段雨昕，趙斌，周敏

(1.中國航天科工集團(tuán) 第二研究院 北京 100854；2.北京仿真中心 航天系統(tǒng)仿真重點試驗室，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)的推動下，仿真技術(shù)迅速發(fā)展成為一項通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)，已成為繼理論研究和試驗研究之后的第3種認(rèn)識、改造客觀世界的重要手段[1]。而半實物仿真是仿真技術(shù)的重要組成部分之一。

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

半實物仿真計算機(jī)的實時性要求很高，仿真實時性對于半實物仿真試驗的可信度是至關(guān)重要的[3]。目前仿真所用的計算機(jī)的型號和種類繁多，有混合計算機(jī)和全數(shù)字型計算機(jī)、PC機(jī)、工作站甚至巨型計算機(jī)，有通用計算機(jī)也有專用計算機(jī)。專用仿真計算機(jī)在半實物仿真中具有很高的實時性優(yōu)勢，但其造價和維護(hù)成本太高，不適合普通試驗室作為仿真設(shè)備。普通計算機(jī)一般運行在Windows系統(tǒng)下，達(dá)不到試驗所要求的實時運行，因此很多試驗室選用Windows+RTX實時系統(tǒng)作為仿真運行環(huán)境，獲得了很好的實時性效果[4-6]。這樣的解決方案具有較高的性價比。但是Windows+RTX實時系統(tǒng)在實際應(yīng)用以及分布式半實物仿真中也存在中斷響應(yīng)速度不如標(biāo)稱的理想的問題[7]。并且，當(dāng)采用RTX構(gòu)建分布式實時仿真系統(tǒng)時，各個實時節(jié)點計算機(jī)時鐘性能的差異會帶來時鐘同步誤差[8]。因此本研究通過計算機(jī)并口采集外部高精度定時信號來觸發(fā)硬中斷的方式[9]在仿真環(huán)境中實現(xiàn)高精度的定時。測試結(jié)果表明，該方法具有很好的實時性，滿足半實物仿真實時性的要求。

1 RTX實時系統(tǒng)定時穩(wěn)定性

1.1 RTX實時系統(tǒng)概述

RTX是美國InterverZero公司開發(fā)的基于Windows平臺的硬實時系統(tǒng)，它拓展了Windows操作系統(tǒng)內(nèi)核體系，修改并擴(kuò)展了整個硬件抽象層(hardware abstraction layer，HAL)，實現(xiàn)獨立的內(nèi)核驅(qū)動模式，使用RTX的中斷管理機(jī)制和對實時線程的高速調(diào)度策略，形成了與Windows操作系統(tǒng)并列的實時子系統(tǒng)。可以為用戶提供優(yōu)秀的實時控制性能，其高效的可擴(kuò)展性及穩(wěn)定性是迄今為止在Windows平臺上最優(yōu)秀的基于軟件的實時解決方案。

RTX提供了對中斷請求、輸入輸出、內(nèi)存的精確控制，以確保實時任務(wù)執(zhí)行時具有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個獨立的進(jìn)程，每個進(jìn)程下可以運行的線程數(shù)不受限制。128個優(yōu)先級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間保持在0.5～2 μs。RTX的時鐘分辨率可以達(dá)到0.1 μs，定時器周期最低可以做到100,200,500,1 000 μs[10-12]。

1.2 RTX實時系統(tǒng)軟時鐘穩(wěn)定性測試方案

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

在測試中采用的硬件平臺和RTX版本為：

CPU type：Intel P4 3 000 MHz。

Memory：2048M DDRII 800。

RTX 8.1。

圖1 RTX定時程序流程Fig.1 Flow chart of RTX timer program

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

1.3 RTX內(nèi)部軟時鐘定時測試數(shù)據(jù)分析

RTX內(nèi)部軟時鐘定時精度測試分別進(jìn)行了時長為0.2,1,5 ms定時，每一個時長采集10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)為5 000次定時。表1為經(jīng)過統(tǒng)計后的定時精度誤差結(jié)果。

由見表1可以得出，RTX實時子系統(tǒng)本身系統(tǒng)定時周期非常準(zhǔn)確，定時器工作穩(wěn)定性好，時鐘抖動在μs級別。

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

2 RTX下并口中斷采集及定時

并口是并行端口的簡稱，采用的是25針D型接頭，8位數(shù)據(jù)同時通過并行線進(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)并口都可以檢測來自外設(shè)的中斷信號。外設(shè)可以通過使用中斷信號通知PC它已做好了接收或者發(fā)送一個字節(jié)的準(zhǔn)備。要使用中斷，首先要為并口配置中斷請求號(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IRQ7也被占用了，一些并口容許使用上述2個之外的其他IRQ?？梢詮脑O(shè)備管理其中查看具體使用的計算機(jī)的并口使用的中斷號。

2.1 并口驅(qū)動編寫

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信號用于把外部中斷送入系統(tǒng)；第23針腳是nAck信號的接地引腳。

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

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

本研究使用的是研華610H工控機(jī)，該計算機(jī)并口基址為378h，中斷號為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。本研究的中斷信號將從nAck引腳觸發(fā)，因此在控制寄存器的第4位要寫1才能允許中斷從nAck引腳接受，即寫入控制端口0x35。

