基于QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的圖形控制界面設(shè)計(jì)
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在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,采用圖形界面對被控對象實(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發(fā)平臺多為通用的組態(tài)軟件,這種圖形控制軟件依賴Windows平臺運(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,并且通過對結(jié)果返回的時(shí)間限制來實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行的可預(yù)測性,因此具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。近年來,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)開發(fā)商都開發(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 圖形界面開發(fā)環(huán)境
PhAB(Photon Application Builder)是QNX集成開發(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所開發(fā)的圖形界面控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍[1]。
PhAB采用所見即所得的控制界面開發(fā)模式,并帶有常用控件數(shù)據(jù)庫,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,而無需程序編寫。
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)的開發(fā)模式,主機(jī)用于界面和程序的設(shè)計(jì)編寫,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)對同一系統(tǒng)進(jìn)行開發(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提供了多種方式對控制界面進(jìn)行個性化設(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;另一部分為控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì), QNX Momentics IDE支持多種語言對基于QNX的應(yīng)用程序進(jìn)行開發(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控件,共有76個控件類,其中大部分在PhAB中都有相應(yīng)的圖標(biāo)與之對應(yīng),控件的總父類為PtWidget。每個控件類由多個不同的資源(resources)來定義,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中不允許兩個控件擁有同一個名字,并且一個控件被創(chuàng)建后,系統(tǒng)將為該控件指定一個由前綴“ABN_”加控件名組成的局部變量名和一個由前綴“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提供了多個函數(shù)對控件的資源進(jìn)行讀寫操作,常用到的如PtSetResources( )和PtGetRosources( )就是對控件類的單個或多個資源進(jìn)行讀寫操作的函數(shù)。系統(tǒng)中各種控件狀態(tài)變化頻繁,需要經(jīng)常對控件的一個或幾個資源進(jìn)行更改,如下所示為系統(tǒng)中使某個閥件標(biāo)識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只具有它們共同屬性的組合控件,還可以將個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。如若制作一個特殊形狀的按鈕控件,只需把控件的形狀在繪圖軟件上畫好后導(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或幾個控件類而存在,控制面板對系統(tǒng)相關(guān)部分進(jìn)行控制,被控對象的不同狀態(tài)將以不同的顏色在界面的對應(yīng)標(biāo)識上表示。
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PhAB為每個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)擊為一個在同一控件上按下然后松開的過程)、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++語言對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),并且兼容C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(STL),熟練的C/C++程序員可以很快地掌握在QNX Momentics IDE中進(jìn)行程序編寫的技巧。值得一提的是,在QNX集成開發(fā)環(huán)境下對圖形界面控制系統(tǒng)的主程序進(jìn)行編寫并不用直接對main()函數(shù)進(jìn)行編輯,而是將編寫的程序掛載到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編寫的函數(shù)中,但都是main( )函數(shù)的一部分。讀取并顯示狀態(tài)信號部分程序在執(zhí)行中會自動檢測信號所標(biāo)識狀態(tài)是否達(dá)到或超過警報(bào)值和危險(xiǎn)值,當(dāng)讀取到警報(bào)值信號時(shí),系統(tǒng)將自動發(fā)出報(bào)警;存在危險(xiǎn)值信號時(shí),系統(tǒng)將按編寫的程序自動處理。
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。如對某個閥發(fā)出開閥的控制命令時(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)建的一個信號處理線程:
在多線程程序的編寫過程中,需要使用互斥體來保護(hù)線程的數(shù)據(jù)訪問,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( )來創(chuàng)建一個互斥體,使用函數(shù)pthread_mutex_lock( )和pthread_mutex_unlo
ck( )來鎖住一個互斥體和為一個互斥體解鎖。
本系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺為一臺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信號采集模塊,單板機(jī)和信號采集卡都插在基于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。