基于QNX實時操作系統的圖形控制界面設計

介紹了在QNX實時操作系統圖形界面開發環境PhAB下軟件設計的特點，并結合船舶動力裝置控制系統的具體要求，設計了船舶動力裝置控制系統圖形控制界面和程序。
　　關鍵詞：QNX；PhAB；船舶動力裝置；圖形界面

　　在計算機控制系統中，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、界面友好等優點。但目前工業控制等領域采用的圖形控制界面開發平臺多為通用的組態軟件，這種圖形控制軟件依賴Windows平臺運行，穩定性和可靠性不高，在工作環境惡劣、可靠性要求高的系統中應用較少。實時操作系統是專門用于實時控制的一類操作系統，相比于常用的分時操作系統，實時操作系統大多擁有微內核，并且通過對結果返回的時間限制來實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，隨著實時操作系統在一些可靠性和實時性要求較高的領域的成功應用，實時操作系統得以快速發展。為適應硬件的發展和用戶的需求，各大實時系統開發商都開發出適合該系統的圖形控制界面，如VxWorks的WindML和QNX的PhAB。本文在船舶動力裝置控制系統設計中，以QNX實時操作系統為基礎，研究了圖形控制界面設計的特點，設計了系統控制程序。
1 圖形界面開發環境
　　PhAB(Photon Application Builder)是QNX集成開發環境(QNX Momentics IDE)附帶的圖形界面編輯器。PhAB承接了QNX微內核和可優化裁減的優點，使用PhAB編寫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時系統的高可靠性和實時性，也在很大程度上提高了使用PhAB所開發的圖形界面控制系統的應用范圍[1]。
　　PhAB采用所見即所得的控制界面開發模式，并帶有常用控件數據庫，在控制界面設計時可以直接在界面編輯區域創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等常用操作系統的PC，且支持多人同時對同一系統進行開發。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上進行設計的。
2? 軟件設計
　　系統軟件設計分2個部分：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行個性化設置，可以在PhAB中創建編輯，也可以使用QNX提供的函數進行編寫；另一部分為控制系統程序設計， QNX Momentics IDE支持多種語言對基于QNX的應用程序進行開發，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，并且一個控件被創建后，系統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。系統中各種控件狀態變化頻繁，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，控制面板對系統相關部分進行控制，被控對象的不同狀態將以不同的顏色在界面的對應標識上表示。

?

　　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框中輸入需調用的函數名和所在文件。當觸發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集成開發環境下對圖形界面控制系統的主程序進行編寫并不用直接對main()函數進行編輯，而是將編寫的程序掛載到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，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編寫的函數中，但都是main( )函數的一部分。讀取并顯示狀態信號部分程序在執行中會自動檢測信號所標識狀態是否達到或超過警報值和危險值，當讀取到警報值信號時，系統將自動發出報警；存在危險值信號時，系統將按編寫的程序自動處理。
　　在控制系統運行時，需要同時進行多項運算。如對某個閥發出開閥的控制命令時，系統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。如線程創建函數pthread_create( )、ThreadCreate_r( )和ThreadCreated( ),線程終止函數pthread_exit( )、ThreadDestroy( )和Thread
Destroy_r( )等。當然，各個函數的使用有差別，以線程創建函數為例，相比于pthread_create( )函數，ThreadCreate_r( )和ThreadCreated( )都是從內核直接創建線程，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建線程出錯時的返回值不同。下面是系統中用pthread_create( )函數創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據訪問，以保證公共數據不被其他線程修改破壞。在QNX中，可以使用函數pthread_mutex_init( )來創建一個互斥體，使用函數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操作系統的圖形控制軟件運行穩定、可靠，實現了系統功能，達到了既定要求。
參考文獻
[1]?QNX官方網站.QNX SOFTWARE SYSTEMS Ltd[EB/OL].Http://www.qnx.com,2008-10-10.
[2]?曹冰冰.基于QNX實時操作系統的測試系統的開發[N].西安：西北工業大學，2002.
[3]?王冬霞,王茂,單家方.基于QNX的分布式采集控制系統[J].核聚變與等離子體物理,2007,27(4)：334-338.