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文檔和代碼獲取：

可訪問如下鏈接進行對文檔下載：

https://github.com/leezisheng/Doc

本文檔主要介紹如何使用 Python 進行面向?qū)ο缶幊蹋枰x者對 Python 語法和單片機開發(fā)具有基本了解。相比其他講解 Python 面向?qū)ο缶幊痰牟┛突驎裕疚臋n更加詳細、側(cè)重于嵌入式上位機應(yīng)用，以上位機和下位機的常見串口數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、動態(tài)圖繪制等為應(yīng)用實例，同時使用 Sourcetrail 代碼軟件對代碼進行可視化閱讀便于讀者理解。

相關(guān)示例代碼獲取鏈接如下：https://github.com/leezisheng/Python-OOP-Demo

正文

前面講了面向類與對象的繼承，知道了繼承是一種什么“是”什么的關(guān)系。然而類與類之間還有另一種關(guān)系，這就是組合。組合是將幾個對象收集在一起生成一個新對象的行為。當(dāng)一個對象是另外一個對象的一部分時，組合通常是不錯的選擇。

例如，汽車是由發(fā)動機、傳動裝置、啟動裝置、車前燈、擋風(fēng)玻璃以及其他部件組成的，發(fā)動機又是由活塞、曲柄軸和閥門等組合而成的。汽車是發(fā)動機等多個元器件的抽象，而發(fā)動機是活塞等元器件的抽象，二者處于不同的層次而又有彼此交互的接口，組合是提供不同抽象層的好辦法。汽車對象可以提供司機所需要的接口，同時也能夠獲取內(nèi)在組成部分，從而為機械師提供適合操作的深層抽象。當(dāng)然，如果機械師需要更多信息來診斷問題或調(diào)整發(fā)動機，這些組成部分也可以進一步被細分。

總的來說，組合就是讓不同的類混合并且加入其他類中來增加功能和代碼重用性，這種適用于由多個小類組成一個大類的情況，并且不需要對小類進行太多修改。在前面示例中，我們實現(xiàn)了主機的串口收發(fā)和繪圖功能，在實際應(yīng)用中，我們往往需要將傳感器數(shù)據(jù)存儲到文件中，以便后續(xù)的查看和處理，很明顯前面的傳感器數(shù)據(jù)為一維的時間序列數(shù)據(jù)，適合存儲為表格類型（即列標題為索引和值），我們通常將該類數(shù)據(jù)保存為 csv 格式文件，csv 是一種字符串文件的格式，它組織數(shù)據(jù)的語法就是在字符串之間加分隔符（行與行之間是加換行符，同行字符之間是加逗號分隔），可以用任意的文本編輯器打開（如記事本），也可以用 Excel 打開，還可以通過 Excel 把文件另存為 csv 格式。用 csv 格式存儲數(shù)據(jù)，讀寫比較方便，易于實現(xiàn)，文件也會比 Excel 文件小。但 csv 文件缺少 Excel 文件本身的很多功能，如不能嵌入圖像和圖表，不能生成公式等等。

操作 csv 文件我們需要借助 csv 模塊，python 自帶 csv 模塊，不需要我們使用 pip 安裝，我們可以點擊如下鏈接查看 csv 模塊使用方法：

https://docs.python.org/zh-cn/3.13/library/csv.html#csv.writer

這里，我們首先定義一個 FileIOClass 類，其中具有初始化方法、寫入傳感器數(shù)據(jù)到文件方法和關(guān)閉文件方法，示例代碼如下：

import csv
_# 使用typing模塊提供的復(fù)合注解功能_
from typing import List

class FileIOClass:
    def __init__(self,path:str="G:\\Python面向?qū)ο缶幊蘚\Demo\\file.csv"):
        '''
        初始化csv文件和列標題
        :param path: 文件路徑和文件名
        '''
        self.path   = path
        _# path為輸出路徑和文件名，newline=''是為了不出現(xiàn)空行_
        self.csvFile = open(path, "w+", newline='')
        _# rowname為列名，index-索引，data-數(shù)據(jù)_
        self.rowname = ['index', 'data']
        _# 返回一個writer對象，將用戶的數(shù)據(jù)在給定的文件型對象上轉(zhuǎn)換為帶分隔符的字符串_
        self.writer = csv.writer(self.csvFile)
        _# 寫入csv文件的列標題_
        self.writer.writerow( self.rowname)

