段雨昕，趙斌，周敏

(1.中國(guó)航天科工集團(tuán) 第二研究院 北京 100854；2.北京仿真中心 航天系統(tǒng)仿真重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100854； 3.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引言

在新軍事變革需求的牽引及新技術(shù)的推動(dòng)下，仿真技術(shù)迅速發(fā)展成為一項(xiàng)通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)，已成為繼理論研究和試驗(yàn)研究之后的第3種認(rèn)識(shí)、改造客觀世界的重要手段[1]。而半實(shí)物仿真是仿真技術(shù)的重要組成部分之一。

半實(shí)物仿真又稱(chēng)為硬件在回路的仿真[2]，指在仿真系統(tǒng)中接入實(shí)物以取代相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，這樣更能體現(xiàn)真實(shí)的情況下系統(tǒng)的反應(yīng)從而獲得更為準(zhǔn)確的仿真信息。這種仿真試驗(yàn)會(huì)把仿真對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型、編程在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。同時(shí)還需要有相關(guān)的模擬生成傳感器用于測(cè)量環(huán)境的各種物理效應(yīng)。由于有實(shí)物在仿真回路中，半實(shí)物仿真系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)運(yùn)行。

半實(shí)物仿真計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)性要求很高，仿真實(shí)時(shí)性對(duì)于半實(shí)物仿真試驗(yàn)的可信度是至關(guān)重要的[3]。目前仿真所用的計(jì)算機(jī)的型號(hào)和種類(lèi)繁多，有混合計(jì)算機(jī)和全數(shù)字型計(jì)算機(jī)、PC機(jī)、工作站甚至巨型計(jì)算機(jī)，有通用計(jì)算機(jī)也有專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。專(zhuān)用仿真計(jì)算機(jī)在半實(shí)物仿真中具有很高的實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)勢(shì)，但其造價(jià)和維護(hù)成本太高，不適合普通試驗(yàn)室作為仿真設(shè)備。普通計(jì)算機(jī)一般運(yùn)行在Windows系統(tǒng)下，達(dá)不到試驗(yàn)所要求的實(shí)時(shí)運(yùn)行，因此很多試驗(yàn)室選用Windows+RTX實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為仿真運(yùn)行環(huán)境，獲得了很好的實(shí)時(shí)性效果[4-6]。這樣的解決方案具有較高的性?xún)r(jià)比。但是Windows+RTX實(shí)時(shí)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用以及分布式半實(shí)物仿真中也存在中斷響應(yīng)速度不如標(biāo)稱(chēng)的理想的問(wèn)題[7]。并且，當(dāng)采用RTX構(gòu)建分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)時(shí)，各個(gè)實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)時(shí)鐘性能的差異會(huì)帶來(lái)時(shí)鐘同步誤差[8]。因此本研究通過(guò)計(jì)算機(jī)并口采集外部高精度定時(shí)信號(hào)來(lái)觸發(fā)硬中斷的方式[9]在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度的定時(shí)。測(cè)試結(jié)果表明，該方法具有很好的實(shí)時(shí)性，滿足半實(shí)物仿真實(shí)時(shí)性的要求。

1 RTX實(shí)時(shí)系統(tǒng)定時(shí)穩(wěn)定性

1.1 RTX實(shí)時(shí)系統(tǒng)概述

RTX是美國(guó)InterverZero公司開(kāi)發(fā)的基于Windows平臺(tái)的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它拓展了Windows操作系統(tǒng)內(nèi)核體系，修改并擴(kuò)展了整個(gè)硬件抽象層(hardware abstraction layer，HAL)，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模式，使用RTX的中斷管理機(jī)制和對(duì)實(shí)時(shí)線程的高速調(diào)度策略，形成了與Windows操作系統(tǒng)并列的實(shí)時(shí)子系統(tǒng)?？梢詾橛脩籼峁﹥?yōu)秀的實(shí)時(shí)控制性能，其高效的可擴(kuò)展性及穩(wěn)定性是迄今為止在Windows平臺(tái)上最優(yōu)秀的基于軟件的實(shí)時(shí)解決方案。

