付 瑋，王婧宇,吳中華

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710129）

控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性是系統(tǒng)能否安全運(yùn)行的基本前提。隨著當(dāng)今先進(jìn)控制技術(shù)的不斷更新與發(fā)展，控制系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，控制系統(tǒng)的仿真也提出了更高的要求，不僅要求計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)具有強(qiáng)大的通用功能，還要求其具有優(yōu)秀的實(shí)時(shí)性。

因此，本文提出一種基于RTX+Matlab+LabWindows/CVI的仿真平臺(tái)架構(gòu)。對(duì)某汽車行駛控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真。建立仿真模型后，通過自主研發(fā)Real-Time Work Shop內(nèi)相關(guān)編聯(lián)文件與目標(biāo)語(yǔ)言文件，可將simulink仿真模型轉(zhuǎn)換成可移植的RTX代碼，該程序具有高實(shí)時(shí)性，可達(dá)到預(yù)期實(shí)時(shí)要求。數(shù)據(jù)顯示等非實(shí)時(shí)任務(wù)由Win32進(jìn)程完成，該程序由LabWindows/CVI編寫，在RTSS進(jìn)程和Win32進(jìn)程間建立IPC通信和同步機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交換、互斥與同步。

1 RTX實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)與工作原理

RTX采用HAL擴(kuò)展技術(shù)為Windows操作系統(tǒng)安裝實(shí)時(shí)子系統(tǒng)RTSS。為了保證RTSS線程的實(shí)時(shí)性，RTX增加了在Windows和RTX線程間的中斷隔離，當(dāng)RTSS線程運(yùn)行時(shí)，屏蔽所有Windows控制中斷。RTSS有其獨(dú)立的進(jìn)程線程管理、進(jìn)程間通訊、中斷、時(shí)鐘、I/O管理機(jī)制。具有128個(gè)優(yōu)先級(jí)，對(duì)應(yīng)Win32的32個(gè)線程優(yōu)先級(jí)[1]。

RTSS的線程優(yōu)先于所有Windows線程，提供了對(duì)IRQ、I/O、內(nèi)存的精準(zhǔn)控制，能確保實(shí)時(shí)任務(wù)的可靠執(zhí)行。通過高速的IPC通信和同步機(jī)制，RTX進(jìn)程可方便地實(shí)現(xiàn)與Windows應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換[1]。RTX只需安裝在Windows系統(tǒng)下，減少了仿真成本，而且RTX和Windows系統(tǒng)采用進(jìn)程間通信，大大提高了實(shí)時(shí)通信的穩(wěn)定性。

同時(shí)RTX擁有3個(gè)精度達(dá)1 ms的時(shí)鐘，最小定時(shí)周期可分別達(dá)到100、200、500 ms。事件的精確執(zhí)行在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是相當(dāng)嚴(yán)格的。RTX內(nèi)核利用搶占式調(diào)度方式，在保證臨界線程的上下文切換的同時(shí)還確保線程切換時(shí)間保持在500 ns到2μs范圍內(nèi)。

RTX的內(nèi)存分配都在非分頁(yè)內(nèi)存池內(nèi)，以保證其進(jìn)程在運(yùn)行過程中不會(huì)被置換出內(nèi)存，從而確保了對(duì)外部事件響應(yīng)的確定性，避免了使用虛擬內(nèi)存因缺頁(yè)產(chǎn)生的延遲。RTSS運(yùn)行時(shí)只占用250 kB的內(nèi)存，內(nèi)存占用率極低[1]。同時(shí)，RTX對(duì)Windows系統(tǒng)在Ring 0級(jí)進(jìn)行了穩(wěn)定的、高性能的實(shí)時(shí)擴(kuò)展，同時(shí)支持30 kHz持續(xù)穩(wěn)定的中斷觸發(fā)。實(shí)時(shí)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，屏蔽一切Windows中斷和錯(cuò)誤報(bào)告，由此去掉了由線程切換、中斷調(diào)度而產(chǎn)生的延遲[1]。

表1 RTX與WIN32的優(yōu)先級(jí)對(duì)照Tab.1 Comparison of the priority between RTX and WIN32

圖1 RTX體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of RTX system

2 仿真系統(tǒng)的架構(gòu)

