及功能112.2.1磨加工主动测量仪的组成112.2.2 磨加工主动测量仪的工作原理122.2.3磨加工主动测量仪的主要功能132.2.4磨加工主动测量仪的特点13第三章 软件系统总体开发方案分析153.1 软件系统的功能介绍及设计需求153.2软件系统设计中的方案选择 163.2.1 C#编程语言简介163.2.2 Visual Studio2008软件开发环境介绍173.2.3 嵌入式Wince操作系统183.3软件系统中数据库的应用分析203.3.1软件系统设计中的嵌入式数据库203.3.2常用的嵌入式数据库的介绍213.3.3各数据库的对比及选择223.3.4 用C#编程语言对SQLite数据库的操作233.4 本章小结25第四章 软件系统总体方案设计264.1软件系统设计原则及思路264.1.1 设计原则264.1.2设计思路274.2 软件系统中人机交互界面的框架构建 274.3 软件系统中各模块的设计304.3.1测量模块304.3.2设置模块314.3.3调整模块364.4全局设计384.5 本章小结39第五章 结论与展望405.1论文工作总结405.2 展望41致谢42参考文献43第一章 绪 论1.1课题的目的及研究意义近年来，随着工业技术现代化的不断发展，工业生产对设备的加工精度、加工效率和稳定性提出了更高的要求，磨削加工是机械加工的重要的方法之一，磨削加工多担负工件的最终加工工序，因此，其加工精度对机械产品的质量有着直接的影响。传统的磨削加工中是在工件加工后再离线检测尺寸，由此生产出来的产品一致性较差，废品率较高，并且质量不稳定，同时离线检测会占据大量的时而降低加工效率。如何解决这些问题成为一个重要的研究课题。采用主动测量技术可以很好地解决上述问题。主动测量是指在机械加工过程中，由测量装置始终测量着工件的尺寸，并将其尺寸变化量实时传递给控制仪，再由控制仪发出信号（如粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信号）控制机床的动作。它能使操作人员无需停机就能测量工件，从而对加工过程进行实时控制，减少了劳动强度，提高了生产效率，又降低了废品率，同时加工出的工件尺寸一致性较高，特别适应于在大批量流水线作业中使用，如汽车零部件、轴承零件的加工等。主动测量仪主要由测量装置、驱动装置、控制仪三部分组成。（1） 测量装置 在砂轮磨削工件的工程中，装置的两个测子始终接触工件表面，将工件直径的变化量通过测子、杠杆，使得装置中的磁芯和电感线圈的位置产生相对位移，从而将尺寸的变化转换为电感量的变化。主动测量装置俗称侧头，起着把被测量参数的变化量转化为测量信号的作用，它是测量仪的主体。从结构原理上可以分为单点测量装置和双点测量装置，单点测量装置可以用于端面定位或者用两个组合起来测量大的直径等；双点测量装置可以测量外径、内径、槽宽、台阶宽等。（2） 控制仪 控制仪将装置输出的电感信号经过相敏整流、放大，发出粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信号给磨床控制系统，磨床控制系统接受到信号后控制机床的进给机构，从而到达控制工件尺寸的目的。（3） 油压驱动装置测量装置的进退由油压驱动装置来带动，工件安装好后，砂轮快速前进，同时驱动油缸也带动测量装置进入测量工位。磨削到尺寸后砂轮快速退回，驱动油缸带动主动测量装置退出测量工位，以便于操作者装卸工件。嵌入式磨加工主动测量仪软件系统，是控制仪的软件部分，良好的软件设计应当使控制仪具有合理的人机交互界面，人机交互界面是人与机器进行交互的操作方式，是用户与机器之间传递信息的媒介，其中包括了输入和输出。好的人机界面简单易懂，操作简单且具备引导功能，能够使用户感觉愉快，兴趣增强，从而提高使用效率。C#语言是微软公司开发的一种面向对象编程语言，它是微软公司专门为.NET运行框架开发的高度集成和高度兼容的面向对象编程语言。C#强大的功能得益于强大的.NET运行框架。嵌入式C#语言是一种编译型的高级程序设计语言, 它兼顾了多种高级语言的特点, 并且具备汇编语言的功能。同时它是一种结构化的程序设计语言, 具有完善的模块程序结构, 在软件开发中可以采用模块化程序设计方法。用嵌入式C# 语言进行开发可以极大缩短产品开发周期,增强系统软件的可读性, 便于对产品进行改进和扩充。以单片机为基础的嵌入式系统, 没有通用的计算机系统那样丰富的软件资源可以利用, 诸如图形化的操作系统、集成开发环境等大多资源需要自行定义, 另外, 要根据其不同的功能以及针对不同的用户, 开发不同的人机交互界面。因此，研究和开发高性能的嵌入式磨加工主动测量控制仪软件系统对于促进精密机械的加工以及自动化技术的发展以及提高设备的性能和自动化水平都具有重要意义。综上所述，磨加工主动测量控制仪作为一种先进的智能化机械设备，对当今机械加工过程中的磨加工的效率和精度的提高都具有很大帮助，既减少了加工过程中的劳动强度,又提高了生产效率, 同时又降低了废品率。 