許廣柱，吳錦鳳

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西西安710100）

0 引言

工業(yè)控制在很多方面都有實時性的要求，如今，絕大部分工業(yè)控制軟件都是基于Windows操作系統(tǒng)設(shè)計編制的，如何在多任務(wù)的Windows系統(tǒng)上實現(xiàn)實時控制是很多工業(yè)程序員頭疼的問題。多年來，有的控制系統(tǒng)以編程極不便利的DOS操作系統(tǒng)為平臺開發(fā)設(shè)計控制方案，有的購買價格昂貴的實時操作系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，不但需要人員再培訓(xùn)，且設(shè)計開發(fā)周期長。新建的XXX試車臺控制系統(tǒng)，使用了成本相對低廉、實時性較好的嵌入式WinCE5操作系統(tǒng)進行設(shè)計。由于WinCE系統(tǒng)仍然是以Windows為核心，即多任務(wù)操作系統(tǒng)，實時性方面同樣存在問題。因此，本文就此操作系統(tǒng)下的實時控制提供一套系統(tǒng)解決方案并論述軟件框架的擴展和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)分析概述

1.1 WinCE操作系統(tǒng)的時間分配

WinCE操作系統(tǒng)是多任務(wù)系統(tǒng)，就是在“同一時間段內(nèi)可以同時執(zhí)行”多個應(yīng)用軟件，完成多個任務(wù)。其實，所謂“同一時間段內(nèi)同時執(zhí)行”是相對于使用者感覺而言的。事實上，在同一個時刻WinCE只能夠完成一個指令，使用者感覺是“同時”，是因為WinCE給每個線程分配毫秒級的時間片，并按每線程優(yōu)先級來依次執(zhí)行操作，由于時間片很短，人眼睛是不能分辨執(zhí)行順序的，所以造成了“同時執(zhí)行”的錯覺，正因為這種時間片分配來執(zhí)行不同任務(wù)的特性，導(dǎo)致了WinCE操作系統(tǒng)不能完成完全性質(zhì)的實時性控制。

1.2 WinCE系統(tǒng)的進程與線程

進程：一個進程通常定義為程序的一個實例。在32位Windows中，進程占據(jù)4 GB的虛擬地址空間。進程是沒有活力的，就是說，一個32位Windows進程并不執(zhí)行什么指令，它只占據(jù)著4 GB的地址空間，此空間中有應(yīng)用程序EXE等PE文件的代碼和數(shù)據(jù)。

線程：如上所述，進程只是一個靜態(tài)的概念；為了讓進程完成一些工作，進程必須至少占有一個線程，所以線程是描述進程內(nèi)的執(zhí)行。正是線程負責(zé)執(zhí)行包含在進程的地址空間中的代碼，如果沒有線程執(zhí)行進程地址空間中的代碼，進程也就沒有繼續(xù)存在的理由，系統(tǒng)將自動清除進程及其地址空間。為了運行所有這些線程，操作系統(tǒng)為每個獨立線程安排一些CPU時間，以輪轉(zhuǎn)方式向線程提供時間片，所以Windows系統(tǒng)時間片的分配是以線程為基本單位的。創(chuàng)建一個32位Windows進程時，它的第一個線程稱為主線程，由系統(tǒng)自動生成，然后可由這個主線程生成額外的線程，這些線程又可生成更多的線程。

1.3 WinCE系統(tǒng)的線程優(yōu)先級

如前所述，Windows操作系統(tǒng)時間片分配是針對線程來說的，而線程執(zhí)行的順序是按照其優(yōu)先級來編排的。對于Windows CE等嵌入式操作系統(tǒng)，優(yōu)先級是以線程為單位，整個系統(tǒng)運行中的應(yīng)用級線程缺省都是同等優(yōu)先級。改變線程的優(yōu)先級，或者說進行線程調(diào)度就可以改變WinCE系統(tǒng)時間片的分配方向以及線程自身執(zhí)行的順序。

改變優(yōu)先級可以通過使用SetThreadPriority()函數(shù)來實現(xiàn)。Windows CE系統(tǒng)是搶占式多任務(wù)系統(tǒng)，進程之間無優(yōu)先級之分，只將線程分為256個優(yōu)先級。0優(yōu)先級最高，255最低，0到247優(yōu)先級對應(yīng)于核心態(tài)線程。248到255優(yōu)先級對應(yīng)于用戶態(tài)線程，一般分配給普通應(yīng)用程序線程使用。251優(yōu)先級 (THREAD_PRIORITY_NORMAL)是正常優(yōu)先級。255優(yōu)先級(THREAD_PRIORITY_IDLE)為空閑優(yōu)先級。249優(yōu)先級 (THREAD_PRIORITY_HIGHEST)是高優(yōu)先級。