2.1 RTW簡(jiǎn)介

RTW（Real-Time Workshop）是MathWorks公司提供的基于MATLAB和Simulink的一種工具，它能直接從Simulink的模型中產(chǎn)生針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的、可移植的代碼，并根據(jù)目標(biāo)配置自動(dòng)生成多種環(huán)境下的程序[2,6,11]。該生成過程包含如下4個(gè)步驟：

1)創(chuàng)建、分析Simulink模型并對(duì)模型描述文件進(jìn)行編譯。

2)通過目標(biāo)語(yǔ)言編譯器TLC轉(zhuǎn)換模型并生成代碼。

3)程序聯(lián)編文件(makeflie)的生成。

4)在自定義程序創(chuàng)建文件的控制下，由聯(lián)編實(shí)用程序生成可執(zhí)行程序。

由于RTW暫時(shí)還沒有支持RTX的目標(biāo)語(yǔ)言文件與相關(guān)編聯(lián)文件，所以該功能需根據(jù)此流程自行編寫。

圖2 RTW生成C代碼流程圖Fig.2 Ccode generation process in RTW

2.2 針對(duì)RTX編聯(lián)文件和目標(biāo)語(yǔ)言文件的編寫

通過編寫相關(guān)的model.tlc與model.tmf文件，配置相關(guān)參數(shù)，生成針對(duì)RTX相應(yīng)的實(shí)時(shí)性代碼。其中，model.tlc文件存儲(chǔ)simulink的相關(guān)配置信息與目標(biāo)語(yǔ)言信息等參數(shù)，model.tmf則為生成文件model.mk的模板，RTW根據(jù)要求對(duì)model.tmf中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最終生成model.mk與model.mak文件[9]。其中model.mak文件為makefile制作文件，可在VC6.0中直接打開并轉(zhuǎn)換成.dsp工程文件。

創(chuàng)建rtx.tmf文件，編寫代碼，包括 MAKECMD=nmake，HOST=PC，BUILD=yes，SYS_TARGET_FILE=rtx.tlc 等。 同時(shí)，創(chuàng)建編寫相應(yīng)rtx.tlc文件，部分注釋及代碼如下：

%%SYSTLC:Generic Real-Time Target

%% TMF:rtx_default_tmf MAKE:make_rtw EXTMODE:ext_comm

%%SYSTLC:Create Visual C/C++Solution File for the"rtx"target

%% TMF:rtx.tmf MAKE:make_rtw EXTMODE:ext_comm

%%$RCSfile:rtx.tlc,v$

...

rtwoptions (9).makevariable ='TMW_EXTMODE_TESTING';

rtwoptions(9).tooltip= ['Internal testing flag for Simulink external mode'];

2.3 LabWindows/CVI的圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)架構(gòu)

使用LabWindows/CVI構(gòu)架平臺(tái)，它是National Instruments公司推出的交互式C語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)。他的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫(kù)函數(shù)大大增加了語(yǔ)言的功能，為熟悉C語(yǔ)言的開發(fā)人員提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)平臺(tái)[7-8]。

該平臺(tái)系統(tǒng)在LabWindows/CVI環(huán)境下運(yùn)行，應(yīng)用控件包括NUMERIC控件，COMMAND BUTTON控件，LED控件，AsyncTimer異步時(shí)鐘控件，STRIPCHART控件等。

該平臺(tái)使用多媒體定時(shí)器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示，它使用自己?jiǎn)为?dú)的線程來調(diào)用一個(gè)回調(diào)函數(shù)，并且該線程優(yōu)先級(jí)高，每隔一定時(shí)間就發(fā)送一個(gè)消息而不管其它消息是否已執(zhí)行完，采用多媒體定時(shí)器可以達(dá)到1ms的最小時(shí)間精度[2,10,3]。所以，利用多媒體定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷來顯示數(shù)據(jù)完全滿足仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。定時(shí)器中段代碼如下：

int CVICALLBACK TIME(int panel,int control,int event,void

*callbackData,int eventData1, int eventData2)

{

if(pdata-＞endflag==0)

{SetCtrlVal(panelHandle,PANEL_NUMERIC1,pdata-＞Out);PlotStripChart(panelHandle,PANEL_STRIPCHART,&(pdata-＞Out),1,0,0,VAL_DOUBLE)

;

number++;

