工业振动分析仪上位机软件分级与架构方案

项目记录更新于 2026-08-16编辑本文

1. 结论

工业振动分析仪上位机必须把软件分级作为产品架构的一等能力，而不是后期销售包装。建议采用：

单一安装包 / 单一可执行文件
+ 运行时许可证控制
+ 功能模块自注册
+ UI 动态启用、禁用或引导升级
+ CMake 模块化工程
+ i.MX8MP 嵌入式部署闭环

核心判断：

方向	决策
商业模式	采用基础版、高级版、专业版三级软件授权。
技术实现	所有功能编入同一二进制，通过许可证在运行时控制访问。
工程结构	采用 `core -> domain modules -> app -> ui` 单向依赖。
产品基线	适配 `i.MX8MP + FPGA + AD7768-4`，支持后续从 4 通道扩展到 8 通道。
首要改造	先内建 `licensing` 和 `feature_manager`，再拆分析、采集、存储和平衡模块。

这个方案的价值不只是“限制功能”，而是让同一套硬件可以覆盖入门巡检、现场诊断、专业测试三类客户，并为后续授权升级、代理商销售和算法模块收费留下空间。

2. 为什么必须做版本分级

工业振动分析仪的客户差异很大。基础客户需要快速测振、频谱和简单平衡；中端客户需要多通道、包络、启停机和历史管理；高端客户才需要阶次跟踪、FRF、ODS、模态和高级报告。把这些功能全部放在一个价格里，会同时伤害低端成交率和高端利润。

版本分级的作用：

维度	影响
销售	同一硬件可形成不同报价，代理商更容易匹配客户预算。
利润	高级算法、专业分析和报告能力可独立变现。
维护	客户后续通过 license 升级，不必更换硬件或重装软件。
算力	高级功能通常需要更多缓存、CPU 和交互复杂度，不应默认压到所有用户路径。
产品定位	基础版负责走量，专业版负责品牌与利润，高级版承担主力成交。

因此，版本分级不是 UI 层的小开关，而是商业模式、架构边界和发布流程共同决定的产品能力。

3. 版本设计

建议初始定义三档：

版本	目标客户	产品定位
基础版 Basic	设备巡检、维修班组、教育和低预算客户	快速上手，覆盖基础测振、FFT、单面平衡和 CSV 导出。
高级版 Advanced	工厂设备管理、现场服务、常规故障诊断	多通道同步采集、包络、启停机、双面平衡、历史数据库和报告。
专业版 Professional	第三方检测、研发测试、旋转机械专家	阶次跟踪、FRF、ODS、模态、相干分析、高级导出和高通道扩展。

功能矩阵：

功能	基础版	高级版	专业版
采集通道数	1-2	4	4-8
最高采样率	25.6 kHz	102.4 kHz	102.4 kHz 或硬件允许上限
时域波形、RMS、峰值、峭度	支持	支持	支持
FFT、倍频识别、基础频谱	支持	支持	支持
包络分析	不支持	支持	支持
瀑布图	不支持	支持	支持
启停机分析	不支持	支持	支持
单面动平衡	支持	支持	支持
双面动平衡	不支持	支持	支持
影响系数法平衡	不支持	可选	支持
阶次跟踪	不支持	不支持	支持
FRF、相干函数	不支持	不支持	支持
ODS、模态分析	不支持	不支持	支持
CSV 导出	支持	支持	支持
SQLite 历史库	不支持	支持	支持
PDF 报告	基础模板	标准模板	高级模板
MATLAB 或专业数据导出	不支持	不支持	支持

价格和授权策略应围绕 Advanced 设计，因为它最可能成为主销版本。Basic 用于降低入口门槛，Professional 用于拉高上限。

4. 错误做法

不要使用代码分支式分级：

if (license == PROFESSIONAL) {
    runModalAnalysis();
}

这种写法如果散落在业务代码、UI 代码和算法代码中，会导致版本逻辑无法审计，也会让每次改功能都必须人工搜索所有条件分支。

也不要发布三套二进制：

VibrationAnalyzer_Basic.exe
VibrationAnalyzer_Advanced.exe
VibrationAnalyzer_Professional.exe

