在PC上運行的實(shí)時(shí)操作系統LabVIEWRT

實(shí)時(shí)操作和硬實(shí)時(shí)操作系統

電子測試和工業(yè)測控都依賴(lài)各種PC作為控制器，因為PC的硬件、軟件資源豐富，價(jià)格實(shí)惠，采用開(kāi)放式工業(yè)標準，完全滿(mǎn)足作為測試系統的主控機，以及單機的嵌入式微控制器的各種要求。特別是PC基數據采集系統和虛擬儀器的問(wèn)世，PC在系統、單臺、手提、模塊、板卡中同樣起著(zhù)核心作用，反過(guò)來(lái)，測試產(chǎn)品可從PC中獲得最新的計算機和網(wǎng)絡(luò )成果。PC基的數據采集廣泛用來(lái)解決信號測控的各種問(wèn)題，可用比傳統儀器和控制器更低的投入，更快的上市時(shí)間開(kāi)發(fā)功能強大的測控系統。

表1 RT系列數據采集卡

當前，大部分PC采用奔騰芯片和Windows操作系統，芯片時(shí)鐘不斷升高，今年將超過(guò)1GHz，Windows版本也從95、98、NT升級至2000，PC不但是精巧的控制器，而且也是很好的服務(wù)器，性能直迫工作部。然而，由于Windows著(zhù)重事務(wù)處理，雖然具有多任務(wù)、多線(xiàn)程、多媒體、網(wǎng)絡(luò )和通信功能，仍然不適用于對過(guò)程時(shí)間有嚴格要求的實(shí)時(shí)測控系統。

“實(shí)時(shí)”是工業(yè)最廣泛使用的術(shù)語(yǔ)，但意義不夠明確，多數工程為員認為實(shí)時(shí)是指在可接受的延時(shí)內的時(shí)間，因為任何過(guò)程都不可能在瞬時(shí)產(chǎn)生。并且且硬實(shí)時(shí)間間表示一種對系統反應時(shí)間的約束，在限定時(shí)間內系統保證作業(yè)的無(wú)失效執行，并符合實(shí)時(shí)的要求。我們用一個(gè)控制回路來(lái)表達實(shí)時(shí)應用（見(jiàn)圖1），傳感器在某一時(shí)刻測得的物理量，經(jīng)過(guò)過(guò)程收集后作出控制決定，再產(chǎn)生控制輸出由執行機構去執行。顯然，從傳感器測量至執行器動(dòng)作之間需要占有一定時(shí)間，這個(gè)時(shí)間間隔稱(chēng)為控制回路周期時(shí)間。如果回路周期時(shí)間得到保證，則系統是在確定情況下運行。亦即，如果回路周期時(shí)間不確定，則系統是在不穩定狀態(tài)下運行。

測控系統一般是在PC的Windows下運行。雖然Windows是可靠的操作系統，但是并非可時(shí)操作系統，工程為員不敢依靠Windows去執行嚴格的硬實(shí)時(shí)應用，因為擔心操作系統會(huì )“崩潰”。

LabVIEW RT和RT系列硬件

測控使用的PC基插卡中，以數據采集卡最普遍，數據采集卡充分利用計算技術(shù)的開(kāi)放系統、圖形用戶(hù)接口、連續性、網(wǎng)絡(luò )能力，構建適于快速實(shí)時(shí)控制的對時(shí)間有嚴格要求的應用。在編程工具中，美國國家儀器公司的LabVIEW已有20年的經(jīng)驗，在PC基儀器編程中，LabVIEW占有最大的份額。國家儀器公司生產(chǎn)的數據采集系統也是性能最好的產(chǎn)品之一。

