Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 22 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Технологии AdvancedTCA, AdvancedMC и MicroTCA: быстрые интерфейсы и процессоры под соусом стандартизации. Часть 2

Вычислительная мощь системы без учета взаимодействия между различными ее частями зависит от механических и электрических параметров используемых печатных плат. Благодаря увеличенной площади плат, большему расстоянию между платами и повышенному допустимому энергопотреблению каждой платы (до 200 Вт), стандарт AdvancedTCA позволяет создавать и применять вычислительные узлы на базе самых современных процессоров. Во второй части статьи мы продолжаем рассказ об особенностях реализации устройств по стандарту AdvancedTCA.

Выбор подходящего оборудования для систем управления и сбора данных. Часть 1

С проблемой выбора встречается каждый разработчик. Для одних она не представляет большой сложности, но для других может стать предметом долгих размышлений. Выбор правильной аппаратной платформы для контроля и автоматизации процессов на производстве — задача не из легких. В статье обосновываются принципы, упрощающие жизнь разработчику.

Протоколы промышленных сетей

Протоколы промышленных сетей включают такие стандарты, как EtherNet/IP, Ethernet Powerlink, EtherCAT, Modbus-TCP, Profinet, SERCOS III, и этот перечень продолжает расти. Как выбрать протокол промышленной сети, который отвечает вашим специфическим требованиям и при этом имеет перспективы на будущее?

 

15 мая

Выбор ОС реального времени для высокоскоростного контроля и управления

Во многих системах необходимо использование режима полного реального времени. В статье описаны факторы, влияющие на выбор ОС реального времени.





Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Скрыть/показать html версию статьи
background image
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
55
электронные компоненты №5 2008
Во многих системах необходимо использование режима полного реально-
го времени. В статье описаны факторы, влияющие на выбор ОС реального
времени.
Выбор ос реального Времени
для Высокоскоростного
контроля и упраВления
Герардо Гарсия (Gerardo Garcia), Embedded.com
В последние годы бурный рост
разработок встраиваемых устройств
размыл границу между подлинными
системами реального времени (RTOS) и
операционными системами (ОС), кото-
рые в принципе могут обслуживать эти
устройства. В сущности, операционные
системы реального времени — это
подмножество встраиваемых операци-
онных систем. Хотя многие приклад-
ные задачи можно решить с помощью
встраиваемой операционной системы,
некоторые из них могут быть решены
только с использованием детерминизма,
обеспечиваемого «жесткой» RTOS.
Одна из наиболее важных приклад-
ных задач, которая попадает в эту катего-
рию, — задача высокоскоростного кон-
троля и управления. Высокоскоростной
контроль и управление применяется во
множестве устройств и систем — от
медицинских инструментов и упаковоч-
ных машин до систем моделирования
работы автомобильного двигателя.
Наиболее общий тип управления, тре-
бующий режима реального времени —
замкнутая система управления (система
с обратной связью). Такая система обыч-
но выполняет три основных действия:
– запрашивает ответные сигналы от
управляемой системы, которая обычно
называется установкой (plant);
– выполняет логическую и/или сиг-
нальную обработку входных сигналов,
основанную на выбранной стратегии
поведения;
– вырабатывает выходные сигналы,
которые оказывают влияние на установ-
ку, как показано на рисунке 1.
Для того чтобы отделить системы
высокоскоростного контроля и управ-
ления от всех других управляющих при-
ложений, будем считать, что эти системы
Герардо Гарсия — руководитель, от вет­
ствен ный за разработку, производство и реа­
лизацию LabVIEW Real­Time в компании National
Instruments. Гарсия начал свою карьеру в
National Instruments в 2002 г. в качестве спе циа­
листа по применению. Гарсия получил степень
бакалавра наук по электронике в Техас ском
университете A&M. Его электронная почта —
gerardo.garcia@ni.com.
должны работать на циклической скоро-
сти от 1 мс или меньше, или детермини-
ровано выполнять заданные действия на
частоте как минимум 1 кГц. Кроме того,
они должны обеспечивать необходимую
скорость отклика в контуре управления
для предотвращения критических отка-
зов системы.
Следовательно, высокоскоростные
системы контроля и управления требу-
ют режима полного реального време-
ни. В то время как производительность,
безусловно, важна, подобные системы
должны также удовлетворять другим
требованиям. Для того чтобы правильно
выбрать RTOS для ваших прикладных
задач контроля и управления, необходи-
мо рассмотреть следующие факторы:
– производительность;
– среда разработки;
– отладка;
– интеграция алгоритмов управле-
ния и контроля;
– поддержка аппаратных средств и
средств ввода/вывода;
– пошаговая отладка кода;
– интерфейсы.
Производительность
Самый важный фактор при выборе
RTOS — это рабочая производитель-
ность. Операционная система должна
удовлетворять основным требовани-
ям по вычислительной мощности для
того, чтобы управляющее программное
обеспечение могло выполнять свои
задачи. Одно из наиболее важных тре-
бований — это малая задержка выпол-
нения прерываний (см. рис. 2). Система
должна быстро и предсказуемо отве-
чать на события, такие как поступление
на вход новых сигналов. Составляющие
для оценки этой производительно-
сти — максимальная задержка програм-
мы обработки прерывания (ISR latency)
и максимальная задержка программы
обработки потока прерываний (IST
latency). Высокоскоростные прикладные
системы управления, такие как системы
аппаратно-программного моделирова-
ния и управления движением, обычно
требуют времен ISR и IST меньше 10 мкс.
Большинство существующих RTOS,
таких как VxWorks компании Wind River,
Neutrino компании QNX, Integrity компа-
нии Green Hills, удовлетворяют данным
требованиям. Кроме того, различные
смешанные системы Linux и планиров-
щиков, работающих в реальном време-
ни, такие как RTLinux и RTAI, также могут
решать задачи высокоскоростного конт-
роля и управления. С другой стороны,
Рис. 1. Влияние выходных сигналов на производительность системы
Рис. 2. Задержка системного прерывания
background image
56
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
www. elcp.ru
ОС, которые не были спроектирова-
ны для работы в реальном времени с
самого начала, такие как Windows XP
Embedded и базовые версии Linux, не
удовлетворяют требованиям по задерж-
кам обработки прерывания.
среда разработки
Далее рассмотрим программные
среды разработки, которые понадобят-
ся для программирования конкретной
RTOS. Среда разработки обеспечивает
эффективную процедуру отладки про-
грамм в режиме «остановка–прогон»,
делая работу с RTOS более комфортной.
Даже если RTOS отвечает всем необ-
