基于QNX實時操作系統(tǒng)的圖形控制界面設計

　在計算機控制系統(tǒng)中，采用圖形界面對被控對象實施控制具有結構清晰、操作方便、界面友好等優(yōu)點。但目前工業(yè)控制等領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)中應用較少。實時操作系統(tǒng)是專門用于實時控制的一類操作系統(tǒng)，相比于常用的分時操作系統(tǒng)，實時操作系統(tǒng)大多擁有微內核，并且通過對結果返回的時間限制來實現(xiàn)程序運行的可預測性，因此具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。近年來，隨著實時操作系統(tǒng)在一些可靠性和實時性要求較高的領域的成功應用，實時操作系統(tǒng)得以快速發(fā)展。為適應硬件的發(fā)展和用戶的需求，各大實時系統(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)設計中，以QNX實時操作系統(tǒng)為基礎，研究了圖形控制界面設計的特點，設計了系統(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微內核和可優(yōu)化裁減的優(yōu)點，使用PhAB編寫出的系統(tǒng)除用于核心內存保護的微內核和一些必要的核心管理器之外，其他功能都是可選擇的。這種設計不僅保證了作為實時系統(tǒng)的高可靠性和實時性，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)據庫，在控制界面設計時可以直接在界面編輯區(qū)域創(chuàng)建工作控件并進行所需設置，而無需程序編寫。
　　基于QNX的控制界面和程序設計支持主機——目標機的開發(fā)模式，主機用于界面和程序的設計編寫，目標機用于運行編譯好的程序。主機可以是裝有Windows或Linux等常用操作系統(tǒng)的PC，且支持多人同時對同一系統(tǒng)進行開發(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上進行設計的。
2  軟件設計
　　系統(tǒng)軟件設計分2個部分：一部分是系統(tǒng)控制界面設計，QNX提供了多種方式對控制界面進行個性化設置，可以在PhAB中創(chuàng)建編輯，也可以使用QNX提供的函數(shù)進行編寫；另一部分為控制系統(tǒng)程序設計， QNX Momentics IDE支持多種語言對基于QNX的應用程序進行開發(fā)，包括Java、C和C++等。
2.1 界面設計
　　控制界面部分的設計主要在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中都有相應的圖標與之對應，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，當需要調用該控件時，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，需要經常對控件的一個或幾個資源進行更改，如下所示為系統(tǒng)中使某個閥件標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)據結構
　　PhImage_t *image; 　
　　…
　　　　　　　　　　　　　　　　　　/*以下是對控件資源的讀取和設置*/
　　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，只需直接調用即可。同時，PhAB還提供了一個叫做類型轉換(Change Class)的強大功能。顧名思義，類型轉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入PhAB中，再使用類型轉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)相關部分進行控制，被控對象的不同狀態(tài)將以不同的顏色在界面的對應標識上表示。

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　　PhAB為每個控件提供十余種程序調用方式，常用到的有按下調用(Armed)、點擊調用(Activated，點擊為一個在同一控件上按下然后松開的過程)、熱鍵調用(Hotkey)和鼠標右鍵按下調用(Menu)等，系統(tǒng)默認它們分別調用Pt_CB_ARM、Pt_CB_ACTIVATE、Pt_CB_HOTKEY和Pt_CB_MENU函數(shù)，如果需要調用自定義的函數(shù)，可以直接在提供的對話框中輸入需調用的函數(shù)名和所在文件。當觸發(fā)的事件是顯示一個窗口或對話框時，還可以指定調用是在窗口構建之前還是之后。
2.2 程序設計
　　QNX Momentics IDE支持C/C++語言對系統(tǒng)進行設計，并且兼容C++標準模板庫(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)的主程序進行編寫并不用直接對main()函數(shù)進行編輯，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行還是之后運行。系統(tǒng)主程序的方框圖如圖2所示。

　　在程序運行時，預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識狀態(tài)是否達到或超過警報值和危險值，當讀取到警報值信號時，系統(tǒng)將自動發(fā)出報警；存在危險值信號時，系統(tǒng)將按編寫的程序自動處理。
　　在控制系統(tǒng)運行時，需要同時進行多項運算。如對某個閥發(fā)出開閥的控制命令時，系統(tǒng)不僅要顯示需更改閥圖標的變換(以標識該閥正在進行相關操作)，還要進行數(shù)據采集、邏輯運算等。若此時某項指標達到警戒值，還要能及時進行相關處理。因此，除了應用中斷的方式提高程序運行效率外，還有必要進行多線程編程。
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線程的數(shù)據訪問，以保證公共數(shù)據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，單板機和信號采集卡都插在基于VME64x總線協(xié)議的6U標準機箱中運行。長時間的調試運行表明，本文所設計的基于QNX操作系統(tǒng)的圖形控制軟件運行穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了系統(tǒng)功能，達到了既定要求。