SetCtrlVal(panelHandle,PANEL_NUMERIC1_2,number);}

else SetAsyncTimerAttribute (timerhandle,ASYNC_ATTR_ENABLED,0);

return 0;}

仿真數(shù)據(jù)采集和顯示平臺(tái)如圖3所示。

圖3 仿真數(shù)據(jù)采集和顯示平臺(tái)Fig.3 Data collection and manifestation platform

2.4 RTSS工程高精度始終定時(shí)

通過編寫相關(guān)文件后，可通過RTW直接生成高實(shí)時(shí)性的RTSS代碼，該代碼中使用RtCreateTimer()函數(shù)創(chuàng)建定時(shí)器，使用RtSetTimerRelative()函數(shù)設(shè)置定時(shí)器的時(shí)間相關(guān)參數(shù)，精度可以達(dá)到0.1微秒(1×10-7s)。將任務(wù)放在定時(shí)器中斷函數(shù)中即可實(shí)現(xiàn)仿真的每一幀的高精度時(shí)間控制。大致程序如下：

RtCreateTimer(…,TimerHander,…);//創(chuàng)建時(shí)鐘

RtSetTimerRelative(…,FrameTime,…)；//設(shè)置時(shí)鐘參數(shù)

Void RTFCNDCL TimerHandler(PVOID context)//定時(shí)中斷函數(shù)

{

rt_OneStep(S);

pdata-＞Out=rtY.Out1;

}

2.5 LabWindows/CVI與RTSS進(jìn)程通信

RTSS支持IPC對(duì)象，這使得實(shí)時(shí)程序與非實(shí)時(shí)程序之間的通訊和同步成為可能[1]。RTSS與WIN32進(jìn)程通信可使用共享內(nèi)存(Shared Memory Object)、信號(hào)量(Semaphore Object)、事件(Event Objects)和互斥(Mutex Objects)。與Win32下IPC不同的是RTSS的IPC對(duì)象都分配在不分頁(yè)內(nèi)存池，而且支持等待的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)有多個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的RTSS線程在等待，系統(tǒng)可以保證按照線程優(yōu)先級(jí)的高低來獲取資源[1]。仿真流程圖如圖4所示。

圖4 仿真流程圖Fig.4 Process diagram of simulation

通過創(chuàng)建相應(yīng)結(jié)構(gòu)體，放入共享內(nèi)存中可進(jìn)行RTSS與WIN32進(jìn)程通信[4]。該結(jié)構(gòu)體包含了所有需要在WIN32進(jìn)程中顯示的數(shù)據(jù)與信號(hào)量，結(jié)構(gòu)體部分信息如下：

typedef struct

{

double Out;

int endflag;

...

double Gain;

double time;

}*PDATA;

RTX提供了特有的API函數(shù)RtCreateSharedMemory()和RtOpenSharedMemory()來創(chuàng)建和打開共享內(nèi)存與Win32進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[5]。本仿真程序通過在Win32進(jìn)程中創(chuàng)建共享內(nèi)存并且在RTSS進(jìn)程中打開共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。并且通過 RtCreateEvent()與 RtWaitForSingleObject()進(jìn)行 Win32進(jìn)程與RTSS進(jìn)程之間相互通信。

3 仿真數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示

首先搭建某汽車行駛控制系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

由于已經(jīng)編寫過相關(guān)的制作文件和目標(biāo)語(yǔ)言文件，所以可通過RTW直接生成針對(duì)RTX的實(shí)時(shí)代碼。配置相關(guān)參數(shù)后，生成代碼。產(chǎn)生vehicle_control.rtss文件用于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

首先打開仿真數(shù)據(jù)采集和顯示平臺(tái)，進(jìn)行與RTSS進(jìn)程的鏈接，通過共享內(nèi)存與RTSS通信。若連接成功，則可設(shè)置仿真時(shí)間與增益等相關(guān)參數(shù)。仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.02 s，仿真時(shí)間設(shè)置為20 s。

圖5 汽車行駛控制仿真模型Fig.5 Simulation model of vehicle control

圖6 仿真結(jié)果顯示Fig.6 Manifestation of simulation result

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，該真系統(tǒng)具有相對(duì)較高的實(shí)時(shí)性，充分滿足了該汽車行駛控制系統(tǒng)仿真的實(shí)時(shí)性要求。與在WIN32環(huán)境下進(jìn)行的Simulink仿真結(jié)果對(duì)比后可得出，該實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)能精確地實(shí)時(shí)顯示仿真數(shù)據(jù)，有效的避免了因Simulink運(yùn)行在Windows中的低實(shí)時(shí)性。對(duì)于一般實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)來說，該系統(tǒng)可以非常好的滿足實(shí)時(shí)性要求。

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