2.2 RTX下并口中斷測試

為了保證并口中斷信息處理的及時有效，本研究在RTX環(huán)境下對并口進(jìn)行測試，因此要將RTX驅(qū)動中并口的硬件驅(qū)動更新。

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

當(dāng)一個中斷處理函數(shù)被添加到一個特定的中斷時，一個線程就會被創(chuàng)建來響應(yīng)此中斷。當(dāng)中斷發(fā)生時，中斷源被屏蔽；中斷信號的線程恢復(fù)；并且，如果它的優(yōu)先級比當(dāng)前執(zhí)行的線程的優(yōu)先級要高，它就會變成當(dāng)前執(zhí)行的那個線程。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個中斷級別。同所有RTAPI調(diào)用一樣，調(diào)用RtAttachInterruptVector()會將RTSS優(yōu)先級映射到這12個中斷級別。即有遞增的硬件優(yōu)先級：0～127。本研究中，為了在理想狀態(tài)下測試中斷響應(yīng)時間，因此把中斷優(yōu)先級設(shè)置為最高的127。

中斷定時程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中中斷信號由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號，起到模擬外部時鐘信號的作用。信號發(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，由計算機(jī)采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。

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

2.3 RTX下并口中斷定時數(shù)據(jù)分析

如同RTX內(nèi)部軟時鐘定時測試，并口外部硬時鐘中斷定時測試也在每次中斷后，把時鐘數(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的方式具有很好的穩(wěn)定性，其定時周期的誤差也已經(jīng)達(dá)到μs級別。但與表 1對比發(fā)現(xiàn)相較RTX軟時鐘，其誤差數(shù)據(jù)還是偏大，原因?qū)⒃谙乱还?jié)討論。

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

3 定時精度對比與分析

3.1 RTX軟時鐘定時與外部硬時鐘定時精度對比

由圖4所示，在目前的測試環(huán)境下，RTX內(nèi)部軟時鐘的定時誤差小于并口硬中斷定時誤差，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，這樣的延遲可能會導(dǎo)致不穩(wěn)定的定時周期；

(2) 在運行之前的定時程序時，計算機(jī)負(fù)載很小，沒有能發(fā)揮出并口硬中斷的優(yōu)勢，應(yīng)在系統(tǒng)滿負(fù)荷工作時進(jìn)行測試。

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

3.2 并口中斷信號延遲

為了驗證是否外部時鐘源信號通過并口由計算機(jī)接收的延遲比較大而導(dǎo)致,設(shè)計了用示波器檢測中斷延遲的試驗進(jìn)行驗證。

3.2.1 RTX下并口中斷響應(yīng)延遲

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

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

信號發(fā)生器產(chǎn)生周期1 ms的脈沖波信號，在每一次并口接收到信號后執(zhí)行中斷服務(wù)程序，向并口數(shù)據(jù)位輸出一個由高電平向低電平的跳變，經(jīng)驗證延遲普遍在7～9 μs左右。這樣的延遲相比于之前測得的時鐘定時誤差已經(jīng)相當(dāng)大了，因此可能是造成定時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入寫出過程延遲較大，相應(yīng)的在RTX內(nèi)部時鐘定時的情況下，在其定時器服務(wù)程序處也通過并口向示波器輸出信號[14]，通過示波器觀察每個定時周期的時間是否與之前測得的數(shù)據(jù)一致。經(jīng)驗證，采用1 ms定時周期，其誤差在1.5～2 μs波動，相比于之前測試的0.224 μs的平均誤差要大?？梢宰C明，并口執(zhí)行輸入輸出的過程中存在較大硬件延遲。

3.3 仿真過程中的定時測試

上文中所完成的無論并口定時測試還是RTX內(nèi)部時鐘定時測試，都是在系統(tǒng)幾乎空載的情況下完成的。而真實的仿真環(huán)境還會涉及到復(fù)雜的圖像處理、大量的數(shù)據(jù)運算以及頻繁的硬盤與內(nèi)存的讀寫，在系統(tǒng)資源被大量占用的時候，仿真定時的準(zhǔn)確度就會受到很大的影響。此時一個穩(wěn)定的定時時鐘對于仿真系統(tǒng)的可信度是十分重要的。

因此本次試驗在真實的仿真程序中進(jìn)行RTX內(nèi)部軟時鐘定時和外部硬時鐘定時，分別用示波器觀測其實際定時精度，并做出初步評價。

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

圖6 仿真運行過程中定時誤差對比Fig.6 Error comparisons of timer in simulation environment

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

4 結(jié)束語

本文對RTX內(nèi)部軟時鐘的定時以及利用并口采集外部硬時鐘的周期中斷信號定時的相關(guān)技術(shù)方法進(jìn)行了方案設(shè)計、研究與測試對比。采用并口采集外部硬時鐘定時信號的定時方式其精度已經(jīng)足以滿足目前大部分半實物仿真任務(wù)需求，而在系統(tǒng)高負(fù)荷運行時其表現(xiàn)出相較RTX軟時鐘更優(yōu)秀的穩(wěn)定性，且具有定時周期靈活的特點，最小定時周期也與RTX軟時鐘的最小定時周期持平。這樣的表現(xiàn)也足以肯定該方法可以用于半實物仿真的時鐘推進(jìn)。在未來的工作中可以自行設(shè)計外部時鐘的觸發(fā)電路板作為分布式半實物仿真的時鐘源進(jìn)行時鐘同步，設(shè)計相關(guān)算法來補(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。

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