    def WriteFile(self,index:List[int],data:List[int])->None:
        '''
        :param index: 傳感器索引列表
        :param data:  傳感器數(shù)據(jù)列表
        :return:
        '''
        writedatalist = []
        for i in range(len(data)):
            writedatalist.append([index[i],data[i]])
            _# 將列表中的每個元素將被寫入CSV文件的一列中_
            self.writer.writerow(writedatalist[i])

    def CloseFile(self)->None:
        '''
        關(guān)閉文件
        :return: None
        '''
        self.csvFile.close()

這里，在初始化方法中，我們需要傳入文件保存路徑。之后創(chuàng)建一個 writer 對象，將用戶的數(shù)據(jù)在給定的文件型對象上轉(zhuǎn)換為帶分隔符的字符串，同時寫入 csv 文件的列標題。在 WriteFile 方法中傳入數(shù)據(jù)的索引列表用于表示數(shù)據(jù)的先后順序，之后是數(shù)據(jù)列表（這里的類型注解需要使用 typing 模塊提供的復(fù)合注解功能），并循環(huán)將每個元素將被寫入 CSV 文件的一列中，最后定義了文件的關(guān)閉方法。

在主函數(shù)中，我們創(chuàng)建 FileIOClass 對象，寫入模擬傳感器數(shù)據(jù)后關(guān)閉文件，以下為示例代碼和運行效果：

if __name__ == '__main__':
    path  = "G:\\Python面向?qū)ο缶幊蘚\Demo\\file.csv"
    data  = [11,42,307,46,55,61,78,80,19,11]
    index = [count for count in range(len(data))]

    file = FileIOClass(path)
    file.WriteFile(index,data)
    file.CloseFile()

這里，我們可以直接在 MasterClass 類的初始化中創(chuàng)建 FileIOClass 類的實例化對象來實現(xiàn)組合。代碼如下：

_# 文件保存路徑_
        self.savepath = "G:\\Python面向?qū)ο缶幊蘚\Demo\\file.csv"
        _# 創(chuàng)建FileIOClass類的實例化對象_
        self.fileio = FileIOClass(self.savepath)

通過 sourcetrail，我們可以清晰看到類之間的組合與繼承關(guān)系：

在主程序中，我們在主機接收 10 次數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)保存到 file.csv 中：

if __name__ == "__main__":
_    # 創(chuàng)建數(shù)據(jù)列表_
    datalist = []
    m = MasterClass(state = MasterClass.IDLE_STATE,
                    port = "COM17",
                    wintitle = "Basic plotting examples",
                    plottitle = "Updating plot",
                    width = 1000,
                    height = 600)
    m.StartMaster()
    m.SendSensorCMD(MasterClass.SENDID_CMD)
    m.RecvSensorID()

    # 循環(huán)10次接收數(shù)據(jù)
    for i in range(10):
        m.SendSensorCMD(MasterClass.SENDVALUE_CMD)
        value = m.RecvSensorValue()
        datalist.append(value)
    indexlist = [count for count in range(len(datalist))]

    # 寫入數(shù)據(jù)
    m.fileio.WriteFile(indexlist,datalist)
    m.fileio.CloseFile()

如下為運行效果：

目前，整個文件的完整代碼如下，可以看到單單是這么一個簡單程序就有了三百多行，對于代碼查找修改來講，非常不便。同時我們注意到，幾個不同類之間似乎功能并不相同，不應(yīng)該放到一個文件中。下一節(jié)我們將會說如何利用 Python 中的模塊和包來組織我們的代碼。

完整代碼如下：

_# 串口相關(guān)庫_
import serial
import serial.tools.list_ports
_# 隊列相關(guān)_
import queue
import random
_# 日志輸出相關(guān)庫_
import logging
_# 曲線作圖相關(guān)庫_
import pyqtgraph as pg
import numpy as np
from pyqtgraph.Qt import QtCore
_# 文件讀寫相關(guān)庫_
import csv
_# 使用typing模塊提供的復(fù)合注解功能_
from typing import List
import time


