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基于RTLinux的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)
摘要：從技術(shù)背景、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件設(shè)計(jì)等方面論述了基于RTLinux的閘門(mén)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的組成、原理以及實(shí)現(xiàn)方法，并著重分析了軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。關(guān)鍵詞：RTLinux 實(shí)時(shí)控制 TCP/IP MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)
在水電站閘門(mén)控制系統(tǒng)中，設(shè)備地理位置分散、控制分散，基于常規(guī)繼電器的控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足電廠無(wú)人值班控制系統(tǒng)和全廠綜合自動(dòng)化的要求，必須將智能控制和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的同時(shí)又能對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能管理和維護(hù)。目前比較常用的控制系統(tǒng)大多由PLC構(gòu)成，成本較高，缺乏客戶(hù)定制的靈活性。本文從系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩個(gè)方面考慮，半基于RTLinux的控制平臺(tái)、工業(yè)以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)引入閘門(mén)控制系統(tǒng)。
1 RTLlinux、工業(yè)以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫(kù)
RTLinux是由新墨西大學(xué)的Victor Yodaiken等人開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)在已有商業(yè)化的版本推出。在RTLinux面世之前，Linux在實(shí)時(shí)性方面作過(guò)一些嘗試。(范文先生網(wǎng)m.gymyzhishaji.com收集整理)在POSIX1.b中，規(guī)定了實(shí)時(shí)進(jìn)程的一些標(biāo)準(zhǔn)，但由于Linux內(nèi)核的不可搶先性，真正的實(shí)時(shí)進(jìn)程無(wú)法在標(biāo)準(zhǔn)的Linux環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。RTLinux采用簡(jiǎn)單而有效的方法解決了此問(wèn)題而不用重寫(xiě)Linux內(nèi)核代碼。RTLinux實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效的可搶先的實(shí)時(shí)調(diào)度核心，全面接管中斷，并把Linux作為此實(shí)時(shí)核心的一個(gè)優(yōu)先級(jí)最低的進(jìn)程運(yùn)行。當(dāng)有實(shí)時(shí)任務(wù)需要處理時(shí)，RTLinux運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)；無(wú)實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，RTLinux運(yùn)行Linux的非實(shí)時(shí)進(jìn)程。圖1是RTLinux的結(jié)構(gòu)圖。
為保證實(shí)時(shí)進(jìn)程與非實(shí)時(shí)Linux進(jìn)程部順序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，RTLinux引入了RT-FIFO隊(duì)列。RT-FIFO被Linux視為字符設(shè)備，最多可達(dá)150個(gè)，分別命名為/der/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。最大的RT-FIFO數(shù)量在系統(tǒng)內(nèi)核編譯時(shí)設(shè)定。圖2說(shuō)明了RT-FIFO的工作原理。
RTLinux程序運(yùn)行于兩個(gè)空間：用戶(hù)空間內(nèi)核態(tài)。RTLinux提供了應(yīng)用程序接口，借助這些API函數(shù)將實(shí)時(shí)處理部分編寫(xiě)成內(nèi)核模塊，并裝載到RTLinux內(nèi)核中，運(yùn)行于RTLinux的內(nèi)核態(tài)。非實(shí)時(shí)部分的應(yīng)用程序則在Linux下的用戶(hù)空間中執(zhí)行，這樣可以發(fā)揮Linux對(duì)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)的強(qiáng)大支持功能。
TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)在Internet上的成功應(yīng)用吸引著越來(lái)越多控制程師。盡管以太網(wǎng)的時(shí)間不確定性給以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性帶來(lái)了很多爭(zhēng)論，但是實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)絕大多數(shù)用于系統(tǒng)管理和維護(hù)等方面，用于實(shí)時(shí)控制的數(shù)據(jù)傳輸很少，這也是基于管理集中、控制分散的系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略考慮的。在較高的以太網(wǎng)傳輸速度下，現(xiàn)場(chǎng)智能處理單元的處理速度才是傳輸延遲的主要原因。本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制單元采用高速處理器，并采用RTLinux作為現(xiàn)場(chǎng)控制單元的控制平臺(tái)，直接用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次減少，信號(hào)的傳輸實(shí)時(shí)性也得到提高。
目前，有許多數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)商提供了Linux平臺(tái)上的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，例如Oracle、Sybase、Informix和MYSQL等都推出了Linux版本。基于RTLinux的控制系統(tǒng)在實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域有巨大的潛力。
2 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)和集中級(jí)�，F(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)由分散在現(xiàn)場(chǎng)的4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元控制，分別完成閘門(mén)位置、油缸油壓和油路狀態(tài)等的采集，現(xiàn)場(chǎng)操作按鈕的監(jiān)視以及閘門(mén)提升和下降的控制等。集中級(jí)由集中監(jiān)控站、維護(hù)站組成，分別執(zhí)行監(jiān)視、智能維護(hù)及診斷等功能。打印機(jī)用于數(shù)據(jù)的硬備份、報(bào)表的輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
在工業(yè)控制系統(tǒng)中通常采用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)的控制核心。PLC的不足一方面在于其較高的價(jià)格，另一方面在于其難以實(shí)現(xiàn)非順序控制算法，以及缺乏對(duì)TCP/IP靈活的支持。本系統(tǒng)采用嵌入式PC作為控制單元的核心，開(kāi)發(fā)人員可自行開(kāi)發(fā)外圍接口板，根據(jù)系統(tǒng)需要靈活組態(tài)，既經(jīng)濟(jì)又能使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)控制程序。
現(xiàn)場(chǎng)控制閘門(mén)的LCU采用相同的硬件配置。CPU板采用研華公司的PCM-5864，CPU的Intel公司的Pentium MMX 166MHz，內(nèi)存為64MB，以太網(wǎng)接口為10MHz的RTL-8139A。CPU板通過(guò)PC104總線(xiàn)與采樣模塊和輸出模塊相連。此外該板上配有顯示、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)接口，便于在線(xiàn)修改和檢查程序。硬盤(pán)選用容量為4.3GB的筆記本硬盤(pán)。16通道的A/D采樣模塊PCM-3718H完成模擬量的采集，分辨率為12位；16通道的數(shù)字I/O模塊PCM-3730用于開(kāi)關(guān)量的采集、控制閘門(mén)的啟動(dòng)和停止。為便于現(xiàn)場(chǎng)巡檢，LCU配有顯示中文信息的LCD模塊MGLS-240128，內(nèi)置T6963C控制器。系統(tǒng)采用了16端口的HUB。
為保證集中站可靠地工作，集中監(jiān)控站、集中維
護(hù)站采用工業(yè)PC，配有Intel公司的P處理器，256MB內(nèi)存和40GB的大硬盤(pán)，TCP/IP通信由3COM公司的10/100MbpsPCI網(wǎng)卡3C905C來(lái)完成。
2.2 系統(tǒng)軟件構(gòu)成
系統(tǒng)的軟件也分為兩部分。集中監(jiān)控站采用Windows2000操作系統(tǒng)，并安裝有MYSQL-3.23.49 for Windows服務(wù)器軟件和監(jiān)控軟件；維護(hù)也采用Windows2000操作系統(tǒng)。此外裝有MYSQL的客戶(hù)端軟件包和維護(hù)及診斷軟件。監(jiān)控軟件和維護(hù)及診斷軟件均用Visual C++開(kāi)發(fā)。
LCU的軟件包括實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)客戶(hù)端軟件和控制程序。在LCU中，操作系統(tǒng)Redhat6.2經(jīng)升級(jí)和安裝RTLinux后被改造成實(shí)時(shí)Linux。升級(jí)后的核為L(zhǎng)inux-2.2.18,RTLinux的版本號(hào)為RTLinux2.2 for Linux-2.2.18。數(shù)據(jù)庫(kù)的客戶(hù)端程序包為MYSQL-3.23.49RPM�？刂瞥绦虬▽�(shí)時(shí)控制程序和非實(shí)時(shí)程序兩部分。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題