多二进制会放大发布、升级、售后和现场安装成本。客户装错版本后需要重新安装，代理商也很难维护统一交付流程。

5. 正确架构

正确做法是单二进制加运行时许可证控制：

所有功能进入同一套源码和同一个发布包。
每个功能声明自己需要的最低版本或 feature flag。
启动时由 LicenseManager 读取授权，计算当前可用功能。
FeatureRegistry 通知业务模块启用或禁用功能。
FeatureManager 负责 UI、菜单、工作流和升级提示。
授权变化时支持重新加载，避免重装软件。

运行时关系：

flowchart LR
  LicenseFile["license.lic<br/>签名授权文件"]
  Validator["LicenseValidator<br/>签名与期限校验"]
  Manager["LicenseManager<br/>版本与功能集合"]
  Registry["FeatureRegistry<br/>功能自注册"]
  App["FeatureManager<br/>业务开关"]
  UI["Qt UI<br/>按钮、菜单、页面"]
  Module["分析/平衡/存储模块"]

  LicenseFile --> Validator --> Manager --> Registry
  Manager --> App --> UI
  Registry --> Module

建议的许可证文件为签名 JSON，实际落盘可加密或封装：

{
  "licensee": "某某工厂",
  "serial": "VA-PRO-2026-XXXX",
  "edition": "Professional",
  "features": [
    "MultiChannelAcquisition",
    "OrderTracking",
    "ODS"
  ],
  "expiry": "2027-12-31",
  "signature": "RSA signature"
}

重点是签名验证，而不是简单加密。加密只能降低可读性，签名才能判断授权内容是否被篡改。

6. 核心接口

建议先定义稳定的授权接口：

enum class ProductEdition {
    Basic,
    Advanced,
    Professional
};

enum class Feature {
    MultiChannelAcquisition,
    HighSampleRate,
    EnvelopeAnalysis,
    WaterfallPlot,
    RunupAnalysis,
    OrderTracking,
    FRF,
    ODS,
    ModalAnalysis,
    SinglePlaneBalancing,
    TwoPlaneBalancing,
    InfluenceCoefficientBalancing,
    DatabaseStorage,
    AdvancedReporting,
    MatlabExport
};

class LicenseManager {
public:
    static LicenseManager& instance();

    bool initialize(const QString& licensePath);
    ProductEdition currentEdition() const;
    bool hasFeature(Feature feature) const;

    bool isTrialMode() const;
    int trialDaysRemaining() const;

signals:
    void licenseChanged(ProductEdition edition);
    void featureAccessDenied(Feature feature);
};

每个功能模块自注册：

class FeatureRegistration {
public:
    FeatureRegistration(
        Feature feature,
        ProductEdition minimumEdition,
        std::function<void()> enableCallback,
        std::function<void()> disableCallback);
};

使用示例：

namespace {
FeatureRegistration orderTrackingReg(
    Feature::OrderTracking,
    ProductEdition::Professional,
    []() { /* enable order tracking */ },
    []() { /* disable action and hide workflow */ });
}

