本文關(guān)鍵詞：基于LabVIEW的實時控制與仿真技術(shù)應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文；第三章基于RTX和LabVIEW的實時控制研究；系統(tǒng)的實時性是指在一個確定的時間里，對外部產(chǎn)生的；Windows系統(tǒng)是一個通用的操作系統(tǒng)，時系統(tǒng)中；不具有實時性，但它擁有大量的熟悉本系統(tǒng)的開發(fā)支持；本章通過對Windows環(huán)境下實時控制的幾種方法；3.1Windows環(huán)境下實時控制的幾種方法；3.1.1Windows系統(tǒng)實時性的

南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文

第三章 基于RTX和LabVIEW的實時控制研究

系統(tǒng)的實時性是指在一個確定的時間里，對外部產(chǎn)生的事件做出響應(yīng)，并在確定的時間里完成這種響應(yīng)及處理。實時系統(tǒng)并非是指“快速”的系統(tǒng)，它與非實時系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別就在于實

Windows系統(tǒng)是一個通用的操作系統(tǒng)，時系統(tǒng)中的任務(wù)都有時間限制，從而使系統(tǒng)具有確定性[37]。

不具有實時性，但它擁有大量的熟悉本系統(tǒng)的開發(fā)支持人員和最終用戶，并以高性價比被越來越廣泛地應(yīng)用在各種控制系統(tǒng)。LabVIEW是一種基于Windows平臺的開發(fā)環(huán)境，它很好地發(fā)揮了Windows的出色的多任務(wù)性能和友好的圖形化界面的特點。

本章通過對Windows環(huán)境下實時控制的幾種方法的分析，重點研究基于RTX的實時控制系統(tǒng)的原理，構(gòu)建一種基于RTX和LabVIEW實時控制系統(tǒng)，它可以利用RTX擴展Windows的實時性，利用LabVIEW開發(fā)人機界面，最后用串口通信實例、數(shù)據(jù)采集實例及PID控制實例對該系統(tǒng)的實時性進行驗證。

3.1 Windows環(huán)境下實時控制的幾種方法

3.1.1 Windows 系統(tǒng)實時性的固有缺陷

計算機技術(shù)的飛速發(fā)展已使PC機在實時數(shù)據(jù)采集和控制領(lǐng)域占據(jù)了越來越重要的地位。在PC操作系統(tǒng)中，Windows操作系統(tǒng)已成為通用的桌面操作系統(tǒng)，應(yīng)用范圍不僅僅在于個人用戶級，同時也廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。自1995年Microsoft公司推出Windows 95，獨立于Dos操作系統(tǒng)以來，就在圖形界面、搶先式多任務(wù)和多線程、即插即用，簡化用戶配置硬件操作等方面具有高性能的人性化的特點 [38]。今天的Windows XP在繼承了以前版本的優(yōu)點上，又做了一些細微的修改。集成了防火墻、媒體播放器以及它與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的緊密結(jié)合。是目前使用率最高的一個操作系統(tǒng)。鑒于以上優(yōu)點，Windows系統(tǒng)也正逐漸應(yīng)用在工業(yè)自動化、航空航天控制等高端領(lǐng)域。

Windows XP作為控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，具有如下優(yōu)點[39-40]：

z 高性價比；

z 可運行多種應(yīng)用程序；

z 支持多種開發(fā)工具；

z 豐富的Win32應(yīng)用程序接口；

z 大量的熟悉本系統(tǒng)的開發(fā)支持人員和最終用戶。

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基于LabVIEW的實時控制與仿真技術(shù)應(yīng)用研究

Win32應(yīng)用程序運行在Windows用戶層級別，而所有硬件管理都在核心層，Win32應(yīng)用程序不能直接訪問硬件，必須通過系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用來獲得核心層級別的訪問[41]。這就限制了Windows 系統(tǒng)的實時性，也造成了利用其開發(fā)實時控制系統(tǒng)的局限性。Windows XP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖

3.1

圖3.1Windows XP系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

WindowsXP系統(tǒng)通過這樣的體系很好地屏蔽了底層的操作，對于系統(tǒng)的安全有重要的作用，但這些機制同樣也限制了用戶應(yīng)用程序的權(quán)限。為了滿足服務(wù)器和桌面應(yīng)用的可靠性，Windows XP分兩個階段處理中斷：首先，通過非常短的中斷服務(wù)程序（ISR）進行一些基本的響應(yīng)，然后由一個DPC（延遲過程）調(diào)用剩余的任務(wù)。雖然ISR按照優(yōu)先級，以搶占方式運行，但DPC卻是按照排隊方式運行，這樣使得WindowsXP對異步事件的響應(yīng)不能滿足時間期限。 另外，WindowsXP是一個多任務(wù)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)是按照一定的時間片大小將CPU處理器的控制權(quán)分配給各個線程，而每個線程的優(yōu)先級決定了時間片的優(yōu)先分配順序，但其線程調(diào)度存在優(yōu)先級倒置，即優(yōu)先級較低的線程能阻止較高的優(yōu)先級線程的運行，這樣違背了實時系統(tǒng)的搶占調(diào)度原則。并且WindowsXP的線程優(yōu)先級太少，這對一個復(fù)雜的實時系統(tǒng)來說是不可想象的。

