【摘 要】本文介紹了一種基于VxWorks操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組成模塊進(jìn)行了描述，最后對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。

【關(guān)鍵詞】VxWorks 實(shí)時(shí)控制 PC104

一、引言

隨著現(xiàn)代控制系統(tǒng)的發(fā)展，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)控制的可靠性和實(shí)時(shí)性提出了越來越高的要求。特別是在實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，其中的某個(gè)或某幾個(gè)關(guān)鍵信號(hào)的采集錯(cuò)誤可能會(huì)引起系統(tǒng)整體崩潰。因此，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，操作系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)的采集和控制尤為重要。

VxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的開發(fā)環(huán)境，使其在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。作為一個(gè)優(yōu)秀的操作系統(tǒng)，VxWorks 實(shí)現(xiàn)了比其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)更好的有效性、商用性、裁減性以及互操作性，廣泛應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

本實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)是在某控制系統(tǒng)下的下位機(jī)監(jiān)控分系統(tǒng)，主要由信號(hào)的實(shí)時(shí)采集模塊、主控制器模塊、輸出控制模塊及通信模塊等組成。能夠接收上位機(jī)指控指令，根據(jù)相應(yīng)指令完成實(shí)時(shí)自動(dòng)控制并上傳控制信息。其工作原理為，監(jiān)控需采集信號(hào)狀態(tài)，根據(jù)采集信號(hào)的變化及上位機(jī)指令，經(jīng)過主控制器的信號(hào)處理后，將控制信號(hào)送至輸出控制模塊，對(duì)相應(yīng)控制單元進(jìn)行控制，并將控制情況對(duì)上位機(jī)進(jìn)行回報(bào)。

三、系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

（一）主控制器模塊

系統(tǒng)采用PC104 PMI2作為核心控制器。PMI2是一款采用新一代超低功耗Intel Pentium M處理器的核心模塊，在板集成了增強(qiáng)型EIDE，10/100Base-T以太網(wǎng)接口及高性能圖形處理器。VxWroks對(duì)X86結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)支持較好，其VxWorks6.8以后版本對(duì)其BSP包的修改量較小，基本外圍硬件的BSP包不需要修改。但需要注意的是，在其5.4和5.5版本中需要修改部分BSP代碼，尤其是網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)。

PC104為能夠接收信號(hào)采集模塊和輸出控制信號(hào)，需要一塊CPLD來輔助完成。采用總線式中斷讀取由CPLD采集的信號(hào)數(shù)據(jù)、輸出控制信號(hào)數(shù)據(jù)，以確保系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。如圖1所示。

圖中，Data Bus為CPLD與PC104之間的數(shù)據(jù)交換總線，Add Bus為PC104讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的地址總線，Ctrl Bus為PC104與CPLD之間控制信號(hào)的傳遞，其中包括IO的讀寫信號(hào)，中斷請(qǐng)求信號(hào)等。CPLD主要完成的工作有兩部分：一是接收采集模塊送來的采集數(shù)據(jù)，并利用中斷將數(shù)據(jù)傳送到PC104；二是將PC104送來的控制數(shù)據(jù)送至輸出控制模塊。其中CPLD內(nèi)部的程序在此略去。

（二）實(shí)時(shí)采集/輸出控制模塊

系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的信號(hào)為16路+24V開關(guān)量信號(hào)。實(shí)時(shí)采集模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集這16路信號(hào)的變化，將數(shù)據(jù)送至主控制器模塊。為避免信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾，在其信號(hào)輸入端加入光隔模塊。為達(dá)到實(shí)時(shí)采集狀態(tài)變化，每路信號(hào)的狀態(tài)變化都將觸發(fā)主控制器的中斷響應(yīng)。系統(tǒng)輸出控制信號(hào)為16路控制信號(hào)，信號(hào)電平+12V，最大信號(hào)電流1A，采用固體繼電器作為控制信號(hào)控制器。主控制器模塊根據(jù)通信指令輸出控制信號(hào)，來控制繼電器的開啟或關(guān)閉。

（三）通信模塊

系統(tǒng)通信模塊包括串行通信及網(wǎng)絡(luò)通信兩部分。通過串口與本地上位機(jī)通信，通過網(wǎng)絡(luò)接口與遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行通信。因其主控制器PC104集成了兩路標(biāo)準(zhǔn)RS232串口和一路10/100Bset-T以太網(wǎng)控制器，因此通信模塊需在VxWorks中加入相應(yīng)的串口和網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)程序來完成相應(yīng)的通信任務(wù)。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)工作中，需要完成各模塊的驅(qū)動(dòng)、初始化工作。例如，加載串口、網(wǎng)絡(luò)的VxWroks驅(qū)動(dòng)程序、中斷初始化等。另外，還需要將系統(tǒng)的總?cè)蝿?wù)拆分為幾個(gè)子任務(wù)：主控制任務(wù)、采集信號(hào)任務(wù)、輸出控制任務(wù)、通信任務(wù)等以便每個(gè)任務(wù)能獨(dú)立的運(yùn)行。各子任務(wù)功能為：主控制任務(wù)完成采集信號(hào)任務(wù)的讀取、處理，接收通信任務(wù)傳送的報(bào)文，根據(jù)報(bào)文指令輸出控制信號(hào)數(shù)據(jù)；采集信號(hào)任務(wù)實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)控信號(hào)變化，完成信號(hào)狀態(tài)采集任務(wù)；輸出控制任務(wù)實(shí)時(shí)執(zhí)行主控制輸出控制信號(hào)；通信任務(wù)對(duì)上位機(jī)通信報(bào)文進(jìn)行解析，將指令送至主控制任務(wù)。其中，尤其注意信號(hào)量的傳送，避免系統(tǒng)中各個(gè)任務(wù)因信號(hào)量掛起而導(dǎo)致系統(tǒng)任務(wù)的崩潰。

五、結(jié)語

本系統(tǒng)利用PC104平臺(tái)，VxWroks的實(shí)時(shí)多任務(wù)特性，完成了一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過多次調(diào)試修改，本設(shè)計(jì)滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，已穩(wěn)定可靠的工作在某型號(hào)任務(wù)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]VxWorks Programmer’s Guide WindRiver；

[2]VxWorks Reference Manual WindRiver；

[3]VxWorks設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解 曹桂平 電子工業(yè)出版社；

[4]VxWorks 程序開發(fā)實(shí)踐 陳智育，溫彥軍 人民郵電出版社；

[5]VxWorks 高級(jí)程序設(shè)計(jì) 李方敏 清華大學(xué)出版社；