UI 层只问“功能是否可用”，不要自行判断版本等级。这样未来增加试用、按模块购买、临时授权时，不需要改 UI 判断逻辑。

7. 工程目录

建议的上位机目录：

vibration_analyzer/
├── CMakeLists.txt
├── CMakePresets.json
├── cmake/
│   ├── modules/
│   │   ├── VaAddModule.cmake
│   │   ├── VaQtSetup.cmake
│   │   ├── VaFeatureGate.cmake
│   │   └── VaLayeringCheck.cmake
│   └── toolchains/
│       └── imx8mp-aarch64-linux.cmake
├── src/
│   ├── core/
│   │   ├── models/
│   │   ├── signal/
│   │   ├── protocol/
│   │   └── math/
│   ├── acquisition/
│   │   ├── source/
│   │   ├── pipeline/
│   │   └── trigger/
│   ├── analysis/
│   │   ├── spectrum/
│   │   ├── waveform/
│   │   ├── tracking/
│   │   └── advanced/
│   ├── balancing/
│   ├── storage/
│   │   ├── logger/
│   │   ├── database/
│   │   └── export/
│   ├── licensing/
│   │   ├── license_manager.{h,cpp}
│   │   ├── feature_registry.{h,cpp}
│   │   ├── activation_dialog.{h,cpp}
│   │   └── crypto/
│   ├── app/
│   ├── ui/
│   └── main.cpp
├── include/
├── third_party/
├── resources/
├── tests/
├── deploy/
│   ├── systemd/
│   ├── yocto/
│   ├── udev/
│   └── scripts/
├── docs/
└── tools/
    ├── license_generator/
    └── performance_profiler/

模块职责：

模块	职责	依赖
`core`	数据模型、DSP 基础、协议解析、数学工具	不依赖 Qt Widgets，不依赖业务模块
`acquisition`	FPGA/网络/串口/设备节点数据源、缓冲、触发	`core`
`analysis`	FFT、包络、阶次、FRF、ODS 等分析算法	`core`
`balancing`	单面、双面、影响系数法动平衡	`core`
`storage`	CSV、二进制记录、SQLite、报告导出	`core`
`licensing`	授权、功能注册、激活、签名验证	`core`，Qt Core
`app`	控制器、会话、功能协调	各业务模块
`ui`	页面、控件、对话框、主题	`app` 和业务模块

依赖方向：

flowchart TD
  UI["ui"]
  APP["app"]
  ACQ["acquisition"]
  ANA["analysis"]
  BAL["balancing"]
  STO["storage"]
  LIC["licensing"]
  CORE["core"]

  UI --> APP
  APP --> ACQ
  APP --> ANA
  APP --> BAL
  APP --> STO
  APP --> LIC
  ACQ --> CORE
  ANA --> CORE
  BAL --> CORE
  STO --> CORE
  LIC --> CORE

规则：core 必须保持最干净，ui 才能依赖 Qt Widgets。算法、采集和存储模块不直接操作界面，也不互相反向调用。

8. 采集与硬件边界

当前硬件方向是 i.MX8MP + FPGA + AD7768-4。软件边界应把数据源抽象出来，避免上位机被某一种 FPGA 通信方式锁死。

建议 acquisition/source 预留四种输入：

数据源	用途
`network_source`	兼容 TCP/UDP 数据桥或实验室验证链路。
`serial_source`	低速控制、调试或早期原型。
`device_source`	Linux `/dev/xdma*`、mmap 或内核驱动高速采集。
`mock_source`	开发、测试、演示和 CI 回归。

采集管线应把硬件抖动隔离在缓冲层：

DataSource -> FrameParser -> RingBuffer -> ChannelRouter -> AnalysisWindow

优先级：

先稳定 4 通道同步采集、时间戳、丢包计数和溢出状态。
再做实时 FFT、包络和瀑布图。
最后做启停机、阶次跟踪、FRF、ODS 和模态。

9. 实施路线

原始方案在“创建 licensing 模块”处中断。补全后的实施路线如下。

Step 1：创建授权与功能门禁

产物：

src/licensing/license_manager.{h,cpp}
src/licensing/feature_registry.{h,cpp}
src/app/feature_manager.{h,cpp}
tests/unit/licensing/test_license_validation.cpp
docs/architecture/feature_matrix.md

验收标准：

Basic、Advanced、Professional 三档能从测试 license 加载。
每个 feature 能被单元测试判定可用或不可用。
无授权、过期授权、签名错误授权都有确定降级行为。

Step 2：建立 CMake 模块边界

产物：

va_core
va_acquisition
va_analysis
va_balancing
va_storage
va_licensing
va_app
va_ui