嵌入式软件系统通过其人机交互界面良好的可操作性和用户友好性，作为人与计算机之间的传递交换信息的媒介和对话的接口，在当今社会中得到了越来越广泛的应用。嵌入式磨加工主动测量仪软甲系统设计在现实中具有其重要的研究意义，也将拥有其广阔的发展前景。1.2磨加工主动测量控制仪的国内外研究现状1.2.1国外研究发展现状 目前，主动测量技术国外还处于领先的优势地位，其中著名的公司有意大利的Marposs公司、日本东京精密等，这些公司所在的国家都为汽车工业大国。意大利的Marposs产品包括了一系列标准装置，并且可以按照客户要求专门设计。其中在磨床主动测量装置方面，它优化了磨削过程，在磨削过程中对工件进行连续测量，机床进给可以根据磨削余量进行调节，而且能最大程度地降低外部环境(温度变化、冷启动等)对加工的影响，从而进一步保证了磨削精度。一般的磨加工，重复误差可小于0.2微米，尺寸分散性控制在3微米以内；高精度磨加工，重复误差小于0.1微米，尺寸分散性控制在1微米以内。在满足高精度的基础上，主动测量仪朝着测量对象多样性发展。日本东京精密公司现已开发出了能检测内圆、外圆、连续面和断续面，同时还能在线检测圆度误差的主动测量仪，并且精度高，稳定。1.2.2 国内研究发展现状 在国内以中原精密有限公司为代表，引进日本东京精密公司技术，在测量精度，测量对象的多样性处于国内领先水平，主导产品磨加工主动测量仪国内市场占有率达到60，但是缺乏核心技术。同时还有成都工具研究所、洛阳新和精密测控有限公司等，但产品存在测量精度不高、显示不够直观、测量范围及控制点调整不方便和智能化程度低等缺点，而且基本上都是停留在以单片机为核心的微机化仪表的水平上，甚至有的还仍然在指针式仪表阶段，而基于嵌入式系统开发平台进行较高智能性的主动测量仪器地研究和开发还在起步阶段。1.3课题来源本课题来源于郑州大学和三门峡中原精密有限公司校企合作项目“Z600型磨加工主动测量控制仪”的研究与开发。设计任务是在VS2008集成开发环境下用C#编程语言，对“Z600型主动量仪”进行嵌入式软件系统的开发。1.4本课题研究的主要内容本文在对磨加工主动测量控制仪进进行了解和认识之后，对嵌入式系统下的适用于此类磨加工主动测量控制仪的软件系统进行研究、分析和设计，运用C#编程语言在VS2008集成环境下设计出Z600型嵌入式磨加工主动测量仪的软件系统。根据本课题的理解，对主动测量技术和磨加工主动量仪做充足的了解和认识，了解其工作原理和对本课题所涉及的软件系统的功能需求，进一步对开发软件和开发平台等进行选择，在此基础上形成整体设计方案，而后完成对软件系统的三大部分：测量、控制、调整三个模块的各窗体和功能的设计。第二章 磨加工主动量仪的工作原理及功能分析2.1磨加工主动测量仪的简介及其工作原理目前的数控磨床所采用的一般是开环或半闭环系统进行控制，机床只是按照预先设定好的加工量进行加工，因此其中的加工余量，加工条件等不能及时的反馈到系统中，因此加工精度有限。磨加工主动测量控制仪将加工中的测量控制仪与砂轮、机床、工件等组成一个闭环系统。其中,要求的尺寸为给定量Do，工件实际尺寸D为被控制量，控制量是磨床砂轮的进给，在加工过程中，主动测量仪对工件实际尺寸D进行动态测量，并与给定量进行比较得出差值D=D-Do，由此给出控制信号，使磨床按要求完成加工过程，最后在D=0时给出砂轮退刀信号。以上的反馈系统，实现了加工的过程中实时进行对工件的测量并做出相应的反馈，不但减少了加工时间，提高了加工的效率，同时也提高了磨削过程中的加工精度，实现了机床的精密化和自动化。2.1.1 嵌入式系统嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。嵌入式系统以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。嵌入式系统（Embedded system），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电器工程师协会（ U.K. Institution of Electrical Engineer）的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。由于嵌入式系统通常进行大量生产。所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。所有带有数字接口的设备，都使用的是嵌入式系统，某些嵌入式系统甚至还包括操作系统，但大多数的嵌入式系统还是由单个应用程序实现的逻辑控制。国内普遍认同的嵌入式系统的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。一般来说，嵌入式系统的构架可以分为4个部分：处理器、存储器、输入和输出（IO）和软件。嵌入式系统具有以下几个重要的特征：1.系统内核小。由于嵌入式系统是一般应用与小型电子装置，系统资源相对有限，因此内核较之传统的系统的内核要小得多。