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基于RTLinux的實時控制系統(tǒng)
摘要：從技術背景、系統(tǒng)結構、硬件和軟件設計等方面論述了基于RTLinux的閘門實時控制系統(tǒng)的組成、原理以及實現(xiàn)方法，并著重分析了軟件實現(xiàn)的關鍵問題。關鍵詞：RTLinux 實時控制 TCP/IP MYSQL數據庫
在水電站閘門控制系統(tǒng)中，設備地理位置分散、控制分散，基于常規(guī)繼電器的控制系統(tǒng)不能滿足電廠無人值班控制系統(tǒng)和全廠綜合自動化的要求，必須將智能控制和工業(yè)網絡相結合，實現(xiàn)實時控制的同時又能對設備進行智能管理和維護。目前比較常用的控制系統(tǒng)大多由PLC構成，成本較高，缺乏客戶定制的靈活性。本文從系統(tǒng)功能實現(xiàn)和經濟指標兩個方面考慮，半基于RTLinux的控制平臺、工業(yè)以太網和數據庫技術引入閘門控制系統(tǒng)。
1 RTLlinux、工業(yè)以太網和數據庫
RTLinux是由新墨西大學的Victor Yodaiken等人開發(fā)的，現(xiàn)在已有商業(yè)化的版本推出。在RTLinux面世之前，Linux在實時性方面作過一些嘗試。(范文先生網www.gymyzhishaji.com收集整理)在POSIX1.b中，規(guī)定了實時進程的一些標準，但由于Linux內核的不可搶先性，真正的實時進程無法在標準的Linux環(huán)境下實現(xiàn)。RTLinux采用簡單而有效的方法解決了此問題而不用重寫Linux內核代碼。RTLinux實現(xiàn)了一個高效的可搶先的實時調度核心，全面接管中斷，并把Linux作為此實時核心的一個優(yōu)先級最低的進程運行。當有實時任務需要處理時，RTLinux運行實時任務；無實時任務時，RTLinux運行Linux的非實時進程。圖1是RTLinux的結構圖。
為保證實時進程與非實時Linux進程部順序進行數據交換，RTLinux引入了RT-FIFO隊列。RT-FIFO被Linux視為字符設備，最多可達150個，分別命名為/der/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。最大的RT-FIFO數量在系統(tǒng)內核編譯時設定。圖2說明了RT-FIFO的工作原理。
RTLinux程序運行于兩個空間：用戶空間內核態(tài)。RTLinux提供了應用程序接口，借助這些API函數將實時處理部分編寫成內核模塊，并裝載到RTLinux內核中，運行于RTLinux的內核態(tài)。非實時部分的應用程序則在Linux下的用戶空間中執(zhí)行，這樣可以發(fā)揮Linux對網絡和數據庫的強大支持功能。
TCP/IP協(xié)議和以太網在Internet上的成功應用吸引著越來越多控制程師。盡管以太網的時間不確定性給以太網應用于工業(yè)控制現(xiàn)場的實時性帶來了很多爭論，但是實際應用中，經網絡傳輸的數據絕大多數用于系統(tǒng)管理和維護等方面，用于實時控制的數據傳輸很少，這也是基于管理集中、控制分散的系統(tǒng)設計策略考慮的。在較高的以太網傳輸速度下，現(xiàn)場智能處理單元的處理速度才是傳輸延遲的主要原因。本系統(tǒng)現(xiàn)場控制單元采用高速處理器，并采用RTLinux作為現(xiàn)場控制單元的控制平臺，直接用以太網傳輸數據，系統(tǒng)的網絡層次減少，信號的傳輸實時性也得到提高。
目前，有許多數據庫開發(fā)商提供了Linux平臺上的數據庫軟件，例如Oracle、Sybase、Informix和MYSQL等都推出了Linux版本�；赗TLinux的控制系統(tǒng)在實時控制領域有巨大的潛力。
2 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)分為現(xiàn)場和集中級�，F(xiàn)場控制級由分散在現(xiàn)場的4個現(xiàn)場控制單元控制，分別完成閘門位置、油缸油壓和油路狀態(tài)等的采集，現(xiàn)場操作按鈕的監(jiān)視以及閘門提升和下降的控制等。集中級由集中監(jiān)控站、維護站組成，分別執(zhí)行監(jiān)視、智能維護及診斷等功能。打印機用于數據的硬備份、報表的輸出。系統(tǒng)結構如圖3所示。
2.1 系統(tǒng)硬件構成