RTX提供了對(duì)中斷請(qǐng)求、輸入輸出、內(nèi)存的精確控制，以確保實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)具有100%的可靠性。RTX支持30 kHz的持續(xù)中斷觸發(fā)速度，中斷服務(wù)線程平均延遲小于1 μs。RTX可以利用Windows系統(tǒng)的大量標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)；高效的內(nèi)存管理機(jī)制；以及各種Windows下的通用資源。RTX最高支持1 000個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程下可以運(yùn)行的線程數(shù)不受限制。128個(gè)優(yōu)先級(jí)可以滿足幾乎所有用戶的編程需要，RTX調(diào)度器可以確保線程切換時(shí)間保持在0.5～2 μs。RTX的時(shí)鐘分辨率可以達(dá)到0.1 μs，定時(shí)器周期最低可以做到100,200,500,1 000 μs[10-12]。

1.2 RTX實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟時(shí)鐘穩(wěn)定性測(cè)試方案

RTX時(shí)鐘在Win32運(yùn)行環(huán)境下提供3種時(shí)鐘計(jì)時(shí)方式，在對(duì)比了3種時(shí)鐘的計(jì)時(shí)方式和精度差異后，結(jié)合本研究的時(shí)鐘精度要求較高且周期比較確定等技術(shù)要求特點(diǎn)，本次選擇使用時(shí)鐘2來(lái)完成后續(xù)相關(guān)試驗(yàn)，并在RTX控制面板里把定時(shí)器周期設(shè)置為100 μs。圖 1為RTX定時(shí)程序結(jié)構(gòu)。

在測(cè)試中采用的硬件平臺(tái)和RTX版本為：

CPU type：Intel P4 3 000 MHz。

Memory：2048M DDRII 800。

RTX 8.1。

圖1 RTX定時(shí)程序流程Fig.1 Flow chart of RTX timer program

考慮到在程序運(yùn)行過(guò)程中直接打印出來(lái)的數(shù)據(jù)存在不同程度的延遲，所以把所有測(cè)得數(shù)據(jù)先保存在內(nèi)存中，程序運(yùn)行完成后再統(tǒng)一以文件方式輸出，避免了打印的延遲。

1.3 RTX內(nèi)部軟時(shí)鐘定時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

RTX內(nèi)部軟時(shí)鐘定時(shí)精度測(cè)試分別進(jìn)行了時(shí)長(zhǎng)為0.2,1,5 ms定時(shí)，每一個(gè)時(shí)長(zhǎng)采集10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)為5 000次定時(shí)。表1為經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)后的定時(shí)精度誤差結(jié)果。

由見(jiàn)表1可以得出，RTX實(shí)時(shí)子系統(tǒng)本身系統(tǒng)定時(shí)周期非常準(zhǔn)確，定時(shí)器工作穩(wěn)定性好，時(shí)鐘抖動(dòng)在μs級(jí)別。

表1 RTX軟時(shí)鐘定時(shí)精度誤差統(tǒng)計(jì)Table 1 Error statistics of RTX timer accuracy

2 RTX下并口中斷采集及定時(shí)

并口是并行端口的簡(jiǎn)稱(chēng)，采用的是25針D型接頭，8位數(shù)據(jù)同時(shí)通過(guò)并行線進(jìn)行傳送，這樣數(shù)據(jù)傳送速度大大提高。并行接口最初是為打印機(jī)設(shè)計(jì)的接口，但發(fā)展到今天，除了打印機(jī)以外，幾乎所有其他設(shè)備也同樣可以通過(guò)并口連接到PC機(jī)上，包括打印機(jī)、掃描儀、調(diào)制解調(diào)器等[13]。

大多數(shù)并口都可以檢測(cè)來(lái)自外設(shè)的中斷信號(hào)。外設(shè)可以通過(guò)使用中斷信號(hào)通知PC它已做好了接收或者發(fā)送一個(gè)字節(jié)的準(zhǔn)備。要使用中斷，首先要為并口配置中斷請(qǐng)求號(hào)(interrupt request，IRQ)。按照慣例，LPT1(line printer，LPT)使用IRQ7，LPT2使用IRQ5。但是很多聲卡使用的也是IRQ5，由于系統(tǒng)中的空閑IRQ可能很少，有時(shí)IRQ7也被占用了，一些并口容許使用上述2個(gè)之外的其他IRQ?？梢詮脑O(shè)備管理其中查看具體使用的計(jì)算機(jī)的并口使用的中斷號(hào)。