然而，國家儀器公司的數據采集卡和LabVIEW都是在Windows平臺上運行的，Windows并非確定性的實(shí)時(shí)操作系統，在它的控制算法中，回路周期時(shí)間是變動(dòng)的，不能解決硬實(shí)時(shí)控制。對于Windows基PC來(lái)說(shuō)，數據采集系統在執行回控制時(shí)典型延時(shí)或抖動(dòng)是幾百毫秒。對于一般控制系統幾百毫秒的回路周期時(shí)間是可以接受的，例如溫度控制器通常只執行每秒幾次的取樣和控制溫度，幾百毫秒的回路抖致力或不確定并不影響系統的穩定。顯然，對于需要硬實(shí)時(shí)控制來(lái)說(shuō)，往往要求控制回路的周期時(shí)間穩定在幾十毫秒或者幾毫秒。Windows操作系統不適合這種高速的控制回路使用。

采用LabVIEW進(jìn)行處理，周期時(shí)間可達到8ms，但不夠穩定，每隔幾分鐘左右周期時(shí)間會(huì )突然增加到30ms，原因是底層內核或Windows內務(wù)處理引起的變化。既然Windows和LabVIEW都不能解決硬實(shí)時(shí)控制的確定周期時(shí)間，用戶(hù)只能尋求其它解決方案，例如UNIX操作系統的實(shí)時(shí)軟件，使控制系統的總費用達到幾萬(wàn)美元，而且編程為員還要重新學(xué)習難以掌握的命令集和在工作站上編程。

當然，還有在PC和Windows平臺上發(fā)展的實(shí)時(shí)專(zhuān)用硬件和控制器，即有獨立的設備也有插卡，總線(xiàn)多種多樣，如VME、PCI或CompactPCI。這些控制器只有固定的或很有限的編程能力，編程軟件也是專(zhuān)用開(kāi)發(fā)工具。專(zhuān)用控制器和開(kāi)發(fā)工具的售價(jià)仍在一萬(wàn)美元以上。由于缺乏公認的標準和缺少靈活性。妨礙這些專(zhuān)用實(shí)時(shí)產(chǎn)品用于PC基的軟實(shí)時(shí)控制系統中。

為解決硬實(shí)時(shí)的測控問(wèn)題，國家儀器公司在LabVIEW的基礎上開(kāi)發(fā)出LabVIEW RT軟件，在普通數據采集卡上開(kāi)發(fā)出RT系列硬件，構成真正實(shí)時(shí)測控系統，而價(jià)位在一萬(wàn)美元以下。

實(shí)時(shí)操作系統的構成

LabVIEW RT實(shí)時(shí)圖形編程工具要在RT系列數據采集卡上的RT CPU運行，RT CPU是一個(gè)AMD486DX5處理器，時(shí)鐘頻率133MHz，PCI總線(xiàn)速度33MHz，用戶(hù)編程用在DRAM存儲容量8MB。RT CPU相當于RT系列數據采集卡上的嵌入式處理器，執行主機PC的命令，與主機交換信息。RT系列數據采集卡目前有兩種，性能如表1所示。

為增加數據采集的I/O數目，RT系列6533型I/O插卡的特點(diǎn)是，I/O數32個(gè)，傳輸率13MB/s（圖形）和76MB/S（信號交換），TTL電平。RT系列插卡是雙槽PCI板卡，由堆疊在一起的處理器母板和功能子板構成。處理器板實(shí)際上是一塊PC板，由PC芯片集、BIOS、RAM和RT專(zhuān)用CPU組成，只是沒(méi)有硬盤(pán)、鍵盤(pán)、鼠標、串并口等I/O器件。因此RT系列插卡必須與主機PC一起工作，執行程序開(kāi)發(fā)、調試、數據收集、用戶(hù)界面等操作。RT系列插卡有PCI、PXI和Compact PCI三種總線(xiàn)選擇。RT系列插卡的處理器板方框圖如圖2所示。

