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仿真转台的实时控制软件介绍

时间:2014-04-29 09:09来源:未知 作者:李明 点击:
本文是以某型三轴仿真转台为研究背景,介绍了三种转台控制软件平台的发展现状。
 仿真转台的实时控制软件介绍
文/李明
本文是以某型三轴仿真转台为研究背景,介绍了三种转台控制软件平台的发展现状。
【关键词】电动仿真转台 软件平台
1 背景
仿真测试转台作为最重要的仿真测试设备,可以真实地模拟导弹或飞行器的动力学特性,在实验室条件下复现其在空中的各种飞行姿态,对导弹或飞行器的传感器件、制导系统和控制系统及各执行机构的性能加以测试,为导弹或飞行器的改进和再设计提供各种参考依据。仿真测试转台的性能的优劣直接关系着仿真和测试实验的可靠性和置信度,仿真测试转台的研究和制造,在航空航天工业和国防建设的发展中具有重要意义。
转台控制系统的软件作为控制算法的具体实现,直接影响着转台系统的动静态性能。其设计除要求操作方便、运行可靠外,还要求具有较高的实时性,这是保证系统优良跟踪性能的重要因素。
三轴仿真转台控制系统的所有功能以及操作 ( 如控制单元的管理、故障检测和人机界面等工作 ),都由控制软件来完成,转台系统软件不仅要能够实现数字算法,而且应具有完善的逻辑操作功能和对系统的保护作用,能够实现数据的显示、传输、存储和分析。再者,仿真转台系统的可靠性很大程度上取决于控制软件的稳定性,所以根据系统功能和需求对软件进行模块化设计是很有必要的,可以最大程度上简化软件设计步骤,方便程序调试,尽量减少漏洞的出现。
2 转台软件系统分析与发展趋势
在我国仿真测试转台经历了 30 多年的发展。从最初的 Dos 到 Windows,再到基于RTX 的控制软件的问世,转台控制软件的功能逐渐强大,操作日趋便捷,实时性和可靠性也越来越高。
以 下 主 要 对 基 于 DOS、Windows 和VxWorks 三种操作系统的转台软件的特性进行分析、比较。(1)DOS 是典型的单任务操作系统。在DOS 中运行的应用程序,顺序执行自己的代码,直到运行完毕后才放弃对 CPU 的占用,在此期间其它应用程序都不能被运行。而转台控制系统软件是一个多任务并发程序,并且对各任务的优先级和伺服任务实时性有严格要求。所以在 DOS 操作系统下,转台控制程序需要维护一个简单的多任务环境,作为转台软件的基本环境。
由于 DOS 是单任务操作系统,而且 DOS对图像化界面的支持极为有限,所以采用DOS 作为转台系统的软件平台,有很大的局限性。
另外,DOS 运行于 CPU 模式下,只能管理 640K 内存,对系统性能造成了严重限制。因此,基于 DOS 开发转台系统,很难跟上技术发展的潮流。
(2)Windows 无疑已经成为 PC 平台上最为通用的操作系统。由于 Windows 的人机界面友好,软件资源丰富,基于 Windows 开发转台系统成为替代 Dos 操作系统的必然趋势。但是 Windows 是非实时操作系统,无法满足转台系统的高实时要求。虽然 Windows 操作系统无法满足伺服任务的高实时性要求,但转台操作人员和设计人员仍然钟爱 Windows 友好的人机界面。为了解决这个矛盾,转台系统发展成为采用主从体系的结构。
这种结构中,转台系统实际上分为两个部分,非实时部分和实时部分。“下位机”由DSP 或单片机控制板构成,完成高实时行要求的任务,而 PC 机作为“上位机”,完成图形显示、网络通信、人机交互等对实时性要求不高的任务。上下位机间利用一定的接口进行通讯,从而协同工作。这种方案很好的克服了Windows 实时性不高的瓶颈。但这种方案增加了硬件成本,而且系统结构变得复杂。为了对Windows 的实时性进行扩展,许多第三方软件应运而生。这种实时扩展产品比较著名的有美国VenturCom公司的RTX。
RTX(Realtime Extension For Windows)是内置于 Windows 的实时操作系统,可以认为是 Windows 的一个实时子系统,它不影响Windows 原有功能,但增强了其实时性能。实际上,VenturCom 公司获得了 Windows 的源代码,对其硬件抽象层 HAL 进行了实时扩展。该实时硬件抽象扩展层隔离了 RTX 和Windows 之间的中断。在单 CPU 的情况下,所有 RTX 线程的优先级高于所有 Windows线程优先级。可见,实时扩展的本质就是将Windows 当作一个受实时内核调度管理的任务,其优先级最低。
通过上面的分析,采用基于 Windows 的实时扩展系统作为平台开发转台系统软件,既继承了 Windows 操作系统的优点,又在一定程度上保证了转台系统所要求的实时性能要求。但这种实现受到 Windows 内核非实时的限制,仍然是软实时系统。
(3)VxWorks 是 由 WindRiver 公 司 开发的一种实时嵌入式操作系统(ERTOS)。VxWorks 为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信。在各种 CPU 平台上提供了统一的编程接口和一致的运行特性,尽可能地屏蔽了不同 CPU 之间的底层差异。不仅如此,VxWorks 相比同类实时系统,一直以极高的实时性和可靠性著称。首先,其系统本身的开销很小,其内核和基本功能只有几十 KB,精简的内核和高效率的内核设计保证了VxWorks的实时性。其次,任务调度和任务间通信的灵活高效也保证了其实时性。再次,VxWorks 中通过特殊的上下文切换设计,利用公共数据结构、信号量、消息队列等,使上下文切换中的工作量减到最低。这些特点使得 VxWorks 可以实现微秒级的任务切换。VxWorks 曾被广泛的应用于航空、航天、军事等领域。所以开发基于 VxWorks 的转台系统成为转台系统开发新的研究热点。
3 结束语
VxWorks 作为一款优秀的商用嵌入式实时多任务操作系统,凭借其卓越的性能被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等实时性要求极高,而普通操作系统难以胜任的领域中。1997 年 4 月在火星登陆的火星探测器上,也以 VxWorks 作为嵌入操作系统,它负责火星探测器的全部飞行控制,包括飞行纠正、载体自旋和降落时的高度控制等,而且还负责数据收集和与地球的通信工作。
VxWorks 在我国的军事、通信、工业控制等领域也逐渐得到应用。特别是在航天、航空半实物仿真,弹载、机载计算机,军用雷达等高可靠性场合的应用取得了一定的研究成果。但由于 VxWorks 软件正版授权费用过于昂贵,使其在民用场合的应用受到了一定的限制。当前,VxWorks 在民用产品方面主要用于通讯、电力等对实时性和可靠性有较高要求的领域。
参考文献 
[1]陈家新,彭丁嵩.DOS环境下实时多任务调度策略的实现[J].计算机应用 ,2000.5:45-47.
[2] 张正勇 , 熊清平 , 李作清 .Windows 系列平台下的实时控制研究[J].机电工程 ,1999:36-37.
[3]李宏科.一种基于RTX的实时系统的实现[J]. 装备制造技术 ,2006:(55).[4]宋家科.基于VxWorks的弹载计算机软件
的设计研究[D]哈尔滨:哈尔滨工程大学硕士 ,2008 .
作者单位
哈尔滨工业大学控制与仿真中心 黑龙江省哈尔滨市 150080
(责任编辑:我是管理员)
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