2.专用性强。嵌入式系统的专用性很强，其中的软件系统和硬件结合的非常紧密，同时针对不同的任务，往往要求有比较大的更改，程序的编译和下载都要和系统相结合。3.系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。4. 高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。嵌入式系统还有一个很大的有点就是可以提供友好的多媒体和人机交互界面。嵌入式系统能够和用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵活的控制方式，使得人们感觉在使用嵌入式系统的时候会非常亲切。因此嵌入式系统开发也获得了越来越广泛的使用。2.1.2主动测量技术主动测量是指在机械加工过程中，由测量装置始终测量着工件的尺寸并将其尺寸变化量随时传递给控制仪由控制仪发出信号（如粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信号）控制机床的动作。由于采用主动测量技术的机床能使操作人员不需要停机检查工件的尺寸就能得到工件的实时尺寸，减少了劳动强度，提高了生产效率，降低了废品率，同时加工出的工件尺寸一致性较好特别适用于大批流水线作业中使用例如在轴类零件的生产中。主动测量系统的结构图如图1中所示： 图1 主动测量系统结构图主动测量和传统的测量方法相比，由于是实时对工件尺寸进行测量并反馈给控制仪，控制仪发出机床动作指令，因此，有诸多优点：实时测量可以减少废品率，提高产品质量；实现生产自动化，减少工人劳动强度；闭环检测大大减少停机检验和调整时间，从而提高生产效率；废品率的减少可以节约能源和原材料，提高经济效益。2.2磨加工主动量仪的主要结构及功能2.2.1磨加工主动测量仪的组成 1.外圆磨床的主动测量装置，即测头。 在砂轮磨削工件的过程中, 装置的测头始终接触工件表面, 将工件直径的变化量通过测子、杠杆, 使得装置中的磁芯和电感线圈的位置产生相对位移,从而将尺寸的变化转换为电感量的变化。2.主动测量控制仪 它将装置输出的电感等信号经过整流、放大, 发出粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信号给磨床控制系统, 磨床控制系统接收到信号后, 控制机床的进给机构, 从而达到控制工件尺寸的目的。目前的控制仪已基本剔除了过去分离元件的电路, 采用了集成电路, 有些已使用了微处理机, 使重复精度、长时间稳定性等性能均有极大提高。3.驱动装置 测量装置的进退由它来带动, 工件安装好后, 砂轮快速前进, 同时驱动油缸也带动主动测量装置进入测量工位。磨削到尺寸后砂轮快速退回, 驱动油缸带动主动测量装置退出测量工位, 以便于操作者装卸工件。油压驱动装置是主动测量装置与机床的连接部件，负责将装置进入或退出测量工位，通过对前后微调机构的调整，可以使装置的触头对准工件中心。目前的油缸有立式和卧式（根据机床的中心高来确定）。由以上三个部分组成的主动测量控制系统与机床控制系统组合就形成了磨加工过程中的主动测量。以用3个信号控制的磨削过程为例，从砂轮快速进给进入粗磨阶段，P1点是从粗磨进给向精磨进给切换的信号点，P2点是从精磨进给向无火花磨削进给切换的信号点，P3点为到尺寸退刀信号点。机床控制系统从控制仪先后接收到这三个信号分别执行不同的动作，完成一个磨削循环。对于高精度磨削加工，一般可以将加工零件的尺寸分散度控制在23m。近年来，工艺要求尺寸精度提高的同时，还要提高形状精度，为此机床要求的控制信号点从3个增加到4个，甚至增加到56个点。2.2.2 磨加工主动测量仪的工作原理主动量仪的测头采用精密位移传感器设计制造。目前常用主要是电感式位移传感器、光栅位移传感器，并且采用接触测量。根据需要其结构可以是单臂式或双臂式。驱动装置驱动测头进入或退出测量工位，通过对前后微调机构的调整，可以使触头测量触点对准工件中心或合适位置。常用驱动装置有气动、液动和电动三类。测量控制器接收测头传感器的测量信号(电感位移传感器为模拟信号，光栅位移传感器为数字信号)，根据测量信号的性质进行信号处理，最终获得对应被测量所对应的数字量。然后根据测控项目要求进行一系列运算和变换，获得磨削尺寸目前状况，从而判断工件尺寸状态或控制磨削设备的磨削工序，并将加工或尺寸测量结果以合适方式显示，以便人机交互。磨削加工的过程中，金刚石测子始终与工件的表面保持接触，通过传感器测量工件的尺寸并将尺寸传递给控制仪。主动测量装置俗称侧头，将被测量的变化量转化为测量信号，主动测量控制仪能将装置的输出电感信号和电压经过整流和放大，将控制信号传递给磨床控制系统，磨床控制系统受到控制信号之后控制机床的进给机构。在该个主动测量系统中，各信号点（如退刀、粗磨、精磨、光磨等）由操作人员根据加工中的生产条件以及工件状况而设定。