_# # 設(shè)置日志輸出級別_
_# logging.basicConfig(level=logging.DEBUG)_
_# 在配置下日志輸出目標文件和日志格式_
LOG_FORMAT="%(asctime)s-%(levelname)s-%(message)s"
logging.basicConfig(filename='my.log',level=logging.DEBUG,format=LOG_FORMAT)

class SerialClass:
    _# 限定SerialClass對象只能綁定以下屬性_
    __slots__ = ('dev','_SerialClass__devstate')
    _# 初始化_
    _# 使用默認參數(shù)_
    def __init__(self,
                 devport:str     = "COM17",
                 devbaudrate:int = 115200,
                 devbytesize:int = serial.EIGHTBITS,
                 devparity  :str = serial.PARITY_NONE,
                 devstopbits:int = serial.STOPBITS_ONE):
        _# 直接傳入serial.Serial()類_
        self.dev             = serial.Serial()
        self.dev.port        = devport
        self.dev.baudrate    = devbaudrate
        self.dev.bytesize    = devbytesize
        self.dev.parity      = devparity
        self.dev.stopbits    = devstopbits
        _# 表示串口設(shè)備的狀態(tài)-打開或者關(guān)閉_
        _# 初始化時為關(guān)閉_
        self.__devstate      = False

        print("SerialClass init")
        logging.info("SerialClass init")

    _# 取值方法_
    @property
    def devstate(self):
        return self.__devstate

    _# 打開串口_
    def OpenSerial(self):
        print("SerialClass-OpenSerial")
        logging.info("SerialClass-OpenSerial")
        self.dev.open()
        self.__devstate = True

    _# 關(guān)閉串口_
    def CloseSerial(self):
        print("SerialClass-CloseSerial")
        logging.info("SerialClass-CloseSerial")
        self.dev.close()
        self.__devstate = False

    _# 串口讀取_
    def ReadSerial(self):
        print("SerialClass-ReadSerial")
        logging.info("SerialClass-ReadSerial")
        if self.__devstate:
            _# 阻塞方式讀取_
            _# 按行讀取_
            data = self.dev.readline()
            _# 收到為二進制數(shù)據(jù)_
            _# 用utf-8編碼將二進制數(shù)據(jù)解碼為unicode字符串_
            _# 字符串轉(zhuǎn)為int類型_
            data = int(data.decode('utf-8', 'replace'))
            return data

    _# 串口寫入_
    def WriteSerial(self,write_data):
        print("SerialClass-WriteSerial")
        logging.info("SerialClass-WriteSerial")
        if self.__devstate:
            _# 非阻塞方式寫入_
            self.dev.write(write_data.encode())
            _# 輸出換行符_
            _# write的輸入?yún)?shù)必須是bytes 格式_
            _# 字符串?dāng)?shù)據(jù)需要encode()函數(shù)將其編碼為二進制數(shù)據(jù)，然后才可以順利發(fā)送_
            _# \r\n表示換行回車_
            self.dev.write('\r\n'.encode())

    def RetSerialState(self):
        if self.dev.isOpen():
            self.__devstate = True
            return True
        else:
            self.__devstate = False
            return False

class PlotClass:
    _# 繪圖類初始化_
    def __init__(self,wintitle:str="Basic plotting examples",plottitle:str="Updating plot",width:int=1000,height:int=600):
        '''
        用于初始化Plot類
        :param wintitle:  窗口標題
        :param plottitle: 圖層標題
        :param width:     窗口寬度
        :param height:    窗口高度
        '''
        _# Qt應(yīng)用實例對象_
        self.app        = None
        _# 窗口對象_
        self.win        = None
        _# 設(shè)置窗口標題_
        self.title      = wintitle
        _# 設(shè)置窗口尺寸_
        self.width      = width
        self.height     = height
        _# 傳感器數(shù)據(jù)_
        self.value      = 0
        _# 計數(shù)變量_
        self.__count    = 0
        _# 傳感器數(shù)據(jù)緩存列表_
        self.valuelist  = []
        _# 繪圖曲線_
        self.curve      = None
        _# 圖層對象_
        self.plotob     = None
        _# 圖層標題_
        self.plottitle  = plottitle
        _# 定時器對象_
        self.timer = QtCore.QTimer()
        _# 定時時間_
        self.time  = 0
        _# Qt應(yīng)用和窗口初始化_
        self.appinit()

        print("PLOT INIT SUCCESS")
        logging.info("PLOT INIT SUCCESS")

    _# 應(yīng)用程序初始化_
    def appinit(self):
        '''
        用于qt應(yīng)用程序初始化，添加窗口、曲線和圖層
        :return: None
        '''
        _# 創(chuàng)建一個Qt應(yīng)用，并返回該應(yīng)用的實例對象_
        self.app = pg.mkQApp("Plotting Example")
        _# 生成多面板圖形_
        _# show：(bool) 如果為 True，則在創(chuàng)建小部件后立即顯示小部件。_
        _# title：(str 或 None)如果指定，則為此小部件設(shè)置窗口標題。_
        self.win = pg.GraphicsLayoutWidget(show=True, title=self.title)
        _# 設(shè)置窗口尺寸_
        self.win.resize(self.width, self.height)
        _# 進行窗口全局設(shè)置，setConfigOptions一次性配置多項參數(shù)_
        _# antialias啟用抗鋸齒，useNumba對圖像進行加速_
        pg.setConfigOptions(antialias=True, useNumba=True)

        _# 添加圖層_
        self.plotob = self.win.addPlot(title=self.plottitle)
        _# 添加曲線_
        self.curve = self.plotob.plot(pen='y')

    _# 接收數(shù)據(jù)_
    def GetValue(self,value):
        '''
        用于接收傳感器數(shù)據(jù)，加入緩存列表
        :param value: 傳感器數(shù)據(jù)
        :return: None
        '''
        self.value = value
        _# 加入數(shù)據(jù)緩存列表_
        self.valuelist.append(value)
        print("PLOT RECV DATA : "+str(self.value))
        logging.info("PLOT RECV DATA : "+str(self.value))

    _# 更新曲線數(shù)據(jù)_
    def DataUpdate(self):
        '''
        用于定時進行曲線更新,這里模擬繪制正弦曲線
        :return: None
        '''
        _# 模擬繪制正弦曲線_
        _# 計數(shù)變量更新_
        self.__count = self.__count + 0.1
        self.value = np.sin(self.__count)
        self.GetValue(self.value)
        _# 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形_
        self.curve.setData(self.valuelist)

    _# 設(shè)置定時更新_
    def SetUpdate(self,time:int = 100):
        '''
        設(shè)置定時更新任務(wù)
        :param time: 定時的時間
        :return: None
        '''
        _# 定時器結(jié)束，觸發(fā)DataUpdate方法_
        self.timer.timeout.connect(self.DataUpdate)
        _# 啟動定時器_
        self.timer.start(time)
        _# 定時時間_
        self.time = time
        print("PLOT SET UPDATA")
        logging.info("PLOT SET UPDATA")
        _# 進入主事件循環(huán)并等待_
        pg.exec()

class FileIOClass:
    def __init__(self,path:str="G:\\Python面向?qū)ο缶幊蘚\Demo\\file.csv"):
        '''
        初始化csv文件和列標題
        :param path: 文件路徑和文件名
        '''
        self.path   = path
        _# path為輸出路徑和文件名，newline=''是為了不出現(xiàn)空行_
        self.csvFile = open(path, "w+", newline='')
        _# rowname為列名，index-索引，data-數(shù)據(jù)_
        self.rowname = ['index', 'data']
        _# 返回一個writer對象，將用戶的數(shù)據(jù)在給定的文件型對象上轉(zhuǎn)換為帶分隔符的字符串_
        self.writer = csv.writer(self.csvFile)
        _# 寫入csv文件的列標題_
        self.writer.writerow(self.rowname)

    def WriteFile(self,index:List[int],data:List[int])->None:
        '''
        :param index: 傳感器索引列表
        :param data:  傳感器數(shù)據(jù)列表
        :return:
        '''
        writedatalist = []
        for i in range(len(data)):
            writedatalist.append([index[i],data[i]])
            _# 將列表中的每個元素將被寫入CSV文件的一列中_
            self.writer.writerow(writedatalist[i])

