多任务嵌入式实时控制系统软件的研究

摘要

随着数字信息技术和网络技术的高速发展，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计和军事技术等各类产业中。传统的嵌入式系统大多为了实现某个控制功能，使用简单的控制对外界的请求进行处理。随着系统复杂性的增加及使用范围的扩大，越来越多的嵌入式系统要求实现大量相关的非实时任务、软实时任务和硬实时任务的处理，然而传统的单线程嵌入式系统或多任务分时嵌入式系统难以满足实时多任务这种应用需求。为了适应发展需求，将嵌入式系统与多任务实时系统进行联合应用研究，可以进一步拓宽嵌入式系统的应用领域。
　　本文以此为背景，采用基于模型的设计思想，设计开发出无缝连接Matlab/Simulink的多任务嵌入式实时控制系统软件。该系统软件不仅具备嵌入式、多任务、实时性、二次开发简单快捷等特点，而且具有良好的安全性、稳定性、可维护性和可扩展性。该统软件的研究、设计及其实现将会为嵌入式系统的进一步发展和应用提供新的解决方案。本文的主要工作包括以下几个方面:
　　1.分析国内外实时控制器和实时操作系统的研究和发展现状，总结现有控制器和实时系统的优缺点，并在此基础上设计多任务嵌入式实时控制系统软件。多任务嵌入式实时控制系统软件的设计分别为系统软件总体架构设计以及各个功能模块的具体设计。各功能模块的设计是实时内核的设计、实时设备驱动的设计和实时监控程序的设计。
　　2.多任务嵌入式实时控制系统软件的实现，包括实时内核的实现、实时设备驱动的实现和实时监控程序的实现。在实时内核实现环节中，对Linux内核实时性和其改进方案进行分析研究后，选定基于双内核思想的RTAI-Linux作为最终的实时内核方案;在实时设备驱动实现环节中，分析了LXRT机制后，在此基础上设计完成了实时设备驱动的实现策略;在实时监控程序的实现环节中，分析了实时进程间通信RPC和MBX机制后，利用此机制分别完成对实时监控程序中控制功能模块、参数显示与修改功能模块、实时数据曲线显示功能模块的设计和开发。
　　3.多任务嵌入式实时控制系统软件的测试及在双容水箱设备上的应用验证。首先对实时内核、实时设备驱动和实时监控程序分别开发测试用例，对各个单元功能的有效性和实时性进行测试与分析;其次在双容水箱装置中进行应用验证，完成对整个系统软件的功能和性能的测试。实验结果表明，本文开发的多任务嵌入式实时控制系统软件不仅各单元功能有效可行，而且在系统多任务下也能满足对控制程序响应的快速性、时间的精确性和控制的可预测性的要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 实时控制系统的发展现状

1．2．1 实时控制器的发展现状

1．2．2 实时操作系统的发展现状

1．3 本文主要研究工作

第2章 多任务嵌入式实时控制系统软件的设计

2．1 引言

2．2 实时控制系统软件的总体架构设计

2．2．1 快速原型实时控制系统总体架构设计

2．2．2 实时控制系统软件的总体设计

2．3 实时内核的设计

2．3．1 标准Linux内核实时性能分析

2．3．2 增强标准Linux实时性能的关键技术分析

2．3．3 基于Linux的实时内核的设计

2．4 实时设备驱动的设计

2．4．1 标准Linux设备驱动分析

2．4．2 基于LXRT机制的实时设备驱动的设计

2．5 实时监控程序的设计

2．5．1 实时监控程序的功能需求分析

2．5．2 实时监控程序开发语言的选择

2．5．3 实时监控程序的设计

2．6 本章小结

第3章 多任务嵌入式实时控制系统软件的实现

3．1 引言

3．2 基于RTAI的Linux实时内核的实现

3．2．1 实时内核的实现原理分析

3．2．2 实时内核的具体实现

3．3 基于LXRT机制的实时设备驱动的实现

3．3．1 LXRT机制的研究

3．3．2 基于LXRT机制的实时设备驱动的实现

3．4 基于RPC和MBX机制的实时监控程序的实现

3．4．1 RPC机制的研究

3．4．2 MBX机制的研究

3．4．3 人机界面的开发实现

3．4．4 控制功能模块的开发实现

3．4．5 参数显示与在线修改功能模块的开发实现

3．4．6 实时数据曲线显示功能模块的开发实现

3．5 本章小结

第4章 系统软件的测试及在双容水箱装置中的应用验证

4．1 引言

4．2 实时控制系统软件的测试

4．2．1 实时内核的测试

4．2．2 实时设备驱动的测试

4．3 实时控制系统软件在双容水箱装置中的应用验证

4．3．1 双容水箱系统中PC104实时设备驱动的开发

4．3．2 单容水箱PID液位平衡控制算法分析

4．3．3 单容水箱PID液位平衡控制实验测试

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 研究工作展望

参考文献

致谢

硕士期间主要工作