在工業(yè)控制系統(tǒng)中通常采用PLC作為現(xiàn)場的控制核心。PLC的不足一方面在于其較高的價格，另一方面在于其難以實現(xiàn)非順序控制算法，以及缺乏對TCP/IP靈活的支持。本系統(tǒng)采用嵌入式PC作為控制單元的核心，開發(fā)人員可自行開發(fā)外圍接口板，根據系統(tǒng)需要靈活組態(tài)，既經濟又能使用高級語言開發(fā)控制程序。
現(xiàn)場控制閘門的LCU采用相同的硬件配置。CPU板采用研華公司的PCM-5864，CPU的Intel公司的Pentium MMX 166MHz，內存為64MB，以太網接口為10MHz的RTL-8139A。CPU板通過PC104總線與采樣模塊和輸出模塊相連。此外該板上配有顯示、鍵盤和鼠標等標準接口，便于在線修改和檢查程序。硬盤選用容量為4.3GB的筆記本硬盤。16通道的A/D采樣模塊PCM-3718H完成模擬量的采集，分辨率為12位；16通道的數字I/O模塊PCM-3730用于開關量的采集、控制閘門的啟動和停止。為便于現(xiàn)場巡檢，LCU配有顯示中文信息的LCD模塊MGLS-240128，內置T6963C控制器。系統(tǒng)采用了16端口的HUB。
為保證集中站可靠地工作，集中監(jiān)控站、集中維
護站采用工業(yè)PC，配有Intel公司的P處理器，256MB內存和40GB的大硬盤，TCP/IP通信由3COM公司的10/100MbpsPCI網卡3C905C來完成。
2.2 系統(tǒng)軟件構成
系統(tǒng)的軟件也分為兩部分。集中監(jiān)控站采用Windows2000操作系統(tǒng)，并安裝有MYSQL-3.23.49 for Windows服務器軟件和監(jiān)控軟件；維護也采用Windows2000操作系統(tǒng)。此外裝有MYSQL的客戶端軟件包和維護及診斷軟件。監(jiān)控軟件和維護及診斷軟件均用Visual C++開發(fā)。
LCU的軟件包括實時Linux操作系統(tǒng)、數據庫客戶端軟件和控制程序。在LCU中，操作系統(tǒng)Redhat6.2經升級和安裝RTLinux后被改造成實時Linux。升級后的核為Linux-2.2.18,RTLinux的版本號為RTLinux2.2 for Linux-2.2.18。數據庫的客戶端程序包為MYSQL-3.23.49RPM。控制程序包括實時控制程序和非實時程序兩部分。
3 系統(tǒng)設計的關鍵問題
現(xiàn)場單元中與實現(xiàn)控制部分和非實時控制部分程序相對應的文件為gatectl_module.c和gatectl_app.c。二者由gcc編譯后生成目標文件gatectl_module.o和gatectl_app.o。前者為內核模塊，嵌入到RTLinux核中，用于實時采集和實時控制輸出，運行于內核態(tài)。后者為Linux應用環(huán)境，運行于用戶空間，完成數據的預處理、訪問數據庫和人機接口等工作。
3.1 內核模塊
內核模塊程序按多線程模式編寫，RTLinux提供了與多線程編程相應的API函數。
RTLinux2.2內核中，完成實時任務的模塊主要包括以下兩個功能函數：
Int init_module()；
Void cleanup_module()。
前者在模塊第一次裝入核中時被調用，完成實時任務的參數（優(yōu)先級別、中斷周期等）的設置，進行任務的啟動和終止等操作。后者在模塊卸載時被調用，一般在調試或系統(tǒng)退出時使用。模塊中可啟動多個任務，本系統(tǒng)在實時部分只設計一個實時任務即Task1。
啟動實時任務前必須進行初始化。init_module()中的初始化工作包括以下三部分：
·為保證內核態(tài)的實時進程與用戶空間的非實時進程間交換信息。須創(chuàng)建3個RTL-FIFO，具體為：rtf1用于實時進程與非實時進程間的數據交換，數據包括采集到的模擬量和數字量；rtf3用于非實時進程向實時進程傳遞控制命令字，以啟動和終止實時任務；rtf2用于保存經ttf3傳遞的實時任務的控制命令字。創(chuàng)建工作由RTLinux提供的API函數rtf_create(n,buf)來完成。
·創(chuàng)建實時任務Task1對應的線程，并設定其調度優(yōu)先級，由API函數pthread_create來完成。
·當非實時進程通過rtf3進行控制命令傳遞時，實時進程應及時響應。因此必須在實時程序中建立跟蹤rtf3變化的子程序，調用rtf_create_handler(3，&data_handler)來完成此功能。