对轴类零件的磨加工过程中，通过信号转换等环节，尺寸传感器连续不断的测量工件的实际尺寸，将转换过之后的尺寸信号传递给主动测量控制器。主动测量控制仪会根据操作人员设定的信号点值和工件实际尺寸值来实时的判断加工状况，发出控制信号指导机床完成各种加工动作。当尺寸传感器传回的实际尺寸值和给定的信号点值相符时，测量控制器就会发出信号使机床改变加工状态，切换到下一步加工过程，直至工件的实际尺寸达到理想要求尺寸，发出到尺寸信号，停止加工。2.2.3磨加工主动测量仪的主要功能1. 信息采集的实时性 由于在高速、精密磨削中，砂轮的转速非常快，需要实时采集工件尺寸变化信息，进行必要的数据处理，控制器要能够及时的获取判小，一般在3ms以内。对控制器接收传感器采集的尺寸信息的时钟周期定位为3ms.2. 尺寸信息的多样化显示 本课题对测量控制器要求能够根据操作人员的不同加工状况下工件的尺寸信息，发出控制信号指导机床动作，砂轮不停进给，按照设计要求，主动测量系统采集的工件尺寸数据信息时间周期必须足够快和不同画面显示风格的不同作用对尺寸信息进行多样化的展示，能够对当前加工工件的工件图、当前尺寸值、综合加工状态等信息在同一画面中显示；对测量值、测量项目等信息进行单表头、双表头显示；另一方面，操作人员可以观察到工件尺寸信息随着时间变化的曲线图，最多可以显示四个测量项目的尺寸变化曲线图。2.2.4磨加工主动测量仪的特点Z600型磨加工主动测量控制仪具有以下特点：1. 快捷的画面切换功能 在开发方案中，在特定的操作系统下，操作者不仅可以通过鼠标、触摸屏对控制器显示画面进行切换，对加工参数进行设置和调整，还可以用于获得不同的加工信息，以判断加工是否出现异常情况。两外，操作者还可以在不适合使用鼠标的加工情况下或者根据自己的习惯使用控制仪造作面板上面的按钮对画面主要功能进行操作和切换。2 .误差补偿功能 根据前面所述，在任何测量过程中都会有系统误差和随机误差出现，系统误差的出现有一定的规律，传感器精度方面也会出现一定的误差。对于系统误差可以通过多次实验然后用标准仪器测量工件的“真实”尺寸，和主动测量控制仪输出的测量值之间进行比较，当“尺寸误差”的大小恒定，或者按某一加工条件变化规律变化时，可以设定补偿值，对测得的带有系统误差的测量值进行补偿，使控制仪显示的测量值和工件尺寸“真实值”相同。3. 报警功能 报警功能分为两种，一种是系统错误报警，例如当传感器和控制器之间的链接出现中断时，在控制仪上需要出现断线报警画面，提示操作人员信号采集已经中断。这样可以避免产生废品和加工事故，便于及时发现和维修加工系统出现的故障。另一种报警功能是人为误输入提示报警，例如，在台阶数输入时，画面弹出台阶数输入键，台阶数的设定范围为140个，如果操作人员输入的台阶数不在此范围内，择弹出台阶数输入超限报警，提醒操作人员应该输入正确的台阶数，以避免由于操作人员工作疏忽引起的误操作。4 .良好的人机功效 主动测量控制仪应该克服国内现有主动量仪精度低、功能单一、人机功效差的缺点，充分发挥仪器人机功效在机械加工中对工人劳动积极性、准确性方面起到的积极作用。画面制作要符合现场加工条件的要求，和现场环境相协调，功能、画面布局要符合大多数人的操作习惯，画面中的按钮立体效果明显，数据显示区域清晰醒目。5 .输入输出备份 控制器的I/0口较多，当某一I/O口出现故障时，操作人员可以通过对I/O口的重新定义，将故障的I/O口转换为备用的I/O口，从而使正常的加工不受影响。硬件方面，由于此主动测量控制器没有特殊的功能要求，考虑到以后的升级和功能更新，宜选用常规的硬件开发使用的主板和硬件，质量有保证，可靠性高。第三章 软件系统总体开发方案分析3.1 软件系统的功能介绍及设计需求本课题中所设计的嵌入式磨加工主动测量仪的软件系统作为Z600型磨加工主动测量仪在加工中的各项数据的显示终端，用于向工人实时展示磨加工主动测量仪在工作中的各项数据，操作者同时可以通过该软件系统的人机交互界面对磨加工主动测量控制仪中的各项数据进行设置和更改，更改后的数据将保存起来，在界面的各级之间形成联动，使得操作者可以方便快捷的进行操作，实现对磨加工主动测量控制仪的人为操控。本次课题所设计的嵌入式磨加工主动测量仪的软件系统应该具有良好的可操控性能，人性化的的设计，在操作者进行操作的过程中，该软件系统应该能够使操作者方便快捷的完成想要的操作，通过此软件系统高效地实现对磨加工主动量仪的控制。其中人机交互部分主要是由嵌入在该磨加工主动测量控制仪前的触摸型液晶显示屏组成，直接由液晶显示屏的可触控操作即可进行操作，因此无需屏幕旁边再增设键盘。液晶显示器的显示点阵为（640480），由软件系统的人机交互界面即可实现信息的输入、调整、选择、控制和显示等功能。该嵌入式磨加工主动测量控制仪的软件系统的设计主要包括测量、设置和调整3个部分，其中测量部分为工件测量数据显示，包括表头显示、数字显示、数值显示。通过表头、数字或者数值直观地将测头测量得到的数据显示在界面中。