Во второй главе были рассмотрены принципы функционирования автоматической локомотивной сигнализации, была детально проанализирована существующая измерительная аппаратура вагона-лаборатории, рассмотрены функциональные характеристики системы “Контроль”, принципы взаимодействия этой системы с персональным компьютером, были высказаны некоторые соображения по возможностям модернизации существующего комплекса.

На основании этого можно сделать вывод, что в рамках данной конкретной задачи автоматизации, применение персонального компьютера для обработки результатов измерения параметров рельсовых цепей является очень существенной задачей, так как это позволит переложить на машину наиболее ответственную часть работы. От ее надежности и стабильности зависит безопасность движения на железной дороге, а, следовательно, процесс автоматизации, позволяющий избежать случайных ошибок человека, имеет очень важное значение.

Основная задача подключения персонального компьютера к существующей измерительной системе сводится к созданию программного обеспечения, позволяющего: принимать информацию об измеренных характеристиках, производить ее раскодировку, должным образом обрабатывать полученные значения, осуществлять протоколирование измеряемой информации в базы данных.

3. Разработка программного обеспечения

3.1 Обоснование выбора методов и среды программирования

измерительный локомотивный сигнализация программный

Программное обеспечение для измерительного комплекса вагона-лаборатории железнодорожной автоматики, телемеханики и связи разработано с использованием принципов объектно-ориентированного программирования.

Объектно-ориентированное программирование (сокращенно ООП) и порожденное им объектно-ориентированное проектирование - это совершенно новый подход к построению сложных (и не очень сложных) программ и систем. Этот подход зародился в таких языках программирования, как Ада, Smalltalk, C++, Borland Pascal. До появления ООП господствовало процедурное программирование. Тогда основой программ были функции и процедуры, т.е. действия. Разработчик определял, какие действия, какие функции нужны ему для решения поставленной задачи, реализовывал эти функции и объединял их в программу. Программа обычно имела достаточно четкий алгоритм работы - последовательность операций, начинающуюся в какой-то точке и заканчивающуюся в одной или множестве других точек.

В объектно-ориентированном программировании и проектировании главной, отправной точкой является не процедура, не действие, а объект. Вообще говоря, такой подход представляется достаточно естественным, поскольку в реальном мире мы имеем дело именно с объектами (людьми, предметами, техническими устройствами), взаимодействующими друг с другом. Да и взаимодействие пользователя с компьютерной программой - это тоже взаимодействие двух объектов - программы и человека, которые обмениваются друг с другом определенными сообщениями.

Прикладная программа (приложение), построенная по принципам объектной ориентации - это не последовательность каких-то операторов, не некий жесткий алгоритм. Объектно-ориентрованная программа - это совокупность объектов и способов их взаимодействия. Отдельным (и главным) объектом при таком подходе во многих случаях можно считать пользователя программы. Обмен между объектами происходит посредством сообщений.

ООП - это совокупность принципов, правил и идей, позволяющих существенно уменьшить усилия, необходимые для создания сложных программных систем.

В объектно-ориентированном программировании используются следующие базовые правила:

определение классов, которые будут использоваться;

определение всех необходимых операций для каждого класса;

обеспечение расширяемости (открытости) классов с использованием принципа наследования.

Базовыми блоками объектно-ориентированной программы являются объекты и классы. Объект имеет состояние, поведение и может быть однозначно идентифицирован (другими словами, имеет уникальное имя). Класс - это множество объектов, имеющих общую структуру и общее поведение. Класс - описание (абстракция), которое показывает, как построить существующую во времени и пространстве переменную этого класса, называемую объектом.

Состояние объекта объединяет все его поля данных (статический компонент) и текущие значения каждого из этих полей (динамический компонент). Поведение объекта определяет, как объект изменяет свои состояния и взаимодействует с другими объектами. Идентификация (распознавание) объекта - это свойство, которое позволяет отличить объект от других объектов того же или других классов.

К базовым принципам ООП относятся [2]:

q пакетирование (encapsulation);

q наследование (inheritance);

q полиморфизм (polymorphism);

q передача сообщений.

