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在計算機控制系統中，采用圖形界面對被控對象實(shí)施控制具有結構清晰、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)平臺多為通用的組態(tài)軟件，這種圖形控制軟件依賴(lài)Windows平臺運行，穩定性和可靠性不高，在工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高的系統中應用較少。實(shí)時(shí)操作系統是專(zhuān)門(mén)用于實(shí)時(shí)控制的一類(lèi)操作系統，相比于常用的分時(shí)操作系統，實(shí)時(shí)操作系統大多擁有微內核，并且通過(guò)對結果返回的時(shí)間限制來(lái)實(shí)現程序運行的可預測性，因此具有較高的穩定性和可靠性。近年來(lái)，隨著(zhù)實(shí)時(shí)操作系統在一些可靠性和實(shí)時(shí)性要求較高的領(lǐng)域的成功應用，實(shí)時(shí)操作系統得以快速發(fā)展。為適應硬件的發(fā)展和用戶(hù)的需求，各大實(shí)時(shí)系統開(kāi)發(fā)商都開(kāi)發(fā)出適合該系統的圖形控制界面，如VxWorks的WindML和QNX的PhAB。本文在船舶動(dòng)力裝置控制系統設計中，以QNX實(shí)時(shí)操作系統為基礎，研究了圖形控制界面設計的特點(diǎn)，設計了系統控制程序。 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微內核和可優(yōu)化裁減的優(yōu)點(diǎn)，使用PhAB編寫(xiě)出的系統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(shí)時(shí)系統的高可靠性和實(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的應用范圍。 PhAB采用所見(jiàn)即所得的控制界面開(kāi)發(fā)模式，并帶有常用控件數據庫，在控制界面設計時(shí)可以直接在界面編輯區域創(chuàng )建工作控件并進(jìn)行所需設置，而無(wú)需程序編寫(xiě)。 基于QNX的控制界面和程序設計支持主機——目標機的開(kāi)發(fā)模式，主機用于界面和程序的設計編寫(xiě)，目標機用于運行編譯好的程序。主機可以是裝有Windows或Linux等常用操作系統的PC，且支持多人同時(shí)對同一系統進(jìn)行開(kāi)發(fā)。本系統的控制界面和程序就是在裝有QNX Momentics IDE 4.0.1的Windows XP操作系統的PC上進(jìn)行設計的。 2 軟件設計 系統軟件設計分2個(gè)部分：一部分是系統控制界面設計，QNX提供了多種方式對控制界面進(jìn)行個(gè)性化設置，可以在PhAB中創(chuàng )建編輯，也可以使用QNX提供的函數進(jìn)行編寫(xiě)；另一部分為控制系統程序設計， QNX Momentics IDE支持多種語(yǔ)言對基于QNX的應用程序進(jìn)行開(kāi)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(lèi)的方式定義每一個(gè)控件，共有76個(gè)控件類(lèi)，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(lèi)為PtWidget。每個(gè)控件類(lèi)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(lèi)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，當需要調用該控件時(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(lèi)提高了控件編輯的效率。QNX提供了多個(gè)函數對控件的資源進(jìn)行讀寫(xiě)操作，常用到的如PtSetResources( )和PtGetRosources( )就是對控件類(lèi)的單個(gè)或多個(gè)資源進(jìn)行讀寫(xiě)操作的函數。系統中各種控件狀態(tài)變化頻繁，需要經(jīng)常對控件的一個(gè)或幾個(gè)資源進(jìn)行更改，如下所示為系統中使某個(gè)閥件標識背景圖形變換的程序片段： PtArg_t arg; //定義控件資源的數據結構 PhImage_t *image; … /*以下是對控件資源的讀取和設置*/ 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(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(lèi)定義為自己的模板，下次需要使用同類(lèi)型控件時(shí)，只需直接調用即可。