現(xiàn)場(chǎng)單元中與實(shí)現(xiàn)控制部分和非實(shí)時(shí)控制部分程序相對(duì)應(yīng)的文件為gatectl_module.c和gatectl_app.c。二者由gcc編譯后生成目標(biāo)文件gatectl_module.o和gatectl_app.o。前者為內(nèi)核模塊，嵌入到RTLinux核中，用于實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)控制輸出，運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)。后者為L(zhǎng)inux應(yīng)用環(huán)境，運(yùn)行于用戶(hù)空間，完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理、訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)和人機(jī)接口等工作。
3.1 內(nèi)核模塊
內(nèi)核模塊程序按多線(xiàn)程模式編寫(xiě)，RTLinux提供了與多線(xiàn)程編程相應(yīng)的API函數(shù)。
RTLinux2.2內(nèi)核中，完成實(shí)時(shí)任務(wù)的模塊主要包括以下兩個(gè)功能函數(shù)：
Int init_module()；
Void cleanup_module()。
前者在模塊第一次裝入核中時(shí)被調(diào)用，完成實(shí)時(shí)任務(wù)的參數(shù)（優(yōu)先級(jí)別、中斷周期等）的設(shè)置，進(jìn)行任務(wù)的啟動(dòng)和終止等操作。后者在模塊卸載時(shí)被調(diào)用，一般在調(diào)試或系統(tǒng)退出時(shí)使用。模塊中可啟動(dòng)多個(gè)任務(wù)，本系統(tǒng)在實(shí)時(shí)部分只設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)即Task1。
啟動(dòng)實(shí)時(shí)任務(wù)前必須進(jìn)行初始化。init_module()中的初始化工作包括以下三部分：
·為保證內(nèi)核態(tài)的實(shí)時(shí)進(jìn)程與用戶(hù)空間的非實(shí)時(shí)進(jìn)程間交換信息。須創(chuàng)建3個(gè)RTL-FIFO，具體為：rtf1用于實(shí)時(shí)進(jìn)程與非實(shí)時(shí)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)包括采集到的模擬量和數(shù)字量；rtf3用于非實(shí)時(shí)進(jìn)程向?qū)崟r(shí)進(jìn)程傳遞控制命令字，以啟動(dòng)和終止實(shí)時(shí)任務(wù)；rtf2用于保存經(jīng)ttf3傳遞的實(shí)時(shí)任務(wù)的控制命令字。創(chuàng)建工作由RTLinux提供的API函數(shù)rtf_create(n,buf)來(lái)完成。
·創(chuàng)建實(shí)時(shí)任務(wù)Task1對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程，并設(shè)定其調(diào)度優(yōu)先級(jí)，由API函數(shù)pthread_create來(lái)完成。
·當(dāng)非實(shí)時(shí)進(jìn)程通過(guò)rtf3進(jìn)行控制命令傳遞時(shí)，實(shí)時(shí)進(jìn)程應(yīng)及時(shí)響應(yīng)。因此必須在實(shí)時(shí)程序中建立跟蹤rtf3變化的子程序，調(diào)用rtf_create_handler(3，&data_handler)來(lái)完成此功能。
內(nèi)核態(tài)的主體程序有兩種實(shí)現(xiàn)方式：中斷處理和周期實(shí)時(shí)線(xiàn)程方式。本系統(tǒng)采用周期性實(shí)時(shí)線(xiàn)，即周期性地執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、輸出控制結(jié)果以及與處于用戶(hù)空間中的非實(shí)時(shí)進(jìn)程交換數(shù)據(jù)。具體過(guò)程見(jiàn)圖4。
在編寫(xiě)實(shí)時(shí)程序時(shí)，應(yīng)特別注意的是：實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行在內(nèi)核水平，是為了提供對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的直接訪(fǎng)問(wèn)能力，為避免不確定的延遲，RTLinux給代碼和數(shù)據(jù)分配固定的內(nèi)存空間。實(shí)時(shí)任務(wù)不能使用Linux的系統(tǒng)調(diào)用及Linux中的程序與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，否則難以保證數(shù)據(jù)的一致性。此外應(yīng)控制實(shí)時(shí)程序的執(zhí)行時(shí)間，編寫(xiě)程序時(shí)應(yīng)注意包含與API函數(shù)對(duì)應(yīng)的頭文件。
內(nèi)核程序中與RT-FIFO相關(guān)的函數(shù)有：
rtf_create()：創(chuàng)建RT-FIFO。
rtf_get():從RT-FIFO讀數(shù)據(jù)。
rtf_put():向RT-FIFO寫(xiě)數(shù)據(jù)。
rtf_create_handler()：建立響應(yīng)RT-FIFO變化的子程序。
內(nèi)核程序中與實(shí)時(shí)任務(wù)線(xiàn)程相關(guān)的函數(shù)有：