Пакетирование предполагает соединение в одном объекте данных и функций, которые манипулируют этими данными. Доступ к некоторым данным внутри пакета может быть либо запрещен, либо ограничен.

Наследование позволяет использовать библиотеки классов и развивать их (совершенствовать и модифицировать библиотечные классы) в конкретной программе.

Полиморфизм позволяет использовать одни и те же функции для решения разных задач. Виртуальные (модифицируемые) функции являются примером реализации этого принципа.

Каждый типовой элемент исследуемой схемы описывается как отдельный объект, в котором, кроме других функций, содержится и функция обработки сигналов, поступающих на входы элемента.

Принципы ООП реализованы в языке высокого уровня C++. Язык C++ поддерживает абстрактные типы данных, обработку исключительных ситуаций, преобразование типов для абстрактных данных.

Благодаря визуальному объектно-ориентированному программированию была создана технология, получившая название быстрая разработка приложений, по-английски HAD - Rapid Application Development. Эта технология характерна для нового поколения систем программирования, к которому относится и С++ Builder.

Первой ласточкой в этом новом мире более простого и наглядного интерфейса была среда Visual Basic. Она сформировала новый стиль взаимодействия разработчика программы с компьютером, позволяя наглядно конструировать пользовательский интерфейс с помощью мыши, а не обычным для прежних времен путем: написанием кодов, их трансляцией и выполнением программы, после чего только и можно было посмотреть, как же это выглядит на экране.

Хотя Visual Basic нашел широкий спрос и помог открыть мир программирования для людей, не слишком в нем искушенных, он не свободен от многих проблем. Главные из них - низкая производительность разрабатываемых приложений при их выполнении, недостаточная строгость и объектная ориентированность языка, способствующая скорее быстрой разработке поделок, а не созданию мощных эффективных приложений, а также ряд других недостатков.

Системы Delphi и C++Builder - это следующий шаг в развитии среды быстрой разработки приложений. Они исправляют многие дефекты, обнаруженные в Visual Basic. Разработчики этих систем создали инструменты, которые на первый взгляд выглядят похожими на среду Visual Basic, хотя в действительности они заметно лучше.

Интегрированная среда разработки в Delphi и C++Builder выглядит одинаково. Весь пользовательский интерфейс, все библиотеки, все приемы работы с этими системами практически одинаковы. Если быть более точным, то они различаются только в силу разного времени выпуска соответствующих версий. Версии C++Builder выпускаются на полгода позже версий Delphi с аналогичными номерами. Поэтому каждая версия C++Builder совершеннее аналогичной версии Delphi, но слабее последующей версии Delphi.

Но основное различие Delphi и C++Builder не в этом, а в языках программирования, которые лежат в их основе. Delphi базируется на языке Object Pascal, a C++Builder - на языке C++. Эти языки, сначала существенно различные по своим возможностям, со временем все более сближаются. Сейчас оба они представляют прекрасные инструменты объектно-ориентированного программирования, различающиеся, в основном, синтаксисом. Впрочем, C++ все-таки богаче и опережает аналогичные версии Object Pascal. С этой точки зрения, возможно, он предпочтительнее. Но эти различия невелики, так что выбор того или иного языка и соответственно Delphi или C++Builder - дело личных пристрастий программиста и определяется тем, к какому языку он более привык.

Причем, фирма Borland позаботилась о том, чтобы приложения, разработанные и на Delphi и на C++Builder можно было достаточно просто конвертировать друг в друга. Таким образом, в одной из этих систем вы можете использовать свои наработки, сделанные в другой системе.

Отдельно надо сказать об одной из главных задач Delphi и C++Builder - разработке приложений для работы с базами данных. В этой области Delphi и С++ Builder занимают самые передовые позиции, работая с любыми системами управления базами данных.

Borland C++ Builder 4 - выпущенное компанией Borland (Inprise) средство быстрой разработки приложений, позволяющее создавать приложения на языке C++, используя при этом среду разработки и библиотеку компонентов Delphi.