總的來說，WindowsXP系統(tǒng)不能成為一個實時操作系統(tǒng)，主要有以下幾點原因：

z 線程優(yōu)先級太少；

z 不確定的線程調(diào)度機制；

z 優(yōu)先級倒置，尤其體現(xiàn)在中斷處理中。

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雖然Windows系統(tǒng)在實時性方面有著固有缺陷，但它具有開發(fā)控制系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢。目前，在Windows平臺上，實現(xiàn)實時控制系統(tǒng)的方法主要有三類：

（1）基于多媒體定時器的實時控制系統(tǒng)；

（2）基于智能板卡或?qū)Ｓ糜布膶崟r控制系統(tǒng)；

（2）基于RTX的實時控制系統(tǒng)。

3.1.2 基于多媒體定時器的實時控制系統(tǒng)

實時計算機控制系統(tǒng)和普通計算機系統(tǒng)最大的不同在于實時計算機控制系統(tǒng)必須與外部世界相互作用，外部世界由工作環(huán)境、設(shè)備硬件和在其中發(fā)生的事件表示。系統(tǒng)在響應(yīng)這些事件時所進行的判斷、推理和計算，不僅要保證產(chǎn)生正確的結(jié)果，而且要保證在確定的時間產(chǎn)生這些結(jié)果[32]。

對于以Dos為平臺的控制系統(tǒng)，可以通過對硬件直接操作而得到精確的采樣時間。而由于Windows系統(tǒng)是搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)掌管了全部的硬件資源，用戶無法直接同硬件打交道，所以Windows的定時機制都是基于操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)來進行的。主要有兩種方式：

（1）系統(tǒng)計時器。

這個定時器是IBM PC硬件和ROM BIOS構(gòu)造的定時器邏輯的一個相當(dāng)簡單的擴展。PC的ROM初始化Intel8259定時器芯片來產(chǎn)生硬件中斷08H。這個中斷有時稱為"定時器滴答"中斷。中斷08H每隔54.925毫秒產(chǎn)生一次，或大約每秒18.2次。BIOS使用中斷08H更新存于BIOS數(shù)據(jù)區(qū)的時間值。因此，這個定時器在Windows中的最大缺點是計時器的最大分辨率是55毫秒。此外，這個計時器消息的優(yōu)先級太低，只有在所有的消息（除了消息WM_PAINT）被處理后才能被處理。因此函數(shù)SetTimer只能用于一般的定時，它遠遠不能滿足實時數(shù)據(jù)采集的要求[42]。

（2）多媒體定時器（Multimedia Timer）。

它是在Win95之后引入的，它使用單獨的線程，來調(diào)用回調(diào)函數(shù)。其優(yōu)先級很高，每隔一定時間就發(fā)送一個消息而不管其它消息是否執(zhí)行完。

利用多媒體定時器的基本功能，可以通過兩種方法實現(xiàn)精確定時：

z 使用timeGetTime（）函數(shù)，該函數(shù)定時精度為ms級，返回從Windows啟動開始所經(jīng)過

的時間。由于使用該函數(shù)是通過查詢的方式進行定時控制的，所以，應(yīng)該建立定時循環(huán)

來進行定時事件的控制。

z 使用timeSetEvent（）函數(shù)，該函數(shù)原型如下：

MMRESULT timeSetEvent(UINT uDelay,UINT uResolution,LPTIMECALLBACK

lpTimeProc, DWORD dwUser,UINT fuEvent)；

該函數(shù)的參數(shù)說明如下：

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基于LabVIEW的實時控制與仿真技術(shù)應(yīng)用研究

z uDelay表示延遲時間；

z uResolution表示時間精度，在Windows中缺省值為1ms；

z lpTimeProc表示回調(diào)函數(shù)，為用戶自定義函數(shù)，定時調(diào)用；

z dwUser表示用戶提供的回調(diào)數(shù)據(jù)；

z fuEvent為定時器的事件類型，TIME_ONESHOT表示執(zhí)行一次；

z TIME_PERIODIC表示周期性執(zhí)行。具體應(yīng)用時，可以通過調(diào)用timeSetEvent（）函數(shù)，，

將需要周期性執(zhí)行的任務(wù)定義在lpTimeProc回調(diào)函數(shù)中(如：定時采樣、控制等)，從而完成所需處理的事件。需要注意的是：任務(wù)處理的時間不能大于周期間隔時間。另外，在定時器使用完畢后，應(yīng)及時調(diào)用timeKillEvent()將之釋放。