2.1 并口驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)

本研究中用到的并口針腳如圖 2 并口針腳所示，第10針腳nAck信號(hào)用于把外部中斷送入系統(tǒng)；第23針腳是nAck信號(hào)的接地引腳。

圖2 并口針腳Fig.2 Stitches of parallel port

標(biāo)準(zhǔn)并行接口使用的3個(gè)連續(xù)地址是下列地址范圍中的一個(gè)：3BCh，3BDh，3BEh；378h，379h，37Ah；278h，279h，27Ah；其中的第1個(gè)地址是接口的基地址，也叫數(shù)據(jù)寄存器地址簡(jiǎn)稱(chēng)接口地址。第2個(gè)地址為接口的狀態(tài)寄存器。最后1個(gè)則是控制寄存器地址。

本研究使用的是研華610H工控機(jī)，該計(jì)算機(jī)并口基址為378h，中斷號(hào)為7。因此數(shù)據(jù)寄存器的地址為378h，狀態(tài)寄存器的地址為379h，控制寄存器的地址為37Ah。

并口輸出每8bits組成一個(gè)字節(jié)，每字節(jié)能以二進(jìn)制形式表示十進(jìn)制中的0～255間的數(shù)字。本研究的中斷信號(hào)將從nAck引腳觸發(fā)，因此在控制寄存器的第4位要寫(xiě)1才能允許中斷從nAck引腳接受，即寫(xiě)入控制端口0x35。

2.2 RTX下并口中斷測(cè)試

為了保證并口中斷信息處理的及時(shí)有效，本研究在RTX環(huán)境下對(duì)并口進(jìn)行測(cè)試，因此要將RTX驅(qū)動(dòng)中并口的硬件驅(qū)動(dòng)更新。

在RTSS和Win32環(huán)境中，都是由分配給中斷處理線程的優(yōu)先級(jí)決定中斷處理函數(shù)的優(yōu)先次序。

當(dāng)一個(gè)中斷處理函數(shù)被添加到一個(gè)特定的中斷時(shí)，一個(gè)線程就會(huì)被創(chuàng)建來(lái)響應(yīng)此中斷。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，中斷源被屏蔽；中斷信號(hào)的線程恢復(fù)；并且，如果它的優(yōu)先級(jí)比當(dāng)前執(zhí)行的線程的優(yōu)先級(jí)要高，它就會(huì)變成當(dāng)前執(zhí)行的那個(gè)線程。中斷處理函數(shù)返回以后，中斷源取消屏蔽，線程被暫停。

RTSS有12個(gè)中斷級(jí)別。同所有RTAPI調(diào)用一樣，調(diào)用RtAttachInterruptVector()會(huì)將RTSS優(yōu)先級(jí)映射到這12個(gè)中斷級(jí)別。即有遞增的硬件優(yōu)先級(jí)：0～127。本研究中，為了在理想狀態(tài)下測(cè)試中斷響應(yīng)時(shí)間，因此把中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高的127。

中斷定時(shí)程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中中斷信號(hào)由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)，起到模擬外部時(shí)鐘信號(hào)的作用。信號(hào)發(fā)生器采用理光DG4162型函數(shù)發(fā)生器，可以產(chǎn)生高精度的周期性信號(hào)如方波、脈沖波等。至此已經(jīng)可以產(chǎn)生固定周期的穩(wěn)定的中斷信號(hào)，由計(jì)算機(jī)采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。

圖3 并口定時(shí)中斷程序流程圖Fig.3 Flow chart of parallel port timer interruption program

2.3 RTX下并口中斷定時(shí)數(shù)據(jù)分析

如同RTX內(nèi)部軟時(shí)鐘定時(shí)測(cè)試，并口外部硬時(shí)鐘中斷定時(shí)測(cè)試也在每次中斷后，把時(shí)鐘數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中然后以文本文件形式輸出以后處理。同樣每組數(shù)據(jù)都記錄了大于5 000個(gè)中斷，處理數(shù)據(jù)后得出平均誤差和方差，結(jié)果如表 2所示。