各个窗口中的数据都来自于磨加工主动测量控制仪，磨加工主动测量控制仪在加工的过程中通过测头对工件的测量，将工件的位置的变化量转换为电信号，再经过滤波、求平均值和信号处理等得出试试测量的数据，通过接口传递至人机交互界面中，将测量模块的各个项目数据显示出来。调整部分主要包括零位/倍率、信号点设定、补偿值设定、倍率微调、I/O测试、高低倍率等调整选项用于调整相关数据。设置界面包括工件定义、项目设置、系统定义、IO定义和断线检测各模块。设置界面主要用来对磨加工主动测量控制仪在工作过程中需要进行一些数据和参数调整时，操作者即可点击设置界面中的各个项目进行设置，从而达到对磨加工主动量仪的人为控制。由于磨加工主动测量控制仪在工作期间，可能会遇到不同的工作情况和工件的加工类型等等，因此，一种设置方式必然很难满足其工作需求，这时就要通过设置界面来对磨加工主动测量控制仪中的各个参数值等进行设定，从而使加工过程中磨加工主动测量控制仪能够更好的工作和发挥其应有的性能，以上为设置界面要实现的基本功能。调整界面主要包括零位倍率调整、信号点设定、补偿值设定和倍率微调以下几个功能模块。调整界面主要用于对磨加工主动测量控制仪进行零位倍率和补偿值等进行调整，从而使得对系统中的各数据和操作参数等进行调整。各个界面之间应具备相互关联相互联动的特点，点击该软件系统的各窗体之中的按钮的时候，可以弹出相对应的新窗体或者设置选项，同时各个窗体和模块之间应形成联动，各界面之中所显示的数据应该可以相互关联，同时界面也应该具备对数据的修改设定的功能，在设置和调整界面完成数据的调整和设定之后，测量界面中各个相对应的选项中所显示出来的数据应该也和之前进行的设置进行相关的对应，这就要求该嵌入式人机交互界面不仅仅能够实现不同窗体之间的切换，同时也能够实现各个窗体之间的数据和功能的相互关联，从而使其成为一个统一的，各个模块和功能之间相互关联的系统，为该磨加工主动测量控制仪的操作者提供一个方便、快捷、高效的软件系统。3.2软件系统设计中的方案选择 3.2.1 C#编程语言简介C#（C Sharp）语言是.NET框架的重点推出的语言，具备C+语言的安全性和VB（visual basic）语言的快速开发的特点，是目前最流行的开发语言之一。C#是一种安全的、稳定的、简单的、优雅的，由C和C+衍生出来的面向对象的编程语言。它在继承C和C+强大功能的同时去掉了一些它们的复杂特性（例如没有宏以及不允许多重继承）。 C#综合了VB的简单的可视化操作和C+高效的运行效率，一起强大的操作能力，优雅的语法风格，长信的语言特性和便捷的面向组件编程的支持成为.NET以及嵌入式设计的重要语言。C#是面对对象程序语言，它使得程序员可以快速地编写各种基于MICROSOFT .NET平台的应用程序，MICROSOFT .NET提供了一系列的工具和服务来最大程度地开发利用计算与通讯领域。正是由于C#面向对象的卓越设计，使它成为构建各类组件的理想之选无论是高级的商业对象还是系统级的应用程序。使用简单的C#语言结构，这些组件可以方便的转化为XML网络服务，从而使它们可以由任何语言在任何操作系统上通过INTERNET进行调用。C#使得C+程序员可以高效的开发程序，且因可调用由 C/C+ 编写的本机原生函数，因此绝不损失C/C+原有的强大的功能。因为这种继承关系，C#与C/C+具有极大的相似性，熟悉类似语言的开发者可以很快的转向C#。C#旨在设计成为一种“简单、现代、通用”，以及面向对象的程序设计语言，此种语言的实现，应提供对以下软件工程要素的支持；数组维度检查、强类型检查、未初始化的变量引用检测。软件必须做到强大持久，并具有较强的编程生产力。此种语言在为分布式环境中的开发提供适用的组件开发应用，C#适合为独立和嵌入式的系统编写程序，从使用复杂操作的大型系统到典型的小型系统均适用。在本课题中，要设计的软件系统即是在嵌入式系统上应用，因此，综上所述C#很适合作为本课题中程序的编程语言。3.2.2 Visual Studio2008软件开发环境介绍Microsoft Visual Studio，简称“Visual Studio”或者“VS”是微软公司提供的集成开发环境，支持很多种编程语言，也可以用来创建Windows 平台下的Windows应用程序和网络应用程序，同样也可以用来创建智能设备应用程序、网路服务和office插件。Visual Studio是一个非常复杂强大的产品，秉承了微软公司开发环境的一贯风格，使用起来非常简单，不仅支持C#、VB和C+的开发，还可以同步扩展，实现多种语言开发的集成。其支持快速方便的开发，可以预览开发界面，成为所有开发软件中最适合用来开发C#应用程序的开发工具。VS2008是面向Windows Vista、office2007的下一代开发工具，VS2008引入了250多个新特性，整合了对象、关系型数据、XML的访问方式，语言更加简洁。使用Visual Studio 2008可以高效开发Windows应用程序设计器中可以实时反映变更，XAML中智能感知功能可以提高开发效率。同时Visual Studio 2008支持项目模板、调试器和部署程序。