基于QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的圖形控制界面設(shè)計(jì)

　在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采用圖形界面對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制具有結(jié)構(gòu)清晰、操作方便、界面友好等優(yōu)點(diǎn)。但目前工業(yè)控制等領(lǐng)域采用的圖形控制界面開(kāi)發(fā)平臺(tái)多為通用的組態(tài)軟件，這種圖形控制軟件依賴Windows平臺(tái)運(yùn)行，穩(wěn)定性和可靠性不高，在工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高的系統(tǒng)中應(yīng)用較少。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是專門(mén)用于實(shí)時(shí)控制的一類操作系統(tǒng)，相比于常用的分時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大多擁有微內(nèi)核，并且通過(guò)對(duì)結(jié)果返回的時(shí)間限制來(lái)實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行的可預(yù)測(cè)性，因此具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。近年來(lái)，隨著實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在一些可靠性和實(shí)時(shí)性要求較高的領(lǐng)域的成功應(yīng)用，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)得以快速發(fā)展。為適應(yīng)硬件的發(fā)展和用戶的需求，各大實(shí)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商都開(kāi)發(fā)出適合該系統(tǒng)的圖形控制界面，如VxWorks的WindML和QNX的PhAB。本文在船舶動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究了圖形控制界面設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制程序。
1 圖形界面開(kāi)發(fā)環(huán)境
　　PhAB(Photon Application Builder)是QNX集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(QNX Momentics IDE)附帶的圖形界面編輯器。PhAB承接了QNX微內(nèi)核和可優(yōu)化裁減的優(yōu)點(diǎn)，使用PhAB編寫(xiě)出的系統(tǒng)除用于核心內(nèi)存保護(hù)的微內(nèi)核和一些必要的核心管理器之外，其他功能都是可選擇的。這種設(shè)計(jì)不僅保證了作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)的高可靠性和實(shí)時(shí)性，也在很大程度上提高了使用PhAB所開(kāi)發(fā)的圖形界面控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍[1]。
　　PhAB采用所見(jiàn)即所得的控制界面開(kāi)發(fā)模式，并帶有常用控件數(shù)據(jù)庫(kù)，在控制界面設(shè)計(jì)時(shí)可以直接在界面編輯區(qū)域創(chuàng)建工作控件并進(jìn)行所需設(shè)置，而無(wú)需程序編寫(xiě)。
　　基于QNX的控制界面和程序設(shè)計(jì)支持主機(jī)——目標(biāo)機(jī)的開(kāi)發(fā)模式，主機(jī)用于界面和程序的設(shè)計(jì)編寫(xiě)，目標(biāo)機(jī)用于運(yùn)行編譯好的程序。主機(jī)可以是裝有Windows或Linux等常用操作系統(tǒng)的PC，且支持多人同時(shí)對(duì)同一系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)的控制界面和程序就是在裝有QNX Momentics IDE 4.0.1的Windows XP操作系統(tǒng)的PC上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
2  軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分2個(gè)部分：一部分是系統(tǒng)控制界面設(shè)計(jì)，QNX提供了多種方式對(duì)控制界面進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，可以在PhAB中創(chuàng)建編輯，也可以使用QNX提供的函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)；另一部分為控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)， QNX Momentics IDE支持多種語(yǔ)言對(duì)基于QNX的應(yīng)用程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)，包括Java、C和C++等。