從表2得出采用并口輸入硬中斷定時(shí)的方式具有很好的穩(wěn)定性，其定時(shí)周期的誤差也已經(jīng)達(dá)到μs級(jí)別。但與表 1對(duì)比發(fā)現(xiàn)相較RTX軟時(shí)鐘，其誤差數(shù)據(jù)還是偏大，原因?qū)⒃谙乱还?jié)討論。

表2 并口中斷定時(shí)周期誤差統(tǒng)計(jì)Table 2 Error statistics of parallel port timer

3 定時(shí)精度對(duì)比與分析

3.1 RTX軟時(shí)鐘定時(shí)與外部硬時(shí)鐘定時(shí)精度對(duì)比

由圖4所示，在目前的測(cè)試環(huán)境下，RTX內(nèi)部軟時(shí)鐘的定時(shí)誤差小于并口硬中斷定時(shí)誤差，經(jīng)分析產(chǎn)生這樣的結(jié)果可能的原因有：

(1) 使用計(jì)算機(jī)并口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)本身存在較大硬件延遲，這樣的延遲可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的定時(shí)周期；

(2) 在運(yùn)行之前的定時(shí)程序時(shí)，計(jì)算機(jī)負(fù)載很小，沒(méi)有能發(fā)揮出并口硬中斷的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)在系統(tǒng)滿負(fù)荷工作時(shí)進(jìn)行測(cè)試。

圖4 RTX內(nèi)部時(shí)鐘與外部硬中斷定時(shí)誤差對(duì)比Fig.4 Error comparisons between RTX timer and external interrupt timer

3.2 并口中斷信號(hào)延遲

為了驗(yàn)證是否外部時(shí)鐘源信號(hào)通過(guò)并口由計(jì)算機(jī)接收的延遲比較大而導(dǎo)致,設(shè)計(jì)了用示波器檢測(cè)中斷延遲的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.1 RTX下并口中斷響應(yīng)延遲

測(cè)試方案如圖5所示。示波器的2路信號(hào)CH1與CH2分別連接并口中斷輸出端和信號(hào)發(fā)生器的輸出端，從而能夠?qū)Ρ刃盘?hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的跳變時(shí)刻與并口響應(yīng)中斷后輸出的一個(gè)跳變信號(hào)之間的時(shí)間差，從而得出并口的中斷響應(yīng)時(shí)間。

圖5 中斷響應(yīng)延遲測(cè)試方案Fig.5 Test scheme of interrupt response delay

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生周期1 ms的脈沖波信號(hào)，在每一次并口接收到信號(hào)后執(zhí)行中斷服務(wù)程序，向并口數(shù)據(jù)位輸出一個(gè)由高電平向低電平的跳變，經(jīng)驗(yàn)證延遲普遍在7～9 μs左右。這樣的延遲相比于之前測(cè)得的時(shí)鐘定時(shí)誤差已經(jīng)相當(dāng)大了，因此可能是造成定時(shí)精度不理想的重要因素。

3.2.2 并口輸出延遲

為了研究是否并口的寫(xiě)入寫(xiě)出過(guò)程延遲較大，相應(yīng)的在RTX內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)的情況下，在其定時(shí)器服務(wù)程序處也通過(guò)并口向示波器輸出信號(hào)[14]，通過(guò)示波器觀察每個(gè)定時(shí)周期的時(shí)間是否與之前測(cè)得的數(shù)據(jù)一致。經(jīng)驗(yàn)證，采用1 ms定時(shí)周期，其誤差在1.5～2 μs波動(dòng)，相比于之前測(cè)試的0.224 μs的平均誤差要大?？梢宰C明，并口執(zhí)行輸入輸出的過(guò)程中存在較大硬件延遲。

3.3 仿真過(guò)程中的定時(shí)測(cè)試

上文中所完成的無(wú)論并口定時(shí)測(cè)試還是RTX內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)測(cè)試，都是在系統(tǒng)幾乎空載的情況下完成的。而真實(shí)的仿真環(huán)境還會(huì)涉及到復(fù)雜的圖像處理、大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算以及頻繁的硬盤(pán)與內(nèi)存的讀寫(xiě)，在系統(tǒng)資源被大量占用的時(shí)候，仿真定時(shí)的準(zhǔn)確度就會(huì)受到很大的影響。此時(shí)一個(gè)穩(wěn)定的定時(shí)時(shí)鐘對(duì)于仿真系統(tǒng)的可信度是十分重要的。

因此本次試驗(yàn)在真實(shí)的仿真程序中進(jìn)行RTX內(nèi)部軟時(shí)鐘定時(shí)和外部硬時(shí)鐘定時(shí)，分別用示波器觀測(cè)其實(shí)際定時(shí)精度，并做出初步評(píng)價(jià)。

用于試驗(yàn)的仿真程序是實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)制導(dǎo)算法軟件，其中涉及到定時(shí)器的使用。這款仿真軟件以7.7 ms為時(shí)長(zhǎng)循環(huán)執(zhí)行周期任務(wù)，因此本次試驗(yàn)的所有時(shí)鐘周期都設(shè)置為7.7 ms，以此作為仿真周期任務(wù)的定時(shí)器。同樣在每次定時(shí)開(kāi)始時(shí)向并口輸出一個(gè)高電平以方便在示波器能看出電平跳變，在計(jì)算任務(wù)結(jié)束也就是時(shí)鐘周期結(jié)束之前再輸出低電平從而在示波器顯示出方波信號(hào)?？紤]到之前測(cè)得的并口1.7 μm的輸入輸出的延遲相比于7.7 ms的定時(shí)周期來(lái)講基本可以忽略，因此直接用示波器觀察測(cè)試結(jié)果是可行的，而不需要處理記錄時(shí)鐘數(shù)據(jù)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后對(duì)RTX軟時(shí)鐘定時(shí)與并口采集硬時(shí)鐘中斷定時(shí)對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真運(yùn)行過(guò)程中定時(shí)誤差對(duì)比Fig.6 Error comparisons of timer in simulation environment

從圖6可以看出，在實(shí)際仿真運(yùn)行環(huán)境下，并口硬中斷的定時(shí)周期比RTX內(nèi)部軟時(shí)鐘的周期更為穩(wěn)定，主要原因?yàn)橄到y(tǒng)在空載情況下有足夠的資源和響應(yīng)速度來(lái)運(yùn)行RTX定時(shí)程序并做出迅速的響應(yīng)，但是實(shí)際應(yīng)用中很難有系統(tǒng)空載的情況。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行仿真程序時(shí)，并口硬中斷定時(shí)的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)了出來(lái)，在定時(shí)周期穩(wěn)定性和響應(yīng)速度上都有了超越RTX內(nèi)部時(shí)鐘的表現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)RTX內(nèi)部軟時(shí)鐘的定時(shí)以及利用并口采集外部硬時(shí)鐘的周期中斷信號(hào)定時(shí)的相關(guān)技術(shù)方法進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)、研究與測(cè)試對(duì)比。采用并口采集外部硬時(shí)鐘定時(shí)信號(hào)的定時(shí)方式其精度已經(jīng)足以滿足目前大部分半實(shí)物仿真任務(wù)需求，而在系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)其表現(xiàn)出相較RTX軟時(shí)鐘更優(yōu)秀的穩(wěn)定性，且具有定時(shí)周期靈活的特點(diǎn)，最小定時(shí)周期也與RTX軟時(shí)鐘的最小定時(shí)周期持平。這樣的表現(xiàn)也足以肯定該方法可以用于半實(shí)物仿真的時(shí)鐘推進(jìn)。在未來(lái)的工作中可以自行設(shè)計(jì)外部時(shí)鐘的觸發(fā)電路板作為分布式半實(shí)物仿真的時(shí)鐘源進(jìn)行時(shí)鐘同步，設(shè)計(jì)相關(guān)算法來(lái)補(bǔ)償并口輸入輸出延遲，并結(jié)合反射內(nèi)存網(wǎng)[15]使其應(yīng)用于分布式仿真試驗(yàn)。

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