對于現(xiàn)在的Intel CPU來說，多媒體定時器的最小定時精度通常都可以達到1毫秒[43]。但在工程實踐中，5ms以下的精確定時難以保證，只能滿足對變化不劇烈的信號的實時數(shù)據(jù)采集。

Windows的多任務(wù)搶占式的運行機制以及多媒體定時器的應(yīng)用，為Windows下實現(xiàn)一般實時控制系統(tǒng)提供了可能。但由于多媒體定時器的線程仍然運行在Windows用戶層，線程較少，定時任務(wù)也不能太多，所以對于系統(tǒng)任務(wù)比較多或系統(tǒng)的定時周期比較短的實時控制系統(tǒng)，多媒體定時器就無能為力了。

3.1.3 基于智能板卡或?qū)Ｓ糜布膶崟r控制系統(tǒng)

對于比較復(fù)雜或?qū)崟r性要求較高的實時控制系統(tǒng)中，如航空發(fā)動機控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)，可采用智能板卡或?qū)Ｓ糜布䜩頋M足實時性的要求。智能板卡或?qū)Ｓ糜布隙紟в懈咝阅艿膯纹瑱C或DSP（數(shù)字信號處理）芯片作為中央處理器來采集信號或進行高速運算[43-44]。

板卡驅(qū)動實現(xiàn)了和Win32的接口，在Windows環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序部分，使用PC機作為上位機來進行數(shù)據(jù)顯示或監(jiān)控。這類方法的實時性好，但需要編寫底層驅(qū)動程序，需要了解系統(tǒng)核心層的知識，編寫程序復(fù)雜，開發(fā)周期長，通用性不好。NI公司的RT系列實時板卡都采用這種方式來定制自己的實時系統(tǒng)[45]。

采用DSP等專用硬件的方法來構(gòu)建實時控制系統(tǒng)，需要根據(jù)實際情況定制自己的硬件系統(tǒng)，這類方法通用性同樣不強，成本高，硬件及嵌入式軟件開發(fā)需要專業(yè)知識支持，適合于實時性要求特別高的特殊場合。

3.1.4 基于RTX的實時控制系統(tǒng)

由前文對Windows系統(tǒng)實時性固有缺陷的分析，不難發(fā)現(xiàn)，Windows平臺的許多缺點都是由于其線程模型和調(diào)度機制，如果解決了這個問題，那么就可以彌補其實時性比較弱的劣勢。 28

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為此，國外在上世紀(jì)90年代中后期對Windows實時擴展技術(shù)已開始了深入的研究，并在一些重要的期刊上就有關(guān)于此方面的文章發(fā)表[46]。微軟也贊助了關(guān)于Windows XP實時性的研究，

但對于Windows XP這種面向廣闊并在應(yīng)用程序事先聲明其資源需要方面取得了一些成果 [47]。

市場的操作系統(tǒng)，為了完整其功能而加入實時性系統(tǒng)，導(dǎo)致它使用起來較復(fù)雜，是不可行的。這意味著使Windows XP具有實時性的最好方法是通過對原產(chǎn)品的擴展或者由插件實現(xiàn)。美國Venturcom 公司、Ardence公司、Nematron公司以及Radisys公司都在此取得了成果。 其中，Ardence公司的RTX（Real-time-eXtension）是目前Windwos平臺的唯一純軟件的硬實時擴展子系統(tǒng)，在國內(nèi)應(yīng)用較廣。

Windows具有實時性的不足，但它同時也提供了豐富的設(shè)備驅(qū)動模型，可定制的硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer ，HAL)模型，這種開放的、可擴展的環(huán)境為其功能上的補充提供了可能。Ardence RTX利用Windows的這個特點，按照微軟Windows XP驅(qū)動開發(fā)工具(Driver Development Kit，DDK)和HAL模型對Windows的實時功能進行了擴展，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

z 通過修改WindowsHAL，增加了Real Time HAL Extension，簡稱rtHAL，它提供了對攔截中斷和直接訪問硬件的支持。

z 利用DDK，開發(fā)了一套完全獨立于Windows內(nèi)核的中斷處理、線程調(diào)度、事件同步機制。

z RTX的優(yōu)先級高于Windows的內(nèi)核。當(dāng)有硬件中斷到來時，rtHAL會首先攔截該中斷，交給實時子系統(tǒng)處理，如果實時子系統(tǒng)不處理該中斷，中斷會被交給Windows內(nèi)核去處理�？梢娡ㄟ^rtHAL、獨立的中斷處理、線程調(diào)度、事件同步機制及優(yōu)先執(zhí)行，使得RTX能夠真正避開Windows內(nèi)核，實現(xiàn)實時處理。RTX和Windows的關(guān)系如圖3.2所示[48-51]：

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