2.1 界面設(shè)計(jì)
　　控制界面部分的設(shè)計(jì)主要在PhAB中完成。PhAB以類的方式定義每一個(gè)控件，共有76個(gè)控件類，其中大部分在PhAB中都有相應(yīng)的圖標(biāo)與之對(duì)應(yīng)，控件的總父類為PtWidget。每個(gè)控件類由多個(gè)不同的資源(resources)來(lái)定義，例如在文本控件(PtText)中，字體的類型、大小、顏色都是該控件的資源。值得注意的是，PhAB中不允許兩個(gè)控件擁有同一個(gè)名字，并且一個(gè)控件被創(chuàng)建后，系統(tǒng)將為該控件指定一個(gè)由前綴“ABN_”加控件名組成的局部變量名和一個(gè)由前綴“ABW_”加控件名組成的指向該控件的指針，當(dāng)需要調(diào)用該控件時(shí)，可以直接使用為其分配的局部變量名或指針。
　　以資源的方式定義控件類提高了控件編輯的效率。QNX提供了多個(gè)函數(shù)對(duì)控件的資源進(jìn)行讀寫(xiě)操作，常用到的如PtSetResources( )和PtGetRosources( )就是對(duì)控件類的單個(gè)或多個(gè)資源進(jìn)行讀寫(xiě)操作的函數(shù)。系統(tǒng)中各種控件狀態(tài)變化頻繁，需要經(jīng)常對(duì)控件的一個(gè)或幾個(gè)資源進(jìn)行更改，如下所示為系統(tǒng)中使某個(gè)閥件標(biāo)識(shí)背景圖形變換的程序片段：
　　PtArg_t arg[2];                  //定義控件資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
　　PhImage_t *image; 　
　　…
　　　　　　　　　　　　　　　　　　/*以下是對(duì)控件資源的讀取和設(shè)置*/
　　PtSetArg(&arg[1],Pt_ARG_ARM_IMAGE,&image,0);
　　PtGetResources(ABW_Button1,1,&arg[1]);
　　PtSetArg(&arg[1],Pt_ARG_ARM_IMAGE,image,0);
　　PtSetResources(ABW_Button2,1,&arg[1]);
　　PtBkgdHandlerProcess();
　　…
　　在PhAB中，不僅可以將不同的控件組合成一個(gè)只具有它們共同屬性的組合控件，還可以將個(gè)性化的控件類定義為自己的模板，下次需要使用同類型控件時(shí)，只需直接調(diào)用即可。同時(shí)，PhAB還提供了一個(gè)叫做類型轉(zhuǎn)換(Change Class)的強(qiáng)大功能。顧名思義，類型轉(zhuǎn)換就是可以任意改變控件所屬的類，而控件的類又是控件所有屬性的集合。使用此功能不僅可以隨意改變控件的類型，還可以方便地制作形狀不同的各類控件。如若制作一個(gè)特殊形狀的按鈕控件，只需把控件的形狀在繪圖軟件上畫(huà)好后導(dǎo)入PhAB中，再使用類型轉(zhuǎn)換的功能將其定義為一個(gè)PtButton控件就可以了。
　　圖1為系統(tǒng)控制界面的截圖，圖中線條、方框和各種按鈕都作為一個(gè)或幾個(gè)控件類而存在，控制面板對(duì)系統(tǒng)相關(guān)部分進(jìn)行控制，被控對(duì)象的不同狀態(tài)將以不同的顏色在界面的對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)上表示。

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　　PhAB為每個(gè)控件提供十余種程序調(diào)用方式，常用到的有按下調(diào)用(Armed)、點(diǎn)擊調(diào)用(Activated，點(diǎn)擊為一個(gè)在同一控件上按下然后松開(kāi)的過(guò)程)、熱鍵調(diào)用(Hotkey)和鼠標(biāo)右鍵按下調(diào)用(Menu)等，系統(tǒng)默認(rèn)它們分別調(diào)用Pt_CB_ARM、Pt_CB_ACTIVATE、Pt_CB_HOTKEY和Pt_CB_MENU函數(shù)，如果需要調(diào)用自定義的函數(shù)，可以直接在提供的對(duì)話框中輸入需調(diào)用的函數(shù)名和所在文件。當(dāng)觸發(fā)的事件是顯示一個(gè)窗口或?qū)υ捒驎r(shí)，還可以指定調(diào)用是在窗口構(gòu)建之前還是之后。
2.2 程序設(shè)計(jì)
