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數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊的實(shí)時(shí)性分析與設(shè)計(jì)

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作者:武漢理工大學(xué) 方安平 周揚(yáng) 時(shí)間:2007-11-24 來源:單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 收藏
    在分析實(shí)時(shí)模塊需求的基礎(chǔ)上,提出一個(gè)通用實(shí)時(shí)模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并闡述該模塊的軟件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用MODBUS_RTU通信協(xié)議,采集各個(gè)模塊的實(shí)時(shí),并在LCD上以圖形方式顯示系統(tǒng)運(yùn)行的情況。 

  實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測是保證大中型旋轉(zhuǎn)機(jī)械安全運(yùn)行的重要手段。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的日益提高,對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測的、可靠性也提出了更高的要求。 

  筆者在S3C44B0上基于μC/OS-II進(jìn)行通用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊的設(shè)計(jì),并將其應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了很好的。該監(jiān)測模塊具有對32個(gè)模擬量測點(diǎn)進(jìn)行采集、顯示、通信與管理的功能。 

      1 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需求 

  該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊是基于μC/OS-II進(jìn)行設(shè)計(jì)的,而保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的重要策略是系統(tǒng)的中斷處理機(jī)制。下面首先對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中斷處理機(jī)制進(jìn)行分析。 

       1.1 中斷處理機(jī)制分析 

  實(shí)時(shí)系統(tǒng)最根本的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性,而中斷處理程序是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的重要組成部分,是RTOS實(shí)時(shí)性的重要體現(xiàn)。系統(tǒng)通過中斷機(jī)制了解外部世界,并對外部事件立刻作出響應(yīng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的反應(yīng)速度取決于系統(tǒng)對于中斷的響應(yīng)速度和中斷處理程序的處理速度。為了獲取對外部事件的最短反應(yīng)時(shí)間,μC/OS-II系統(tǒng)中斷響應(yīng)過程如圖1所示。

        第①階段是中斷延遲時(shí)間,從出現(xiàn)中斷請求到當(dāng)前任務(wù)開中斷這一過程。實(shí)時(shí)系統(tǒng)在進(jìn)入臨界區(qū)代碼段之前都要關(guān)中斷,執(zhí)行完臨界代碼之后再開中斷。關(guān)中斷的時(shí)間越長,中斷延遲就越長。

        第②階段是內(nèi)核保存當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài),將CPU寄存器壓棧,以便為中斷服務(wù)。

        第③階段調(diào)用OSIntEnter()函數(shù)或把中斷嵌套層數(shù)計(jì)數(shù)器直接加1,用OSIntExit()函數(shù),將中斷嵌套層數(shù)計(jì)數(shù)器減1,當(dāng)嵌套計(jì)數(shù)器減到零時(shí),μC/OS-II要判定有沒有優(yōu)先級(jí)較高的任務(wù)被中斷服務(wù)子程序喚醒。如果有優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài),μC/OS-II就返回到那個(gè)優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)B。如果中斷嵌套層數(shù)計(jì)數(shù)器大于0,μC/OS-II將被返回到被中斷了的任務(wù)A。OSIntExit()函數(shù)的作用是進(jìn)行中斷級(jí)的任務(wù)調(diào)度。

       第④階段恢復(fù)已壓棧的寄存器值;最后執(zhí)行中斷返回指令,結(jié)束中斷。 



圖1 系統(tǒng)中斷處理機(jī)制分析 

       根據(jù)上述中斷處理機(jī)制,中斷響應(yīng)時(shí)間是影響中斷實(shí)時(shí)性的最重要指標(biāo),而中斷延遲是其主要因素,延遲時(shí)間主要由系統(tǒng)時(shí)鐘和關(guān)中斷的時(shí)間決定。由于系統(tǒng)存在對任務(wù)和多中斷的調(diào)度,所以中斷延遲是個(gè)變量,一般為4~28個(gè)處理器周期。 

       1.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊實(shí)時(shí)性需求分析 

  該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊最多同時(shí)對32個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。下面就以32個(gè)測點(diǎn)數(shù)目對該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析,并從系統(tǒng)測量時(shí)間、功能要求兩個(gè)方面說明系統(tǒng)保證實(shí)時(shí)性的時(shí)間條件。 

       1.2.1 功能要求 

 ?、?nbsp;32同步采樣,即系統(tǒng)能夠進(jìn)行多通道采樣,并且系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換芯片對采樣信號(hào)可以進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)采集波形的要求,通道采集頻率高達(dá)240 Hz。

 ?、?nbsp;A/D轉(zhuǎn)換位數(shù),不小于16位。

 ?、?nbsp;要求系統(tǒng)必須與計(jì)算機(jī)接口進(jìn)行通信,并且接口具有足夠的傳輸速率來滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

 ?、?nbsp;要求該系統(tǒng)具有即插即用功能,在即插即用的同時(shí),系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)更新測點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及狀態(tài)參數(shù)。

  ⑤ 該系統(tǒng)必須具有報(bào)警延時(shí)和報(bào)警保持功能。各個(gè)通道的報(bào)警延時(shí)用戶可以根據(jù)自己的需要設(shè)定,并且報(bào)警狀態(tài)可以被保持。 

       1.2.2 測量時(shí)間 

  因?yàn)槊總€(gè)測點(diǎn)就是需要采集的一個(gè)數(shù)據(jù)源,因此系統(tǒng)需要同時(shí)對32個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。每個(gè)測點(diǎn)可以分為多個(gè)通道(假設(shè)都為2個(gè)通道),系統(tǒng)需要同時(shí)采集的數(shù)據(jù)有64個(gè)。這樣可以計(jì)算出系統(tǒng)測量周期t為: 

  t=64


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