    def CloseFile(self)->None:
        '''
        關(guān)閉文件
        :return: None
        '''
        self.csvFile.close()

class SensorClass(SerialClass):
    _# 類變量：_
    _#   RESPOND_MODE -響應(yīng)模式-0_
    _#   LOOP_MODE    -循環(huán)模式-1_
    RESPOND_MODE,LOOP_MODE = (0,1)
    _# 類變量：_
    _#   START_CMD       - 開啟命令      -0_
    _#   STOP_CMD        - 關(guān)閉命令      -1_
    _#   SENDID_CMD      - 發(fā)送ID命令    -2_
    _#   SENDVALUE_CMD   - 發(fā)送數(shù)據(jù)命令   -3_
    START_CMD,STOP_CMD,SENDID_CMD,SENDVALUE_CMD = (0,1,2,3)

    _# 類的初始化_
    def __init__(self,port:str = "COM11",id:int = 0,state:int = RESPOND_MODE):
        _# 調(diào)用父類的初始化方法，super() 函數(shù)將父類和子類連接_
        super().__init__(port)
        self.sensorvalue = 0
        self.sensorid    = id
        self.sensorstate = state
        print("Sensor Init")
        logging.info("Sensor Init")

    @staticmethod
    _# 判斷傳感器ID號是否正確：這里判斷ID號是否在0到99之間_
    def IsTrueID(id:int = 0):
        if id >= 0 and id <= 99:
            print("Sensor ID True")
            return True
        else:
            print("Sensor ID False")
            return False

    _# 傳感器上電初始化_
    def InitSensor(self):
        _# 傳感器上電初始化工作_
        _# 同時輸出ID號以及狀態(tài)_
        print("Sensor %d Init complete : %d"%(self.sensorid,self.sensorstate))
        logging.info("Sensor %d Init complete : %d"%(self.sensorid,self.sensorstate))

    _# 開啟傳感器_
    def StartSensor(self):
        super().OpenSerial()
        print("Sensor %d start serial %s "%(self.sensorid,self.dev.port))
        logging.info("Sensor %d start serial %s "%(self.sensorid,self.dev.port))

    _# 停止傳感器_
    def StopSensor(self):
        super().CloseSerial()
        print("Sensor %d close serial %s " % (self.sensorid, self.dev.port))
        logging.info("Sensor %d close serial %s " % (self.sensorid, self.dev.port))

    _# 發(fā)送傳感器ID號_
    def SendSensorID(self):
        super().WriteSerial(str(self.sensorid))
        print("Sensor %d send id "%self.sensorid)
        logging.info("Sensor %d send id "%self.sensorid)

    _# 發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)_
    def SendSensorValue(self):
        _# 生成[1, 10]內(nèi)的隨機整數(shù)_
        data = random.randint(1, 10)
        super().WriteSerial(str(data))
        print("Sensor %d send data  %d" % (self.sensorid,data))
        logging.info("Sensor %d send data  %d" % (self.sensorid,data))

    _# 接收主機指令_
    def RecvMasterCMD(self):
        cmd = super().ReadSerial()
        print("Sensor %d recv cmd %d " % (self.sensorid,cmd))
        logging.info("Sensor %d recv cmd %d " % (self.sensorid,cmd))
        return cmd

class MasterClass(SerialClass,PlotClass):
    _# 類變量：_
    _#   BUSY_STATE  -忙碌狀態(tài)-0_
    _#   IDLE_STATE  -空閑狀態(tài)-1_
    BUSY_STATE, IDLE_STATE = (0, 1)
    _# 類變量：_
    _#   START_CMD       - 開啟命令      -0_
    _#   STOP_CMD        - 關(guān)閉命令      -1_
    _#   SENDID_CMD      - 發(fā)送ID命令    -2_
    _#   SENDVALUE_CMD   - 發(fā)送數(shù)據(jù)命令   -3_
    START_CMD, STOP_CMD, SENDID_CMD, SENDVALUE_CMD = (0, 1, 2, 3)