同時(shí)，PhAB還提供了一個(gè)叫做類(lèi)型轉換(Change Class)的強大功能。顧名思義，類(lèi)型轉換就是可以任意改變控件所屬的類(lèi)，而控件的類(lèi)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(lèi)型，還可以方便地制作形狀不同的各類(lèi)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)好后導入PhAB中，再使用類(lèi)型轉換的功能將其定義為一個(gè)PtButton控件就可以了。 圖1為系統控制界面的截圖，圖中線(xiàn)條、方框和各種按鈕都作為一個(gè)或幾個(gè)控件類(lèi)而存在，控制面板對系統相關(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標識上表示。 PhAB為每個(gè)控件提供十余種程序調用方式，常用到的有按下調用(Armed)、點(diǎn)擊調用(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)、熱鍵調用(Hotkey)和鼠標右鍵按下調用(Menu)等，系統默認它們分別調用Pt_CB_ARM、Pt_CB_ACTIVATE、Pt_CB_HOTKEY和Pt_CB_MENU函數，如果需要調用自定義的函數，可以直接在提供的對話(huà)框中輸入需調用的函數名和所在文件。當觸發(fā)的事件是顯示一個(gè)窗口或對話(huà)框時(shí)，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(yǔ)言對系統進(jìn)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(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)境下對圖形界面控制系統的主程序進(jìn)行編寫(xiě)并不用直接對main()函數進(jìn)行編輯，而是將編寫(xiě)的程序掛載到main()函數中，并可以選擇程序是在圖形界面生成前運行還是之后運行。系統主程序的方框圖如圖2所示。 在程序運行時(shí)，預處理命令先于生成圖形界面部分執行，它與系統初始化及以后的程序不在同一個(gè)編寫(xiě)的函數中，但都是main( )函數的一部分。讀取并顯示狀態(tài)信號部分程序在執行中會(huì )自動(dòng)檢測信號所標識狀態(tài)是否達到或超過(guò)警報值和危險值，當讀取到警報值信號時(shí)，系統將自動(dòng)發(fā)出報警；存在危險值信號時(shí)，系統將按編寫(xiě)的程序自動(dòng)處理。 在控制系統運行時(shí)，需要同時(shí)進(jìn)行多項運算。如對某個(gè)閥發(fā)出開(kāi)閥的控制命令時(shí)，系統不僅要顯示需更改閥圖標的變換(以標識該閥正在進(jìn)行相關(guān)操作)，還要進(jìn)行數據采集、邏輯運算等。若此時(shí)某項指標達到警戒值，還要能及時(shí)進(jìn)行相關(guān)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(jìn)行多線(xiàn)程編程。 QNX為多線(xiàn)程編程提供了豐富的函數。如線(xiàn)程創(chuàng )建函數pthread_create( )、ThreadCreate_r( )和ThreadCreated( ),線(xiàn)程終止函數pthread_exit( )、ThreadDestroy( )和Thread Destroy_r( )等。當然，各個(gè)函數的使用有差別，以線(xiàn)程創(chuàng )建函數為例，相比于pthread_create( )函數，ThreadCreate_r( )和ThreadCreated( )都是從內核直接創(chuàng )建線(xiàn)程，并且它們的使用方法很相似，ThreadCreate_r( )函數與ThreadCreated( )函數的唯一區別在于創(chuàng )建線(xiàn)程出錯時(shí)的返回值不同。下面是系統中用pthread_create( )函數創(chuàng )建的一個(gè)信號處理線(xiàn)程： 在多線(xiàn)程程序的編寫(xiě)過(guò)程中，需要使用互斥體來(lái)保護線(xiàn)程的數據訪(fǎng)問(wèn)，以保證公共數據不被其他線(xiàn)程修改破壞。在QNX中，可以使用函數pthread_mutex_init( )來(lái)創(chuàng )建一個(gè)互斥體，使用函數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(xiàn)協(xié)議的6U標準機箱中運行。長(cháng)時(shí)間的調試運行表明，本文所設計的基于QNX操作系統的圖形控制軟件運行穩定、可靠，實(shí)現了系統功能，達到了既定要求。 |