綜上所述，如果可以在線程上爭取到一定程度的優(yōu)先級，也就是爭取到了時間片分配和執(zhí)行權(quán)的優(yōu)先級，自然就可以達到相對實時性的控制效果。

1.4 WinCE下的定時系統(tǒng)

32位Windows CE系統(tǒng)下有以下3種定時系統(tǒng)。

1)基于消息機制的定時器，通過SetTimer()函數(shù)設(shè)置，使用消息處理機制。由于其原理為消息，所以定時精度較低，一般為55 ms左右。

2)多媒體定時器，通過timeSetEvent()函數(shù)設(shè)置，是內(nèi)核級定時器，定時精度很高，可以達到1 ms，使用回調(diào)函數(shù)形式執(zhí)行任務(wù)代碼。

3)CPU計數(shù)器，通過 QueryPerformance－Counter()和QueryPerformanceFrequecy()來獲取計算機主頻計數(shù)器值（從開機開始到調(diào)用時的時間間隔計數(shù)值）和CPU頻率，可以做到微秒級的時間控制精度，但是沒有相應(yīng)的執(zhí)行任務(wù)機制，只能作為高精度時間參考。

基于以上3個定時系統(tǒng)，在獲取時間數(shù)值的同時又要完成控制任務(wù)，1)和2)是基本選擇，至于時間精度方面就需要根據(jù)需求來選擇使用。

1.5 多媒體定時器概述

一般情況下，應(yīng)用系統(tǒng)無須參與系統(tǒng)線程調(diào)度工作，但對于比較復(fù)雜的高精度實時應(yīng)用來說，有時需要應(yīng)用自身參與本進程的內(nèi)部線程的協(xié)調(diào)與調(diào)度 (或準調(diào)度)工作，或直接使用高優(yōu)先級線程執(zhí)行控制任務(wù)以達到一定的實時性要求。

做到這一點，就需要依靠前文中提到的多媒體定時器，相應(yīng)的接口函數(shù)以Windows API形式由動態(tài)鏈接庫coredll.dll提供，C++頭文件為mmsystem.h。操作由4個接口函數(shù)和1個回調(diào)函數(shù)完成。4個接口函數(shù)為：timeBeginPeriod()，timeEndPeriod()，timeSetEvent()及timeKillEvent()?；卣{(diào)函數(shù)是完成任務(wù)的主體，timeSetEvent第3個參數(shù)為此回調(diào)函數(shù)的地址。

通過函數(shù)timeBeginPeriod()設(shè)置最小的定時精度，可達到1 ms的精度，定時器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時間間隔最小為1 ms。該定時器不依賴于消息機制進行觸發(fā)，當用戶在程序中調(diào)用函數(shù)time－SetEvent()時，系統(tǒng)產(chǎn)生一個獨立的Win32內(nèi)核級線程，并將用戶提供的用戶級的時鐘定時處理程序（回調(diào)函數(shù)）以回調(diào)的方式綁定在該線程中，而該線程又由硬件時鐘中斷 (很高的中斷優(yōu)先級)的ISR來觸發(fā)，因此利用timeSetEvent()編寫的定時器程序，具有很強的中斷優(yōu)先權(quán)，遠遠高于其它的用戶態(tài)線程，軟件進程、線程不能打斷其執(zhí)行。綜上所述，多媒體定時器表現(xiàn)出良好的實時性能。多媒體時鐘的定時線程完全可以勝任直接執(zhí)行主控制任務(wù)代碼或者通過執(zhí)行主控制邏輯操作內(nèi)部線程的協(xié)調(diào)與調(diào)度工作。

1.6 基于WINCE系統(tǒng)的實時控制方法簡述

綜上幾點，Windows CE雖在實時性方面較其他Windows系統(tǒng)優(yōu)秀，但仍屬于多任務(wù)操作系統(tǒng)。相比實時操作系統(tǒng)，WinCE下直接通過軟件實現(xiàn)高精度時間控制是比較困難的。為了實現(xiàn)10ms級別的時間控制精度，可采用多媒體定時器結(jié)合外圍硬件定時板的方式實現(xiàn)。利用ISR級中斷的多媒體時鐘輪詢硬件定時器，并適時利用微秒級精度的CPU計數(shù)器進行時間補償，以硬件定時時基為基準，完全可以達到10 ms級別的實時控制精度需求。

2 XXX試車臺增壓/閉環(huán)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及應(yīng)用擴展

2.1 增壓/閉環(huán)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

XXX試車臺增壓/閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件采用研華定時器板3780和IO開關(guān)量板3753。開關(guān)量板3753用于輸入開關(guān)量的檢測及輸出開關(guān)量控制閥門動作；定時器板是實時性控制的硬件核心，其定時器的定時精度和穩(wěn)定性影響整個控制系統(tǒng)的時間控制精度。