Visual Studio 2008可以高效开发Web应用，集成了AJAX 1.0，包含AJAX项目模板，它还可以高效开发Office应用和Mobile应用。具有简洁的操作界面和强大的功能，可以高效的开发应用程序，在本课题中，Visual Studio2008作为嵌入式磨加工主动测量仪的软件系统的开发环境。VS2008集成开发环境如图3.2.2.1所示： 图3.2.2.1 VS2008集成开发环境3.2.3 嵌入式Wince操作系统Wince是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，是一个开放的可开发的32位操作系统，是基于掌上型电脑类电子设备系统，它是精简式的windows95，Wince的图形用户界面相当出色。WindowsCE操作系统是Windows家族中的成员，专门设计给掌上电脑（HPCs）以及嵌入式设备所使用的电脑环境。这样的操作系统可使完整的可移动技术与现有的Windows桌面技术整合工作。Windows CE 被设计成针对小型设备（它是典型的拥有有限内存的无磁盘系统）的通用操作系统，Windows CE可以通过设计一层位于内核和硬件之间代码来用设计硬件平台。对于大部分制造业企业，测量仪器的自动数据采集一直是个令人烦恼的事情，即使仪器已经具有RS232/485等接口，但仍然在使用一边测量，一边手工记录到纸张，最后再输入到PC中处理的方式，不但工作繁重，同时也无法保证数据的准确性，常常管理人员得到的数据已经是滞后了一两天的数据；而对于现场的不良产品信息及相关的产量数据，如何实现高效率、简洁、实时的数据采集更是一大难题。 Wince具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输等功能。为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证。其具有一体性、机动性、体积小、重量轻、高性能，并适于手持等特点。它主要应用于工业数据采集中。嵌入式wince的运行初始界面如图3.2.3.1所示。 图3.2.3.1 嵌入式wince系统界面类似于wince的嵌入式Linux也是一种嵌入式操作系统，嵌入式linux是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。嵌入式linux既继承了Internet上无限的开放源代码资源，又具有嵌入式操作系统的特性。嵌入式Linux的特点是版权费免费;购买费用媒介成本技术支持全世界的自由软件开发者提供支持网络特性免费，而且性能优异，软件移植容易，代码开放，有许多应用软件支持，应用产品开发周期短，新产品上市迅速，舒适性和安全性较好。与wince相比，Linux的开发难度较高，有需要有很强的技术实力，而wince的开发相对简单容易，开发周期短，内核完善，主要运用与应用层开发。Linux的核心调试工具也不全，调试不太方便，并且上没有很好的用户界面，而wince的GUI主题丰富，开发功能强大，且Linux的系统维护难度较大，在使用教完整的GUI的时候，Linux一般会占用较大的内存，如果去掉部分无用的功能来减小使用的内存，但是如果不仔细，将引起新的问题。因此，综上所述，本课题中采用嵌入式Wince系统作为嵌入式磨加工主动测量仪软件系统设计的仿真环境。在软件系统的系统程序编译完成之后，将VS2008集成开发环境和Wince相连接，而后运行该嵌入式人机交互界面程序时，wince即作为一个仿真的环境运行所设计出来的嵌入式软件系统，在此期间可以通过在嵌入式wince系统下的模拟环境来检验本课题中人机交互界面程序的实际的运行效果，并根据程序在通过在该仿真环境下的运行效果的分析，发现问题，从而为进一步对界面的设计进行改善提供依据，在停止调试后在VS2008集成开发环境下对软件系统的程序进行修改和调试，并再次在Wince下运行，如此循序渐进，最后经过很多次的程序设计、改进和调试运行之后设计出所需的适应本课题中的嵌入式磨加工主动测量仪的软件系统设计。3.3软件系统中数据库的应用分析3.3.1软件系统设计中的嵌入式数据库在本课题中所涉及到的嵌入式磨加工主动测量控制仪在工作中需要将测头对加工中的工件的实时数据经过滤波、求平均值、信号处理和转换等处理后得出工件在磨削加工中的各项项目中的数据值并需要将这些数据值呈献给操作者。嵌入式数据库嵌入式数据库的名称来自其独特的运行模式。这种数据库嵌入到了应用程序进程中，消除了与客户机服务器配置相关的开销。嵌入式数据库实际上是轻量级的，在运行时，它们需要较少的内存。它们是使用精简代码编写的，对于嵌入式设备，其速度更快，效果更理想。嵌入式运行模式允许嵌入式数据库通过 SQL 来轻松管理应用程序数据，而不依靠原始的文本文件。嵌入式数据库还提供零配置运行模式，这样可以启用其中一个并运行一个快照。在嵌入式系统中，对数据库的操作具有定时限制的特性，这里把应用于嵌入式系统的数据库系统称为嵌入式数据库系统或嵌入式实时数据库系统（ERTDBS）。可靠性要求是毋庸置疑的，嵌入式系统必须能够在没有人工干预的情况下，长时间不间断地运行。同时要求数据库操作具备可预知性，而且系统的大小和性能也都必须是可预知的，这样才能保证系统的性能。目前嵌入式软件系统开发的挑战之一，体现在对各种数据的管理能否建立一套可靠、高效、稳定的管理模式，嵌入式数据库可谓应运而生。嵌入式数据库是嵌入式系统的重要组成部分，也成为对越来越多的个性化应用开发和管理而采用的一种必不可少的有效手段。嵌入式数据库用途广泛，如用于消费电子产品、移动计算设备、企业实时管理应用、网络存储与管理以及各种专用设备，这一市场目前正处于高速增长之中。嵌入式SQLite数据库SQLite，是一款轻型的数据库，是遵守ACID的关联式数据管理系统，它的设计目标是嵌入式的，而且目前已经在很多嵌入式产品中中使用了它，它占用资源非常的低，在嵌入式设备中，可能只需要几百K的内存就够了。它能够支持Windows/Linux/Unix等等主流的操作系统，同时能够跟很多程序语言相结合，比如 Tcl、C#、PHP、Java等，还有ODBC接口，同样比起Mysql、PostgreSQL这两款开源世界著名的数据管理系统来讲，它的处理速度比他们都快。SQLite的第一个版本诞生于2000年，发展到现在已经非常成熟并获得了广泛的应用。SQLite不是程序与数据库通信的独立进程，而是连接到程序中成为它的一个主要的部分。因此，主要的通信协议是在编程语言内的直接调用，这在总消耗量|延迟时间和整体简单性上都有着积极的作用。整个数据库（定义、表、索引和数据本身）都在宿主主机上存储在一个单一的文件中，它的简单的设计是通过在开始一个事事务的时候锁定整个数据文件而完成的。SQLite数据库无需安装和管理配置，是储存在单一磁盘的文件中的一个完整的数据库，且数据库文件可以在不同的字节顺序的机器间自由的共享。嵌入式SQLite数据库比一些流行的数据库在大部分的数据库模块要快，具有良好的注释的源代码，并且有着90以上的测试覆盖率，支持多种开发语言，包括C,PHP,JAVA,C3，Python,Ruby等开发语言，在本课题中的人机交互界面的设计中要设计到窗体界面之间的所显示的数据的相互的关联和读取、添加、删除、修改等都要运用到数据库，在本课题中选用SQLite数据库进行界面中显示的各组数据的处理、读取、添加、删除、修改等操作。3.3.2常用的嵌入式数据库的介绍1. ProgressProgress软件公司2000年4月18号18时在京宣布，全面发售在Linux操作系统上运行的数据库及其部署产品。Progress在嵌入式数据库市场中拥有全球第一的占有率，世界上有超过200万人正在使用Progress软件公司的应用软件，目前部署Progress产品的站点数量已经超过100,000个。通过Progress软件公司第一个Linux版嵌入式数据库，独立软件开发商和最终用户可以在这一流行的操作系统上移植5,000多种商业应用。但Progress主要应用于一些比较大型的工作项目，或者是在多处理器硬件或者多个并发用户的条件下使用，由于本课题中索要设计的嵌入式磨加工主动量仪的软件系统中所设计的数据并不是非常巨大，因此，在该磨加工主动测量仪的软件系统设计中不采用这种数据库。2. Empress（商业数据库）Empress数据库同样可以运用于嵌入式系统，Empress不仅可以处理文本数据，货币数据，时间数据等常规数据格式而且可以处理多媒体数据甚至是应用程序。优秀的表现使Empress应用领域不仅包括天气预报、空间探索、飞行模拟及地理信息系统等常规数据库的典型应用领域，而且涵盖了嵌入式实时应用领域，如：电信设备、工业控制、医疗仪器及网络管理等多种领域。美国的军事装备和火星探测等都选用该产品作为嵌入式实时数据库。由于本课题研究的界面所需要的数据库主要用于处理加工过程中所检测和处理的一些数据，因此这种数据库不是很适合用于本课题。3. eXtremeDBeXtremeDB内存嵌入式实时数据库以其高性能、低开销、稳定可靠的极速实时数据管理能力在嵌入式数据管理领域及服务器实时数据管理领域独领风骚。eXtremeDB已经广泛应用于众多行业及领域，如：网络设备、消费电子、国防、航空航天、工业控制、轨道交通、能源电力、医疗设备，地理信息、汽车电子,以及金融实时交易、通信技术、互联网等，得到了国内外许多知名客户的一致好评与青睐。由于本课题研究的界面所需要的数据库主要用于处理加工过程中所检测和处理的一些数据，相对较为简单，因此这种数据库不是很适合用于本课题。3.3.3各数据库的对比及选择相比较而言，SQLite数据库作为一个轻量级别的数据库，可以支持事件，不需要配置，不需要安装也不需要管理员；SQlite数据库支持大部分SQL，且在一个完整地数据库有保存在磁盘上面一个文件，同一个数据库文件可以在不同的机器上使用，最大支持数据库容量到2T，且SQLite数据库的整个系统少于3万行代码，少于25KB的内存占用，大部分应用比目前常见的客户端/服务端的数据库快，没有其它依赖，SQLite的源代码开放，代码有95有较好的注释，且简单易用。SQLite是非常稳定的. 出色的稳定性源于它的简单, 越简单就越不容易出错. 除了上述的简单、小巧和稳定性外, 最重要的在于SQLite力争做到简单化。综上所述，SQLite适用于以下场合: 当你更看中简单的管理、使用和维护数据库, 而不是那些企业级数据库提供的不计其数的复杂功能的时候，使用SQLite是一个比较明智的选择。由此，结本课题中的数据库的模块和所需的功能，SQLite数据库适用于本课题中的软件系统的数据处理。因此选用SQLite数据路作为和该嵌入式磨加工主动测量控制仪的软件系统连接的数据库。3.3.4 用C#编程语言对SQLite数据库的操作 运用C#语言对数据库查询、增删和修改在本课题所设计的人机交互界面中运用数据库，首先要对SQLite数据库进行引用，首先，将SQLite数据库的DLL文件移动至本人机交互界面设计的项目所对应的文件夹smartproject1中，在VS2008中对数据库进行添加引用的操作，之后即可通过C#代码的编写实现对数据库的读取功能。SQLite数据库的引用和连接代码如下截图3.3.4.1所示：图3.3.4.1 SQLite数据库连接代码截图本软件系统中的测量界面和设置界面及调整界面等各界面之中所显示的数据都来自于从SQLite数据库的读取，当该嵌入式人机交互界面的系统打开时，关机之前的最近一次的操作已经保存在SQLite数据库之中，因此，在系统新的一次加载时，编写相应的代码，令系统自动读取SQLite数据库，将之前所存在数据库中的数据重新调用读取出来，显示在各项目之中，这里将要用到数据库的查询功能。由于在本课题中的SQLite数据库本身就是程序的一部分，因此，在数据库的运用中，要用数据库语言代码进行编写，其中都在数据库中定义不同名称的字段用来存储存要查询的数据，工程项目中的每一个要读取的数据都对应着数据库中的一段代码，首先将这些所需要查询的数据编写近数据库中之中，而后，在数据库连接之后通过在主程序中C#代码的编写实现数据库的调用和查询的功能。在设置和调整界面中，要求操作者可以通过设置和调整等操作来实现对加工过程中的各个参数的设置、更改和调整，更改后的数据应被储存起来并接受其他相关项目的使用，期间要使用到数据库的增删和修改的功能。首先，在设置界面中的新设置的参数将被系统保存在SQLite数据库中，替换之前数据库中数据字段所保存的参数（即上一次调整的时候所保留的参数），新的参数将被显示在设置界面中，在测量界面中的与此相关的数据也是从数据库中读取，打开测量界面之后系统自动加载数据库并进行数据的读取，其中运用到了SQLite数据库的修改功能和查询功能，实现各项目之间的数据关联，使得本课题所设计的嵌入式人机交互界面的各界面之间实现数据的联动，使本嵌入式人机交互界面的各个模块一起成为一统一的整体。本课题中通过对SQLite数据库的引用、编写、读取、增删和修改等操作实现了人机交互界面的各个项目数据的修改、保存和读取，使得该嵌入式人机交互界面具备相应的数据显示和关联的能力，该嵌入式磨加工主动测量控制仪的人机交互界面得以成为一个完整的统一的整体。3.4 本章小结 本章中通过对以SQLite为首的嵌入式数据库的应用和特点的介绍，及多种嵌入式数据库之间的对比和SQLite数据库在磨加工主动量仪的软件系统中数据的读取、修改、增删和更新等功能，阐述了本课题中嵌入式SQLite数据库在磨加工主动量仪中的应用。第四章 软件系统总体方案设计4.1软件系统设计原则及思路4.1.1 设计原则软件系统设计为连接硬件设备和操作人员的中介与桥梁，其设计质量的优劣直接影响设备的功效和使用人员的操作。软件系统的设计应该考虑以下原则：1 .以用户为中心的原则在系统的设计过程中，设计人员要抓好用户的特征，发现用户的需求。在系统整个开发过程中要不断征求用户的意见，向用户咨询。系统的设计决策要结合用户的工作和应用环境，必须理解用户对系统的要求。最好的方法就是让真实的用户参与开发，这样开发人员就能正确地了解用户的需求和目标，系统就会更加成功。2 .顺序原则即按照处理事件顺序、访问查看顺序(如由整体到单项，由大到小，由上层到下层等)与控制工艺流程等设计监控管理和人机对话主界面及其二级界面。3 .功能原则即按照对象应用环境及场合具体使用功能要求，各种子系统控制类型、不同管理对象的同一界面并行处理要求和多项对话交互的同时性要求等，设计分功能区分多级菜单、分层提示信息和多项对话栏并举的窗口等的人机交互界面，从而使用户易于分辨和掌握交互界面的使用规律和特点，提高其友好性和易操作性。4 .一致性原则包括色彩的一致，操作区域一致，文字的一致。即一方面界面颜色、形状、字体与国家、国际或行业通用标准相一致。另一方面界面颜色、形状、字体自成一体，不同设备及其相同设计状态的颜色应保持一致。界面细节美工设计的一致性使运行人员看界面时感到舒适，从而不分散他的注意力。