ходимым требованиям, среда разра-
ботки оказывает огромное влияние на
качество и скорость проектирования,
также как и на общий успех проекта.
Возможности, предоставляемые средой
разработки, могут быть как простыми,
такими как «подсветка» синтаксиса и
мастер завершения функций, так и более
мощными: например, средства генера-
ции кода и контроля совместимости на
уровне входного языка. Эффективные
средства генерации кода для стандарт-
ных функций могут сэкономить целые
рабочие дни как для новичков, так и для
опытных разработчиков. Другой фактор,
который необходимо рассмотреть, —
это наличие дополнительных опций для
сред разработки. Среды, основанные на
платформе Eclipse, такие как Wind River
Workbench и QNX Momentics, облада-
ют широким спектром дополнительных
возможностей, которые реализуют-
ся встроенными средствами третьих
поставщиков (third-party plug-ins).
отладка
Знать, что система может осущест-
влять высокоскоростное управление —
это одно; другое — обеспечить его реа-
лизацию. Слабые возможности отладки
в среде разработки программного
обеспечения реального времени могут
привести к тому, что создание успешной
системы управления потребует длитель-
ного поиска бесконечных и неулови-
мых ошибок. Стандартные опции, такие
как пошаговое выполнение, процедуры
printf() и syslog() необходимы, но опти-
мизация приложения реального вре-
мени трудна без развитых отладочных
средств: профилировщика приложе-
ний, анализатора использования памя-
ти, средства трассировки выполнения
команд.
Профилировщики приложений и
памяти позволяют тщательно проана-
лизировать использование процессора
и памяти каждой задачей, запущенной
в системе. Идентифицируя задачу, кото-
рая использует наибольшие ресур-
сы процессора и памяти, вы можете
быстро найти области, которые требуют
оптимизации. Имейте в виду, что уро-
вень технической поддержки, которую
предоставляет поставщик RTOS, на эта-
пах разработки и отладки может играть
огромную роль.
Средства трассировки выполнения
команд являются другим уровнем отлад-
ки, предлагая визуальное представле-
ние выполнения цепочки команд, пре-
рываний, приоритетных прерываний и
других событий. Используя эти средства,
можно находить трудно распределяе-
мые задачи и выявлять проблемы син-
хронизации в приложении, приводящие
к нестабильности контроля и управ-
ления. Примерами развитых средств
отладки могут служить EventAnalyzer
для Integrity OS компании Green Hills,
LabVIEW Execution Trace Toolkit компа-
нии National Instruments, Momentics
system profiler для Neutrino компании
QNX, ScopeTools для VxWorks и Linux
компании Wind River.
интеГрация алГоритмов
Название «высокоскоростной» озна-
чает не только процесс быстрого кон-
троля и управления, но подразумева-
ет также наличие расширенных схем
управления и контроля. Фактически
ядром системы контроля и управления
является алгоритм или логика, которые
обрабатывают входные сигналы для
генерации соответствующих выходных.
В зависимости от приложения алго-
ритм контроля и управления может
различаться — от простой дискретной
логики, которая управляет лампочкой
и реле, до сложных дифференциальных
уравнений, которые определяют про-
цесс движения. С увеличением сложно-
сти алгоритма все большую роль играет
возможность реализации сложных мате-
матических функций высокой степени
сложности, таких как быстрое преобра-
зование Фурье (БПФ) и пропорциональ-
ных интегрально-дифференциальных
(ПИД) уравнений.
Поскольку большинство интегриро-
ванных сред разработки RTOS не содер-
жат подобных библиотек, необходимо
рассмотреть следующие варианты. Вы
можете разрабатывать алгоритмы само-
стоятельно, однако это может занять
значительную часть времени работы
над проектом и потребует экспертной
оценки, не всегда быстро доступной.
Вы также можете найти эти алгоритмы
как часть открытой библиотеки (open
source), или приобрести их у продав-
цов интеллектуальной собственности
(IP). Альтернативным вариантом может
служить и генерация кода, если вы соз-
даете алгоритм контроля и управления,
используя средства моделирования,
которые обладают подобной возмож-
ностью, такие как Statemate компании
I-Logix или Dymola компании Dynasim.
Наконец, вы можете рассмотреть высо-
коуровневые средства разработки, кото-
рые включают в себя функции анализа
и могут управлять встроенными кон-
троллерами непосредственно, обходя
необходимость генерации кода.
встроенные аППаратные блоки
Обсуждение высокоскоростных сис-
тем контроля и управления будет непол-
ным без рассмотрения соответствующих
аппаратных блоков обработки данных.
Зачастую предлагаемые программ-
ные средства ограничиваются заранее
известной аппаратной платформой, или
аппаратная составляющая поддержи-
вается лишь определенным набором
программных средств. Для того чтобы
выделить некоторые важные показате-
ли, необходимо рассмотреть произво-
дительность процессора, стоимость и
сопутствующие технические характерис-
тики. Например, система программно-
аппаратного моделирования, работаю-
щая со сложными блоками управления,
требует наличия высокопроизводитель-
ных процессоров и обычно работает
лучше, если они многоядерные. Однако