    _# 類的初始化_
    def __init__(self,state:int = IDLE_STATE,port:str = "COM17",wintitle:str="Basic plotting examples",plottitle:str="Updating plot",width:int=1000,height:int=600):
        _# 分別調(diào)用不同父類的__init__方法_
        SerialClass.__init__(self,port)
        PlotClass.__init__(self,wintitle,plottitle,width,height)
        self.valuequeue   = queue.Queue(10)
        self.__masterstatue = state
        _# 初始化完成的標志量_
        self.INIT_FLAG = False
        _# 文件保存路徑_
        self.savepath = "G:\\Python面向?qū)ο缶幊蘚\Demo\\file.csv"
        _# 創(chuàng)建FileIOClass類的實例化對象_
        self.fileio = FileIOClass(self.savepath)
        print("MASTER INIT SUCCESSS")
        logging.info("MASTER INIT SUCCESSS")

    @classmethod
    def MasterInfo(cls):
        print("Info : "+str(cls))

    _# 開啟主機_
    def StartMaster(self):
        super().OpenSerial()
        print("START MASTER :"+self.dev.port)
        logging.info("START MASTER :"+self.dev.port)

    _# 停止主機_
    def StopMaster(self):
        super().CloseSerial()
        print("CLOSE MASTER :" + self.dev.port)
        logging.info("CLOSE MASTER :" + self.dev.port)

    _# 接收傳感器ID號_
    def RecvSensorID(self):
        sensorid = super().ReadSerial()
        print("MASTER RECIEVE ID : " + str(sensorid))
        logging.info("MASTER RECIEVE ID : " + str(sensorid))
        return sensorid

    _# 接收傳感器數(shù)據(jù)_
    def RecvSensorValue(self):
        data = super().ReadSerial()
        print("MASTER RECIEVE DATA : " + str(data))
        logging.info("MASTER RECIEVE DATA : " + str(data))
        self.valuequeue.put(data)
        return data

    _# 主機發(fā)送命令_
    def SendSensorCMD(self,cmd):
        super().WriteSerial(str(cmd))
        print("MASTER SEND CMD : " + str(cmd))
        logging.info("MASTER SEND CMD : " + str(cmd))

    _# 主機返回工作狀態(tài)-_
    def RetMasterStatue(self):
        return self.__masterstatue

    _# 重寫父類的DataUpdate方法_
    def DataUpdate(self):
        self.SendSensorCMD(self.SENDVALUE_CMD)
        self.value = self.RecvSensorValue()
        self.WriteSerial("Recv:"+str(self.value))
        self.GetValue(self.value)
        self.curve.setData(self.valuelist)
        print("PLOT UPDATA : " + str(self.value))
        logging.info("PLOT UPDATA : " + str(self.value))

class DevClass(SerialClass):
    def __init__(self,port:str = "COM1"):
        super().__init__(port)

    _# 開啟設(shè)備_
    def StartDev(self):
        super().OpenSerial()
        print("START Dev :" + self.dev.port)

    def ReadSerial(self,byte_size):
        if super().RetSerialState():
            data = self.dev.read(byte_size)
            data = int(data.decode('utf-8', 'replace'))
            return data

_# 判斷串口類對象的串口是否開啟_
def IsSerialConnected(serialclass):
    return serialclass.RetSerialState()

if __name__ == "__main__":
    _# 創(chuàng)建數(shù)據(jù)列表_
    datalist = []
    m = MasterClass(state = MasterClass.IDLE_STATE,
                    port = "COM17",
                    wintitle = "Basic plotting examples",
                    plottitle = "Updating plot",
                    width = 1000,
                    height = 600)
    m.StartMaster()
    m.SendSensorCMD(MasterClass.SENDID_CMD)
    m.RecvSensorID()

    _# 循環(huán)10次接收數(shù)據(jù)_
    for i in range(10):
        m.SendSensorCMD(MasterClass.SENDVALUE_CMD)
        value = m.RecvSensorValue()
        datalist.append(value)
    indexlist = [count for count in range(len(datalist))]

    _# 寫入數(shù)據(jù)_
    m.fileio.WriteFile(indexlist,datalist)
    m.fileio.CloseFile()