pthread_create():創(chuàng)建實(shí)時(shí)任務(wù)對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程。
pthread_wait_np():將當(dāng)前線(xiàn)程掛起，直至下一個(gè)周期線(xiàn)程。
pthread_makeperiodic_np()：設(shè)置線(xiàn)程的屬性并啟動(dòng)線(xiàn)程。
pthread_suspend_np()：將本線(xiàn)程無(wú)限期掛起，即終止任務(wù)。
在調(diào)試階段，需要將有bug的模塊卸載。該項(xiàng)工作由cleanup_module（）來(lái)完成。在卸載模塊時(shí)將rtf1、rf2和rtf3撤銷(xiāo)，并撤銷(xiāo)實(shí)時(shí)任務(wù)Task1。
3.2 應(yīng)用程序
Linux下應(yīng)用程序gatect1_app工作流程見(jiàn)圖4，其程序用Linux下的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。集中監(jiān)控站和維護(hù)站的程序在Windows下用Visual C++開(kāi)發(fā)。其中有幾點(diǎn)要說(shuō)明：
·RT-FIFO被Linux視為字符設(shè)備，因此可以通過(guò)調(diào)用open("/dev/rtf1",O_RDONLY)來(lái)獲得rtf1的指針，rtf2的rtf3類(lèi)似。獲得指針后通過(guò)read和write函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)RT_FIFO的讀寫(xiě)操作。
·程序中調(diào)用select函數(shù)檢查RT_FIFO是否忙，以避免讀RT_FIFO時(shí)出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。
·LCD顯示模塊MGLS-240128內(nèi)置智能控制器，只需將待顯示的數(shù)據(jù)送控制器的顯示緩沖區(qū)就能實(shí)現(xiàn)顯示功能，數(shù)據(jù)顯示不會(huì)占用系統(tǒng)過(guò)多的時(shí)間。
·系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和維護(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫(kù)采用客戶(hù)端/服務(wù)器模塊，將LCU、集中維護(hù)站設(shè)置為客戶(hù)端，將集中監(jiān)控站設(shè)置為服務(wù)器。本系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議的MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。MYSQL是一個(gè)多用戶(hù)、多線(xiàn)程的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，由客戶(hù)端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它由一個(gè)服務(wù)器守護(hù)程序mysqld和不同的客戶(hù)程序及庫(kù)組成，使用TCP/IP把多個(gè)客戶(hù)（LCU等）連接到一個(gè)服務(wù)器（集中監(jiān)控站）上。在運(yùn)行前應(yīng)將主機(jī)名、IP地址等設(shè)備就緒，在LCU的應(yīng)用程序gatectl_app中應(yīng)包含MYSQL.h頭文件，其中有MYSQL的API函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。在用戶(hù)空間，C語(yǔ)言程序通過(guò)這些API函數(shù)訪(fǎng)問(wèn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。
·數(shù)據(jù)的預(yù)處理：為防止被干擾的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)才可以送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，通過(guò)API函數(shù)向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上傳。
4 應(yīng)用效果
目前該系統(tǒng)正在試驗(yàn)室運(yùn)行。從連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況看，控制實(shí)時(shí)性和可靠性均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)均運(yùn)行正常，可見(jiàn)本設(shè)計(jì)思路是可行的。下一步將設(shè)放到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步驗(yàn)證。RTLinux實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制功能并與Linux有機(jī)結(jié)合，這一設(shè)計(jì)思路既滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)的快速性、時(shí)間的精確性和控制的可預(yù)測(cè)性的要求，又充分發(fā)揮了Linux對(duì)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)的支持功能。將RTLinux引入控制領(lǐng)域，拓寬了Linux的應(yīng)用范圍，必須加速工業(yè)控制的信息化。
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