內核態(tài)的主體程序有兩種實現(xiàn)方式：中斷處理和周期實時線程方式。本系統(tǒng)采用周期性實時線，即周期性地執(zhí)行數據采集、輸出控制結果以及與處于用戶空間中的非實時進程交換數據。具體過程見圖4。
在編寫實時程序時，應特別注意的是：實時任務運行在內核水平，是為了提供對計算機硬件的直接訪問能力，為避免不確定的延遲，RTLinux給代碼和數據分配固定的內存空間。實時任務不能使用Linux的系統(tǒng)調用及Linux中的程序與數據結構，否則難以保證數據的一致性。此外應控制實時程序的執(zhí)行時間，編寫程序時應注意包含與API函數對應的頭文件。
內核程序中與RT-FIFO相關的函數有：
rtf_create()：創(chuàng)建RT-FIFO。
rtf_get():從RT-FIFO讀數據。
rtf_put():向RT-FIFO寫數據。
rtf_create_handler()：建立響應RT-FIFO變化的子程序。
內核程序中與實時任務線程相關的函數有：
pthread_create():創(chuàng)建實時任務對應的線程。
pthread_wait_np():將當前線程掛起，直至下一個周期線程。
pthread_makeperiodic_np()：設置線程的屬性并啟動線程。
pthread_suspend_np()：將本線程無限期掛起，即終止任務。
在調試階段，需要將有bug的模塊卸載。該項工作由cleanup_module（）來完成。在卸載模塊時將rtf1、rf2和rtf3撤銷，并撤銷實時任務Task1。
3.2 應用程序
Linux下應用程序gatect1_app工作流程見圖4，其程序用Linux下的C語言開發(fā)。集中監(jiān)控站和維護站的程序在Windows下用Visual C++開發(fā)。其中有幾點要說明：
·RT-FIFO被Linux視為字符設備，因此可以通過調用open("/dev/rtf1",O_RDONLY)來獲得rtf1的指針，rtf2的rtf3類似。獲得指針后通過read和write函數實現(xiàn)對RT_FIFO的讀寫操作。
·程序中調用select函數檢查RT_FIFO是否忙，以避免讀RT_FIFO時出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。
·LCD顯示模塊MGLS-240128內置智能控制器，只需將待顯示的數據送控制器的顯示緩沖區(qū)就能實現(xiàn)顯示功能，數據顯示不會占用系統(tǒng)過多的時間。
·系統(tǒng)數據傳輸和維護通過網絡數據庫來實現(xiàn)。數據庫采用客戶端/服務器模塊，將LCU、集中維護站設置為客戶端，將集中監(jiān)控站設置為服務器。本系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議的MYSQL數據庫為實現(xiàn)數據管理。MYSQL是一個多用戶、多線程的SQL數據庫服務器，由客戶端/服務器結構來實現(xiàn)。它由一個服務器守護程序mysqld和不同的客戶程序及庫組成，使用TCP/IP把多個客戶（LCU等）連接到一個服務器（集中監(jiān)控站）上。在運行前應將主機名、IP地址等設備就緒，在LCU的應用程序gatectl_app中應包含MYSQL.h頭文件，其中有MYSQL的API函數的具體實現(xiàn)。在用戶空間，C語言程序通過這些API函數訪問遠程的數據庫服務器。
·數據的預處理：為防止被干擾的數據上傳到服務器，應用程序對數據進行濾波，再對數據進行分類。經過預處理后的數據才可以送數據緩沖區(qū)，通過API函數向數據庫服務器上傳。
4 應用效果
目前該系統(tǒng)正在試驗室運行。從連續(xù)運轉的情況看，控制實時性和可靠性均達到了設計要求，網絡和數據庫均運行正常，可見本設計思路是可行的。下一步將設放到工業(yè)現(xiàn)場進一步驗證。RTLinux實現(xiàn)實時控制功能并與Linux有機結合，這一設計思路既滿足了實時控制系統(tǒng)對響應的快速性、時間的精確性和控制的可預測性的要求，又充分發(fā)揮了Linux對網絡和數據庫的支持功能。將RTLinux引入控制領域，拓寬了Linux的應用范圍，必須加速工業(yè)控制的信息化。
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