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便携式动平衡仪Qt应用层详细设计方案（基于Qt Widgets）

版本：1.0
日期：2023年10月

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一、系统概述

1.1 功能需求

• 开机流程：长按电源键启动，全屏显示商标动画（快闪3~4次）。
• 主界面：三栏布局（状态栏、工作区图标、导航栏），支持点击图标跳转。
• 模板系统：保存/加载动平衡参数模板（.tpl文件），点击模板直接跳转至测量界面。
• 实时显示：双圆形仪表盘（相位/角度）、数据表格、实时曲线。

1.2 技术选型

• 开发框架：Qt 6.5 + Qt Widgets
• 硬件平台：STM32MP157（Cortex-A7 + M4双核）
• 界面设计工具：Qt Designer
• 文件格式：JSON + AES加密

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二、应用层架构设计

2.1 分层架构

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|     UI界面层         |  <- 使用Qt Designer设计的窗口和控件
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|   业务逻辑层         |  <- 模板管理、导航控制、数据处理
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|   硬件服务层         |  <- 与M4核通信（共享内存/IPC）、文件读写
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2.2 模块划分

模块	功能	关键类/组件
启动与主界面模块	开机动画、主界面布局、图标响应	SplashScreen MainWindow
导航管理模块	页面堆栈控制（前进/后退）	QStackedWidget NavigationManager
模板系统模块	模板保存/加载、文件关联、桌面快捷方式生成	TemplateManager QFileDialog
实时显示模块	相位/角度仪表盘、数据表格、实时曲线	PhaseMeterWidget DataTableView
配置模块	平衡参数输入、传感器校准界面	ConfigDialog CalibrationWizard

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三、模块详细设计

3.1 启动与主界面模块

3.1.1 开机动画实现

// SplashScreen.cpp（继承QWidget）
void SplashScreen::showEvent(QShowEvent *event) {
    QPropertyAnimation *animation = new QPropertyAnimation(this, "opacity");
    animation->setDuration(1000);
    animation->setStartValue(1.0);
    animation->setEndValue(0.3);
    animation->setLoopCount(3); // 快闪3次
    animation->start(QAbstractAnimation::DeleteWhenStopped);
}

3.1.2 主界面布局（Qt Designer设计）

1. Qt Designer设计文件：MainWindow.ui

   • 顶部状态栏：QStatusBar + QLabel（日期） + QProgressBar（电量）
   • 工作区图标网格：QGridLayout + QPushButton（带图标）
   • 底部导航栏：QHBoxLayout + QPushButton（前进/后退）

   // MainWindow.cpp（通过ui_MainWindow.h生成）
   void MainWindow::setupUi() {
       // 初始化网格布局（2行5列）
       QGridLayout *gridLayout = new QGridLayout(centralWidget);
       for (int i = 0; i < 8; i++) {
           QPushButton *btn = new QPushButton(this);
           btn->setIcon(QIcon(iconPaths[i]));
           gridLayout->addWidget(btn, i / 5, i % 5);
       }
   }
   

3.2 导航管理模块

3.2.1 页面堆栈控制

// NavigationManager.cpp
void NavigationManager::switchToPage(QWidget *page) {
    QStackedWidget *stack = qobject_cast<QStackedWidget*>(parent());
    if (!stack->children().contains(page)) {
        stack->addWidget(page);
    }
    stack->setCurrentWidget(page);
}

3.2.2 按钮事件绑定

// MainWindow.cpp
connect(ui->btn1Plane, &QPushButton::clicked, [=]{
    ConfigDialog *configDialog = new ConfigDialog(this);
    NavigationManager::switchToPage(configDialog);
});

3.3 模板系统模块

3.3.1 模板文件格式（JSON）

{
  "version": 1,
  "rpm": 3000,
  "plane_mode": 1,
  "calibration": { "sensor_id": "SENSOR_001", "offset": 0.12 }
}

3.3.2 模板加载与文件关联

// TemplateManager.cpp
void TemplateManager::loadTemplate(const QString &path) {
    QFile file(path);
    if (!file.open(QIODevice::ReadOnly)) return;

    QByteArray data = file.readAll();
    QJsonDocument doc = QJsonDocument::fromJson(decryptData(data));
    BalanceTemplate tpl = parseJson(doc);

    emit templateLoaded(tpl); // 触发界面跳转
}

// 文件关联（双击事件）
void FileBrowser::onFileDoubleClicked(const QString &path) {
    if (path.endsWith(".tpl")) {
        TemplateManager::instance()->loadTemplate(path);
        NavigationManager::switchToPage(new BalancePage());
    }
}