验收标准：

各模块能单独编译。
依赖方向由 CMake 或 CI 检查。
core 不链接 Qt Widgets。

Step 3：抽象采集数据源

产物：

IDataSource
DeviceSource
MockSource
AcquisitionPipeline
RingBuffer
BufferPool

验收标准：

mock 数据源可稳定产生四通道数据。
采集线程和 UI 线程解耦。
采集溢出、丢包、停止、恢复都有明确状态。

Step 4：迁移基础分析能力

范围：

时域波形
RMS、峰值、峰峰值、峭度、波峰因数
FFT、窗函数、倍频识别
基础报警阈值

验收标准：

Basic 版本可完成完整基础测量闭环。
核心算法有可重复单元测试。
UI 只调用分析服务，不直接嵌入算法。

Step 5：加入高级版功能

范围：

四通道同步采集
包络分析
启停机分析
双面平衡
SQLite 历史库
标准报告导出

验收标准：

Basic 中对应按钮禁用或隐藏，并有清晰升级提示。
Advanced 中功能可完整运行。
历史记录和报告与采集会话绑定。

Step 6：加入专业版功能

范围：

阶次跟踪
坎贝尔图
FRF
相干函数
ODS
模态分析接口
MATLAB 或专业数据格式导出

验收标准：

Professional 功能集中在 analysis/tracking 和 analysis/advanced。
需要转速输入的功能显式检查键相信号质量。
大计算量任务不阻塞采集线程和 UI 线程。

Step 7：完成嵌入式部署

范围：

systemd 服务
udev 规则
安装脚本
更新脚本
日志目录
license 目录

验收标准：

首次开机可进入试用或激活流程。
软件异常退出后能保留日志和最后一次会话状态。
现场升级不覆盖用户数据和 license。

Step 8：建立发布与售后工具

范围：

内部 license 生成器
授权查询工具
版本功能矩阵文档
售后诊断包导出
性能 profiling 工具

验收标准：

销售能按客户生成 Basic、Advanced、Professional 授权。
售后能判断客户实际版本、机器码、有效期和已启用功能。
发布包只有一个，版本差异由授权决定。

10. 风险与约束

风险	影响	处理
授权逻辑散落在 UI 和业务代码中	后续维护困难，版本行为不可控	所有判断集中到 `LicenseManager` 和 `FeatureManager`。
高级算法过早开发	占用基础采集和稳定性资源	先打通 Basic 闭环，再加 Advanced 和 Professional。
UI 与采集线程耦合	实时数据卡顿或丢采样	采集、分析、显示使用明确缓冲和异步边界。
许可证只做加密不做签名	容易被篡改	使用私钥签名、公钥验签；必要时绑定机器码。
专业功能依赖转速输入但硬件未闭环	阶次、启停机、坎贝尔图不可用	在采集层尽早定义键相信号质量指标。
直接以当前硬件写死通路	后续接口变化成本高	使用 `IDataSource` 隔离 FPGA、网络、串口和 mock。
只做桌面安装，不做嵌入式部署	现场交付不可控	从一开始维护 `deploy/`。

11. 当前最小可交付版本

建议把第一个软件里程碑定义为 Basic 闭环，而不是追求专业功能完整：

AD7768-4 / mock data
-> FPGA or device source
-> acquisition pipeline
-> waveform + FFT
-> channel selection
-> single-plane balancing
-> CSV export
-> license check
-> embedded install package

这个版本可以验证最关键的产品假设：硬件采集稳定、界面可用、基础诊断闭环可交付、授权体系可运行。Advanced 和 Professional 在这个基础上逐步放大价值。

12. 最终建议

本项目应优先做三件事：

先把软件分级固化为架构能力，避免后期返工。
先完成 Basic 可交付闭环，确保采集、显示、基础分析、导出和授权能稳定运行。
把 Advanced 和 Professional 做成可插拔增长层，而不是让高级功能污染基础路径。

一句话版本：工业振动分析仪上位机的正确路线是“一个软件包、三档授权、模块化架构、先基础闭环、再高级增值”。