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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(jié)構(gòu)清晰、操作方便、界面友好等優(yōu)點。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(nèi)核，并且通過對結(jié)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(lǐng)域的成功應(yīng)用，實時操作系統(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(shè)計中，以QNX實時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究了圖形控制界面設(shè)計的特點，設(shè)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(nèi)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(nèi)存保護的微內(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(yīng)用范圍。 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(shè)置，而無需程序編寫。 基于QNX的控制界面和程序設(shè)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(shè)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(shè)計的。 2 軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計分2個部分：一部分是系統(tǒng)控制界面設(shè)計，QNX提供了多種方式對控制界面進行個性化設(shè)置，可以在PhAB中創(chuàng)建編輯，也可以使用QNX提供的函數(shù)進行編寫；另一部分為控制系統(tǒng)程序設(shè)計， QNX Momentics IDE支持多種語言對基于QNX的應(yīng)用程序進行開發(fā)，包括Java、C和C++等。 2.1 界面設(shè)計 控制界面部分的設(shè)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(yīng)的圖標與之對應(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，當需要調(diào)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(jīng)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; //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,Pt_ARG_ARM_IMAGE,ℑ,0); PtGetResources(ABW_Button1,1,&arg); PtSetArg(&arg,Pt_ARG_ARM_IMAGE,image,0); PtSetResources(ABW_Button2,1,&arg); 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(diào)用即可。同時，PhAB還提供了一個叫做類型轉(zhuǎn)換(Change Class)的強大功能。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)標識上表示。 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)、點擊調(diào)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(diào)用(Hotkey)和鼠標右鍵按下調(diào)用(Menu)等，系統(tǒng)默認它們分別調(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。當觸發(fā)的事件是顯示一個窗口或?qū)υ捒驎r，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 QNX Momentics IDE支持C/C++語言對系統(tǒng)進行設(shè)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(guān)操作)，還要進行數(shù)據(jù)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(guān)處理。因此，除了應(yīng)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(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(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(diào)試運行表明，本文所設(shè)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。 |