子板就是6430E/6440E數據采集卡，備有16個(gè)單端模擬輸入或8個(gè)差分模擬輸入，分辨率是16/12位，取樣率是100/250ks/s?？梢?jiàn)當前的RT系列硬件主要用于過(guò)程控制，在主機PC和Windows平臺下運行時(shí)RT系列插卡可在750μs內響應一個(gè)事件，采用軟件定時(shí)的最大周期時(shí)間抖動(dòng)為10μs，采用板上定時(shí)器的硬件定時(shí)的抖動(dòng)降低到ns量級。實(shí)時(shí)控制性能顯然比LabVIEW好得多，而且不會(huì )出現不穩定的周期時(shí)間突變，是名副其實(shí)的硬實(shí)時(shí)控制系統。實(shí)時(shí)LabVIEW RT的編程與標準LabVIEW的編程基本相同。

LabVIEW RT圖形編程工具由兩部分構成，亦即開(kāi)發(fā)系統和RT引擎。RT開(kāi)發(fā)系統的功能是編制和調試LabVIEW RT代碼，然后將程序下載到RT系列插卡上的RT CPU，以及提供用戶(hù)界面?？梢?jiàn)RT實(shí)時(shí)系統是在主機PC下運行的應用軟件，RT引擎是在RT CPU內運行和執行嵌入的LabVIEW RT程序。實(shí)時(shí)引擎實(shí)上是一個(gè)32位的內核，但增強了與開(kāi)發(fā)系統通信服務(wù)等功能。

RT引擎運行LabVIEW RT的代碼，提供確切的實(shí)時(shí)特性。因為，RT引擎不在主機PC運行，而在RT系列插板上運行，對實(shí)時(shí)特性調諧，減少瓶頸。RT引擎是在實(shí)時(shí)操作系統下運行，保證調度程序和其它操作系統服務(wù)粘附到實(shí)時(shí)操作上。RT引擎是多線(xiàn)程的，較高優(yōu)先級的線(xiàn)程一定比低優(yōu)先級的線(xiàn)程先執行。使用者無(wú)需了解內核的詳細運行，實(shí)時(shí)操作系統管理全部實(shí)時(shí)細節。這種屏蔽作用保證在實(shí)時(shí)操作系統更新時(shí)，用戶(hù)不必更改代碼。

實(shí)時(shí)控制與分布式實(shí)時(shí)控制

有了LabVIEW RT之后，構建實(shí)時(shí)測控應用變得很容易和方便。對熟悉LabVIEW的使用者來(lái)說(shuō)，先在LabVIEW RT軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)應用程序，然后將代碼下載到RT系列數據采集板上的RT處理器內。這樣，使用者就備有可靠的獨立運行的處理器全力以赴地執行硬實(shí)時(shí)控制的要求，而其它對時(shí)間沒(méi)有嚴格要求的用戶(hù)界面臨視，數據收集和有其它功能留給主機PC去處理。因為L(cháng)abVIEW RT代碼在智能的RT系列數據采集卡運行，即使主機PC崩潰，控制回路應用程序仍然工作。對于熟悉LabVIEW編程和傳統數據采集插卡的使用者，由于LabVIEW RT和RT系列數據采集卡采用同樣的應用程序接口，使用者可利用從前的編程經(jīng)驗而不必深入了解實(shí)時(shí)技術(shù)來(lái)構建硬實(shí)時(shí)應用。

由LabVIEW RT開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應用程序可用于大型測控系統的頒結構，在分布結構中主機PC運用標準的LabVIEW主程序和對用戶(hù)提供界面，對時(shí)間要求不嚴格的控制硬件可接入分布網(wǎng)絡(luò )中，對時(shí)間要求嚴格的RT系列硬件執行LabVIEW RT程序。標準的LabVIEW主程序軟件與嵌入的LabVIEW RT程序相互通信和分享RT系列的板上存儲器，在網(wǎng)絡(luò )上運行TCP/IP協(xié)調或調用虛擬儀器（VI）服務(wù)器，執行分布式硬實(shí)時(shí)測控作業(yè)。