　　QNX Momentics IDE支持C/C++語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且兼容C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)(STL)，熟練的C/C++程序員可以很快地掌握在QNX Momentics IDE中進(jìn)行程序編寫(xiě)的技巧。值得一提的是，在QNX集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下對(duì)圖形界面控制系統(tǒng)的主程序進(jìn)行編寫(xiě)并不用直接對(duì)main()函數(shù)進(jìn)行編輯，而是將編寫(xiě)的程序掛載到main()函數(shù)中，并可以選擇程序是在圖形界面生成前運(yùn)行還是之后運(yùn)行。系統(tǒng)主程序的方框圖如圖2所示。

　　在程序運(yùn)行時(shí)，預(yù)處理命令先于生成圖形界面部分執(zhí)行，它與系統(tǒng)初始化及以后的程序不在同一個(gè)編寫(xiě)的函數(shù)中，但都是main( )函數(shù)的一部分。讀取并顯示狀態(tài)信號(hào)部分程序在執(zhí)行中會(huì)自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)所標(biāo)識(shí)狀態(tài)是否達(dá)到或超過(guò)警報(bào)值和危險(xiǎn)值，當(dāng)讀取到警報(bào)值信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出報(bào)警；存在危險(xiǎn)值信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)將按編寫(xiě)的程序自動(dòng)處理。
　　在控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)運(yùn)算。如對(duì)某個(gè)閥發(fā)出開(kāi)閥的控制命令時(shí)，系統(tǒng)不僅要顯示需更改閥圖標(biāo)的變換(以標(biāo)識(shí)該閥正在進(jìn)行相關(guān)操作)，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、邏輯運(yùn)算等。若此時(shí)某項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到警戒值，還要能及時(shí)進(jìn)行相關(guān)處理。因此，除了應(yīng)用中斷的方式提高程序運(yùn)行效率外，還有必要進(jìn)行多線程編程。
QNX為多線程編程提供了豐富的函數(shù)。如線程創(chuàng)建函數(shù)pthread_create( )、ThreadCreate_r( )和ThreadCreated( ),線程終止函數(shù)pthread_exit( )、ThreadDestroy( )和Thread
Destroy_r( )等。當(dāng)然，各個(gè)函數(shù)的使用有差別，以線程創(chuàng)建函數(shù)為例，相比于pthread_create( )函數(shù)，ThreadCreate_r( )和ThreadCreated( )都是從內(nèi)核直接創(chuàng)建線程，并且它們的使用方法很相似，ThreadCreate_r( )函數(shù)與ThreadCreated( )函數(shù)的唯一區(qū)別在于創(chuàng)建線程出錯(cuò)時(shí)的返回值不同。下面是系統(tǒng)中用pthread_create( )函數(shù)創(chuàng)建的一個(gè)信號(hào)處理線程：

　　在多線程程序的編寫(xiě)過(guò)程中，需要使用互斥體來(lái)保護(hù)線程的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，以保證公共數(shù)據(jù)不被其他線程修改破壞。在QNX中，可以使用函數(shù)pthread_mutex_init( )來(lái)創(chuàng)建一個(gè)互斥體，使用函數(shù)pthread_mutex_lock( )和pthread_mutex_unlo
　　ck( )來(lái)鎖住一個(gè)互斥體和為一個(gè)互斥體解鎖。
　　本系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺(tái)為一臺(tái)SBS公司的VP9 6U VME Single Board Computer，一塊由Acromag公司生產(chǎn)的AVME9668 VME bus 6U Non-intelligent IP Carrrier Cards和IP408 High Voltage Digital Input/Output信號(hào)采集模塊，單板機(jī)和信號(hào)采集卡都插在基于VME64x總線協(xié)議的6U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱中運(yùn)行。長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試運(yùn)行表明，本文所設(shè)計(jì)的基于QNX操作系統(tǒng)的圖形控制軟件運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能，達(dá)到了既定要求。