3.4 实时显示模块

3.4.1 自定义仪表盘控件

// PhaseMeterWidget.cpp（继承QWidget）
void PhaseMeterWidget::paintEvent(QPaintEvent*) {
    QPainter painter(this);
    painter.setRenderHint(QPainter::Antialiasing);
    painter.setPen(QPen(Qt::red, 8));
    painter.drawArc(rect(), 90*16, -angle*16); // 角度转换为十六分一度
}

3.4.2 数据表格动态更新

// DataTableView.cpp（继承QTableWidget）
void DataTableView::updateData(const QVector<double> &data) {
    for (int i = 0; i < data.size(); i++) {
        QTableWidgetItem *item = new QTableWidgetItem(QString::number(data[i]));
        setItem(i, 0, item);
    }
}

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四、接口定义与数据流

4.1 硬件服务层接口

接口名称	功能	实现方式
readSensorData()	从M4核读取实时振动数据	共享内存 + 互斥锁
saveToFile()	保存测量结果到CSV文件	QFile + QTextStream

4.2 共享内存通信（A7与M4核）

// SharedData.h
struct SharedData {
    volatile float phase;
    volatile float amplitude;
    pthread_mutex_t lock;
};

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五、代码框架与实现

5.1 项目目录结构

项目根目录/
├── src/
│   ├── main.cpp                  # 应用入口
│   ├── ui/
│   │   ├── MainWindow.ui         # 主界面设计文件
│   │   ├── ConfigDialog.ui       # 配置界面设计文件
│   │   └── BalancePage.ui        # 测量界面设计文件
│   ├── core/
│   │   ├── TemplateManager.cpp   # 模板管理逻辑
│   │   └── NavigationManager.cpp # 导航控制
│   ├── widgets/
│   │   ├── PhaseMeterWidget.cpp  # 自定义仪表盘
│   │   └── DataTableView.cpp     # 数据表格
├── resources/
│   ├── icons.qrc                 # 图标资源
│   └── styles/                   # QSS样式表
└── CMakeLists.txt                # 构建配置

5.2 核心代码实现

5.2.1 主程序入口（main.cpp）

int main(int argc, char *argv[]) {
    QApplication app(argc, argv);
    
    // 初始化共享内存
    SharedData *sharedData = SharedMemory::init();
    
    // 加载主窗口
    MainWindow mainWindow;
    mainWindow.show();
    
    return app.exec();
}

5.2.2 主窗口初始化（MainWindow.cpp）

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) : QMainWindow(parent) {
    setupUi(this); // 加载MainWindow.ui
    
    // 初始化堆栈窗口
    stackedWidget = new QStackedWidget(this);
    setCentralWidget(stackedWidget);
    
    // 预加载页面
    stackedWidget->addWidget(new ConfigDialog(this));
    stackedWidget->addWidget(new BalancePage(this));
}

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六、测试计划

6.1 单元测试用例

测试项	输入	预期输出
模板加载功能	合法.tpl文件	参数解析正确，跳转至测量界面
实时数据显示	模拟10kHz数据流	界面刷新率≥30 FPS

6.2 自动化测试脚本

# 使用PySide6进行界面自动化测试
def test_main_window(qtbot):
    window = MainWindow()
    qtbot.mouseClick(window.btn1Plane, Qt.LeftButton)
    assert window.stackedWidget.currentWidget() is ConfigDialog

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七、详细设计说明书(DDD)

7.1 系统概述

• 目标：实现便携式动平衡仪的图形化操作与实时数据处理。
• 运行环境：STM32MP157 + Linux 5.15，10英寸触控屏。

7.2 模块设计

• 启动模块：通过QPropertyAnimation实现快闪动画。
• 模板模块：使用AES-256加密模板文件，支持双击加载。
• 实时显示模块：自定义QWidget绘制仪表盘，QTimer定时刷新数据。

7.3 接口定义

• 硬件接口：通过共享内存与M4核交换数据（SharedData结构体）。
• 文件接口：QFileDialog选择文件，QJsonDocument解析数据。

7.4 性能优化

• 双缓冲绘图：避免仪表盘闪烁。
• 线程分离：UI线程与数据处理线程通过信号槽通信。

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八、总结

本方案基于 Qt Widgets 实现，完整覆盖用户需求：

1. 开发效率：通过Qt Designer快速设计界面，减少手写布局代码。
2. 性能保障：自定义控件优化渲染效率，共享内存实现低延迟通信。
3. 可维护性：模块化设计，业务逻辑与界面分离。

下一步建议：

• 使用Qt的QSS样式表统一界面风格。
• 结合QTest框架完善单元测试。