C++Builder - мощная система визуального объектно-ориентированного проектирования, позволяющая решать множество задач, в частности:

q Создавать законченные приложения для Windows самой различной направленности, от чисто вычислительных и логических, до графических и мультимедиа.

q Быстро создавать (даже начинающим программистам) профессионально выглядящий оконный интерфейс для любых приложений, написанных на любом языке; интерфейс удовлетворяет всем требованиям Windows и автоматически настраивается на ту систему, которая установлена на компьютере пользователя, поскольку использует многие функции, процедуры, библиотеки Windows.

q Создавать свои динамически присоединяемые библиотеки (DLL) компонентов, форм, функций, которые затем можно использовать из других языков программирования.

q Создавать мощные системы работы с локальными и удаленными базами данных любых типов; при этом имеются средства автономной отладки приложений с последующим выходом в сеть.

q Формировать и печатать сложные отчеты, включающие таблицы, графики и т.п.

q Создавать справочные системы (файлы.hip), как для своих приложений, так и для любых других, с которыми можно работать не только из приложений, но и просто через Windows.

q Создавать профессиональные программы инсталляции для приложений Windows, учитывающие всю специфику и все требования Windows.

C++ Builder 4 предоставляет быстродействующий компилятор с языка C++, эффективный инкрементальный линкер и усовершенствованные средства отладки, как на уровне исходных инструкций, так и на уровне ассемблерных команд - в расчете удовлетворить высокие требования программистов-профессионалов [3].

Оптимизирующий 32-разрядный компилятор построен по оригинальной и проверенной адаптивной технологии, обеспечивающей исключительно надежную и быструю оптимизацию как длины выходного исполняемого кода, так и требуемой памяти. Проход предкомпиляции заголовков также значительно ускорен благодаря снижению объема оперативной памяти для хранения таблицы символов и эффективному доступу к ней. Это достигается кэшированием памяти взамен кэширования обменов с дисковыми накопителями, а также за счет использования таблицы модификации заголовков.

Инкрементальный линкер осуществляет быструю и надежную компоновку эффективной выполняемой программы с минимальными потерями времени. Данные объектных файлов сохраняются вместе с информацией отладчика. Автоматически исключается перекомпоновка не изменившихся объектных файлов и не используемых функций. Таким образом, при развитии и усложнении проекта продуктивность разработки сохраняется на высоком уровне.

Borland C++ Builder располагает рядом инструментов и средств обслуживания, благодаря которым значительно облегчена разработка приложений Windows для баз данных. На рисунке 3.1 представлена типичная архитектура высокого уровня программы C++ Builder для баз данных.

Рисунок 3.1 - Схема связи приложения C++ Builder с базами данных

Общая архитектура состоит из нескольких слоев:

Наверху находится приложение C++ Builder, которое управляет данными. Самый легкий способ дать приложению возможность получить доступ и управлять базами данных состоит в использовании стандартных компонентов для баз данных, поставляемых с C++ Builder.

Компоненты баз данных приложения, в свою очередь, используют “машину” баз данных Borland Database Engine (BDE), которая показана как промежуточный слой на рисунке 3.1. Компоненты взаимодействуют с BDE через коллекцию программ и услуг, которые доступны в Интерфейсе программирования приложений API BDE (Application Programming Interface, ранее называвшейся IDAPI).

Нижние слои на рисунке 3.1 обеспечивает доступ к фактическим физическим данным, хранящихся в таблицах базы данных, и составлен из фактических систем управления базами данных, как локальных, типа таблиц Paradox или dBase, так и удаленных, типа данных, находящихся в базе данных, управляемой сервером Oracle, Sybase, Informix или Interbase.

Идея слоистой архитектуры состоит в том, чтобы изолировать программиста C++ Builder от сложностей и подробностей поддержки различных форматов таблиц данных и различных соглашений при взаимодействии с ними. Она также обеспечивает возможность доступа к различным базам данных в гетерогенной окружающей среде, в которой некоторые части данных могут находиться в локальной таблице, а к другим можно обращаться дистанционно.

При разработке программного обеспечения в качестве среды разработки применяется C++ Builder 4.

Полный листинг программы приведен в приложении В.

3.2 Основные функции программного обеспечения вычислительного комплекса