控制軟件核心采用前文中所述的多媒體定時器，但因為多媒體定時器定時間隔精度較硬件定時器低，因而采用在多媒體定時器回調(diào)函數(shù)中獲取3780硬件定時器數(shù)值，以獲得滿足系統(tǒng)時間精度要求的時間控制精度。

多媒體定時器的回調(diào)函數(shù)相當于一個優(yōu)先級很高的定時線程，其自身的實時性保證了所有控制邏輯實現(xiàn)的實時性，配合高精度硬件定時器，可以做到高實時和高定時精度控制，對于試車控制系統(tǒng)來說完全滿足要求。控制軟件框架見圖1。

定時線程中取得硬件定時器計數(shù)值，計算并比較時間，如果到達指定的控制時間，則根據(jù)控制邏輯執(zhí)行相應(yīng)的操作?？刂茣r間精度取決于硬件定時器和多媒體定時器的定時間隔精度，以及這兩者的協(xié)調(diào)配合程度。增壓/閉環(huán)控制系統(tǒng)多媒體時鐘定時間隔設(shè)定為2 ms，實際測試整個控制系統(tǒng)千秒累計時間誤差小于20 ms，完全滿足設(shè)計要求。

該軟件框架設(shè)計過程中需要注意的是，回調(diào)函數(shù)中的所有工作必須在多媒體定時器的定時間隔內(nèi)完成，否則會失去實時性并可能導(dǎo)致定時混亂。為保證多媒體定時器回調(diào)代碼的實時性，有關(guān)界面顯示工作的代碼不能在回調(diào)函數(shù)中直接執(zhí)行，需要設(shè)定一個專門用于顯示的線程來完成此任務(wù)。

2.2 控制軟件設(shè)計框架的應(yīng)用擴展

圖1所示的軟件框架不僅僅應(yīng)用在XXX試車臺增壓/閉環(huán)控制系統(tǒng)上，對其做相應(yīng)的擴展就可以應(yīng)用在眾多的實時控制系統(tǒng)中，參見圖2。

其中實時性要求很高的操作在回調(diào)函數(shù)本體中執(zhí)行，其他輔助控制工作在工作線程中完成，并在多媒體定時器回調(diào)函數(shù)中通過分析任務(wù)需求，編制控制邏輯來完成對每個工作線程的調(diào)度，包括：線程優(yōu)先級控制、工作線程邏輯順序控制、工作線程之間的協(xié)調(diào)等任務(wù)。

線程的調(diào)度在前文中已有闡述。各個線程中途“掛起”SuspendThread()或“終止”ExitThread()或TerminateThread()的操作，正常情況下都是由自身完成的，并通過設(shè)置有關(guān)的“標志變量”值來“通知”定時線程，這樣處理的特點是安全、簡單、高效，而且也容易擴展新的線程。各個線程中途“恢復(fù)”ResumeThread()或“啟動”操作都是由定時線程完成的。線程間的同步可以通過設(shè)定臨界區(qū)Critical Section、互斥對象Mutex、事件Event等來實現(xiàn)。

工業(yè)控制有些環(huán)節(jié)也要求很高時間精度的定時控制，關(guān)于這點可以使用2種方案來輔助完成： (1)在回調(diào)函數(shù)中通過API，Query Performance Counter()和Query Performance Frequecy()來獲取計算機主頻計數(shù)器值和CPU頻率，或者獲取系統(tǒng)CPU時間戳，計算并比較時間，適時對多媒體定時做補償修正，此方法可以很大程度上提高時間控制精度； (2)制定外圍高精度定時器板卡軟件驅(qū)動，為控制軟件提供Windows系統(tǒng)硬件中斷級回調(diào)過程。軟件編制控制邏輯在此回調(diào)中執(zhí)行，并利用CPU時間戳進行進一步的時間控制。由于回調(diào)過程在硬件中斷下驅(qū)動，時間控制精度很高，理論可達到微秒級，而且控制時間間隔非常穩(wěn)定。需要注意，這種方式系統(tǒng)資源占用較大，在實際控制設(shè)計中必須考慮。

3 結(jié)束語

本文提供的設(shè)計框架，在多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用場合都可以合理、有效的實現(xiàn)實時控制，雖然具體到每個應(yīng)用環(huán)境還需要對架構(gòu)進行適當調(diào)整，對工作邏輯控制進行合理配置，但基本思路都是適用的。理解并合理運用此架構(gòu)，會為設(shè)計者帶來很大的便利，其應(yīng)用前景廣大。該架構(gòu)為今后試驗控制系統(tǒng)的設(shè)計同樣具有參考價值。

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