не все RTOS одинаково хорошо поддер-
живаются многоядерными процессора-
ми, поэтому степень такой поддержки
является важным обстоятельством при
выборе RTOS.
Промышленные системы контроля и
управления или цеховые станции управ-
ления могут потребовать процессоров,
выдерживающих экстремальные темпе-
ратуры — от –40 до 70°C, а в некоторых
случаях и больше. Системы управле-
ния, работающие от батарей, естествен-
но, нуждаются в процессорах с малым
потреблением. Пиковая производитель-
ность процессоров, предназначенных
для работы в жестких условиях и с
жесткими ограничениями по мощности,
естественно, ниже, чем у процессоров
общего назначения. Это означает, что
RTOS должна работать с процессорами
меньшей вычислительной мощности,
что повышает требования к ее произво-
дительности.
Взаимодействие системы управления
с внешним устройством (plant) осущест-
вляется через аппаратно реализован-
ные блоки ввода/вывода, которые имеют
дело с физическими сигналами управля-
емой системы. В процессе ввода/выво-
да могут использоваться различные
комбинации аналоговых напряжений
и токов, цифровых сигналов, сигналов
с широтно-импульсной модуляцией,
радиочастотные сигналы и т.д. Ищите
RTOS, всесторонне поддерживающую
требуемые типы ввода/вывода. Если
вы выбираете отдельные блоки ввода/
вывода, такие как АЦП или ЦАП или мно-
гофункциональные PCI-платы сбора дан-
ных с большим набором каналов ввода/
background image
В
с
тр
аи
В
аемые
сис
темы
57
электронные компоненты №5 2008
вывода, обращайте внимание на сред-
ства разработки ПО. Настраивайтесь на
использование языков низкого уровня
при использовании отдельных компо-
нентов, в отличие от работы с гото-
выми аппаратными блоками для стан-
дартных шин, таких как PCI, PCI Express,
CompactPCI, PXI, PXI Express и VME.
Для готовых устройств обычно име-
ются высокоуровневые драйверы, но
функциональные возможности средств
различных поставщиков могут значи-
тельно варьироваться. Некоторые пред-
лагают комплект поддержки плат (BSP)
только с интерфейсами записи и считы-
вания, тогда как другие — полноценный
интерфейс программирования прило-
жений (API), включающий в себя расши-
ренные возможности, такие как прямой
доступ к памяти (DMA). Платы ввода/
вывода также различаются по важным
техническим требованиям к системам
управления, таким как точность, авто-
номность и зависимость от качества
сигналов.
Когда система управления и контроля
соединяется с устройством через блоки
ввода/вывода, она взаимодействует с
оператором через коммуникационные
протоколы и графический пользователь-
ский интерфейс. Из-за повсеместного
использования Ethernet TCP-соединение
является одним из наиболее важных
протоколов. RTOS, используемая для ПО
контроля и управления, должна обла-
дать надежным TCP-стеком для реализа-
ции внешнего интерфейса.
Помимо таких базовых встраиваемых
интерфейсов, таких как USB, Bluetooth,
I
2
C и SPI, полезных для систем управ-
ления и контроля, существуют также
специализированные промышленные
интерфейсы, которые могут понадо-
биться в подобной системе. Например,
в аэрокосмической области использу-
ются такие протоколы, как ARINC 429 и
AFDX; в автомобильной промышленно-
сти — CAN, LIN и FlexRay; в области авто-
матизации производства — DeviceNet,
PROFIBUS и Modbus. Здесь также следует
знать возможные варианты BSP, API для
вашей RTOS и оценить объемы работ,
которые придется выполнить для интег-
рации специфических протоколов в
ваше приложение.
нет необходимости заново
изобретать колесо
В данной статье рассматривается
создание системы управления с помо-
щью выбора RTOS и средств разработки,
начиная «с нуля», но существует и аль-
тернативный подход. Годами инженеры
по автоматизации производства созда-
вали подобные системы, используя гото-
вые программируемые логические кон-
троллеры (PLC) и модульные устройства
ввода/вывода. Исторически сложилось
так, что применение PLC ограничива-
лось областью низкопроизводительных
прикладных систем — в основном с
дискретной логикой и простыми алго-
ритмами контроля и управления.
Однако в последние годы новое
поколение встраиваемых систем, назы-
ваемых «программируемые автома-
тизированные контроллеры» (PAC),
объединило в себе возможности встро-
енного программирования с хорошей
надежностью PLC. С точки зрения про-
граммного обеспечения PAC напоми-
нает платформы реального времени со
встроенной средой высокоуровневого
программирования, которая позволяет
использовать программирование низ-
кого уровня для более развитых при-
ложений. Программируемые автомати-
зированные контролеры стоят дороже,
чем простые встраиваемые блоки, но
стоимость разработки приложений с их
применением обычно ниже и, следова-
тельно, короче время выхода на рынок.
Для больших объемов выпуска разра-
ботка специализированного варианта
реализации встраиваемого приложения
обычно наиболее эффективна. Однако
при изготовлении небольших партий
оборудования использование PAC, воз-
можно, будет лучшим решением.
background image
Оцените материал:

Автор: Герардо Гарсия (Gerardo Garcia), Embedded.com



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты