付 瑋，王婧宇,吳中華

（西北工業(yè)大學 陜西 西安 710129）

控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性是系統(tǒng)能否安全運行的基本前提。隨著當今先進控制技術(shù)的不斷更新與發(fā)展，控制系統(tǒng)變得越來越復雜，控制系統(tǒng)的仿真也提出了更高的要求，不僅要求計算機操作系統(tǒng)具有強大的通用功能，還要求其具有優(yōu)秀的實時性。

因此，本文提出一種基于RTX+Matlab+LabWindows/CVI的仿真平臺架構(gòu)。對某汽車行駛控制系統(tǒng)進行了實時仿真。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)文件與目標語言文件，可將simulink仿真模型轉(zhuǎn)換成可移植的RTX代碼，該程序具有高實時性，可達到預期實時要求。數(shù)據(jù)顯示等非實時任務由Win32進程完成，該程序由LabWindows/CVI編寫，在RTSS進程和Win32進程間建立IPC通信和同步機制，以實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交換、互斥與同步。

1 RTX實時仿真系統(tǒng)與工作原理

RTX采用HAL擴展技術(shù)為Windows操作系統(tǒng)安裝實時子系統(tǒng)RTSS。為了保證RTSS線程的實時性，RTX增加了在Windows和RTX線程間的中斷隔離，當RTSS線程運行時，屏蔽所有Windows控制中斷。RTSS有其獨立的進程線程管理、進程間通訊、中斷、時鐘、I/O管理機制。具有128個優(yōu)先級，對應Win32的32個線程優(yōu)先級[1]。

RTSS的線程優(yōu)先于所有Windows線程，提供了對IRQ、I/O、內(nèi)存的精準控制，能確保實時任務的可靠執(zhí)行。通過高速的IPC通信和同步機制，RTX進程可方便地實現(xiàn)與Windows應用程序之間的數(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)采用進程間通信，大大提高了實時通信的穩(wěn)定性。

同時RTX擁有3個精度達1 ms的時鐘，最小定時周期可分別達到100、200、500 ms。事件的精確執(zhí)行在實時系統(tǒng)中是相當嚴格的。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還確保線程切換時間保持在500 ns到2μs范圍內(nèi)。

RTX的內(nèi)存分配都在非分頁內(nèi)存池內(nèi)，以保證其進程在運行過程中不會被置換出內(nèi)存，從而確保了對外部事件響應的確定性，避免了使用虛擬內(nèi)存因缺頁產(chǎn)生的延遲。RTSS運行時只占用250 kB的內(nèi)存，內(nèi)存占用率極低[1]。同時，RTX對Windows系統(tǒng)在Ring 0級進行了穩(wěn)定的、高性能的實時擴展，同時支持30 kHz持續(xù)穩(wěn)定的中斷觸發(fā)。實時進程運行時，屏蔽一切Windows中斷和錯誤報告，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)先級對照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)生針對應用優(yōu)化的、可移植的代碼，并根據(jù)目標配置自動生成多種環(huán)境下的程序[2,6,11]。該生成過程包含如下4個步驟：

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

2)通過目標語言編譯器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)編實用程序生成可執(zhí)行程序。

由于RTW暫時還沒有支持RTX的目標語言文件與相關(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RTX編聯(lián)文件和目標語言文件的編寫

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RTX相應的實時性代碼。其中，model.tlc文件存儲simulink的相關(guān)配置信息與目標語言信息等參數(shù)，model.tmf則為生成文件model.mk的模板，RTW根據(jù)要求對model.tmf中的參數(shù)進行設置，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，創(chuàng)建編寫相應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)存儲平臺架構(gòu)

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

該平臺系統(tǒng)在LabWindows/CVI環(huán)境下運行，應用控件包括NUMERIC控件，COMMAND BUTTON控件，LED控件，AsyncTimer異步時鐘控件，STRIPCHART控件等。

該平臺使用多媒體定時器實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集與顯示，它使用自己單獨的線程來調(diào)用一個回調(diào)函數(shù)，并且該線程優(yōu)先級高，每隔一定時間就發(fā)送一個消息而不管其它消息是否已執(zhí)行完，采用多媒體定時器可以達到1ms的最小時間精度[2,10,3]。所以，利用多媒體定時器產(chǎn)生定時中斷來顯示數(shù)據(jù)完全滿足仿真系統(tǒng)的實時性要求。定時器中段代碼如下：

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)采集和顯示平臺如圖3所示。

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

2.4 RTSS工程高精度始終定時

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

RtCreateTimer(…,TimerHander,…);//創(chuàng)建時鐘

RtSetTimerRelative(…,FrameTime,…)；//設置時鐘參數(shù)

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

{

rt_OneStep(S);

pdata-＞Out=rtY.Out1;

}

2.5 LabWindows/CVI與RTSS進程通信

RTSS支持IPC對象，這使得實時程序與非實時程序之間的通訊和同步成為可能[1]。RTSS與WIN32進程通信可使用共享內(nèi)存(Shared Memory Object)、信號量(Semaphore Object)、事件(Event Objects)和互斥(Mutex Objects)。與Win32下IPC不同的是RTSS的IPC對象都分配在不分頁內(nèi)存池，而且支持等待的優(yōu)先級。當有多個不同優(yōu)先級的RTSS線程在等待，系統(tǒng)可以保證按照線程優(yōu)先級的高低來獲取資源[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)建相應結(jié)構(gòu)體，放入共享內(nèi)存中可進行RTSS與WIN32進程通信[4]。該結(jié)構(gòu)體包含了所有需要在WIN32進程中顯示的數(shù)據(jù)與信號量，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進程進行數(shù)據(jù)交互[5]。本仿真程序通過在Win32進程中創(chuàng)建共享內(nèi)存并且在RTSS進程中打開共享內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交互。并且通過 RtCreateEvent()與 RtWaitForSingleObject()進行 Win32進程與RTSS進程之間相互通信。

3 仿真數(shù)據(jù)的實時顯示

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)的制作文件和目標語言文件，所以可通過RTW直接生成針對RTX的實時代碼。配置相關(guān)參數(shù)后，生成代碼。產(chǎn)生vehicle_control.rtss文件用于實時仿真系統(tǒng)。

首先打開仿真數(shù)據(jù)采集和顯示平臺，進行與RTSS進程的鏈接，通過共享內(nèi)存與RTSS通信。若連接成功，則可設置仿真時間與增益等相關(guān)參數(shù)。仿真步長設置為0.02 s，仿真時間設置為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)具有相對較高的實時性，充分滿足了該汽車行駛控制系統(tǒng)仿真的實時性要求。與在WIN32環(huán)境下進行的Simulink仿真結(jié)果對比后可得出，該實時仿真平臺能精確地實時顯示仿真數(shù)據(jù)，有效的避免了因Simulink運行在Windows中的低實時性。對于一般實時仿真系統(tǒng)來說，該系統(tǒng)可以非常好的滿足實時性要求。

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