基于時(shí)間觸發(fā)模式的電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

電子控制系統(tǒng)一般都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，常需處理許多并發(fā)事件的輸入數(shù)據(jù)流。這些事件的到來次序和幾率通常是不可預(yù)測的，而且還要求系統(tǒng)必須在事先設(shè)定好的時(shí)限內(nèi)做出相應(yīng)的響應(yīng)[1]。對于如何控制系統(tǒng)的復(fù)雜行為，普遍采用的是事件觸發(fā)方案，即系統(tǒng)的所有行為響應(yīng)系統(tǒng)外部事件而執(zhí)行。然而，中斷丟失與事件觸發(fā)系統(tǒng)的開銷是人們經(jīng)常忽略的一個(gè)問題，文獻(xiàn)[2]討論了一個(gè)這樣的例子：一個(gè)包含27個(gè)任務(wù)、采用RM調(diào)度算法的事件觸發(fā)系統(tǒng)，CPU的實(shí)際利用率僅為18％。同時(shí)，電子控制系統(tǒng)也可以看作是一個(gè)能實(shí)時(shí)采集一組定義好的輸入值，同時(shí)在預(yù)先確定的時(shí)間間隔給出一個(gè)正確輸出的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。為了滿足安全、低成本及程序盡可能簡單等苛刻要求，電子控制系統(tǒng)的開發(fā)最終走向時(shí)間觸發(fā)結(jié)構(gòu)[1]。時(shí)間觸發(fā)意味著所有的與輸入采樣、計(jì)算及輸出結(jié)果等相關(guān)的動(dòng)作在預(yù)先給定的時(shí)間前執(zhí)行，因而能保證準(zhǔn)確的調(diào)度時(shí)間。

1 時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度器

調(diào)度器是一種用于電子控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，也可看作是一個(gè)簡單的操作系統(tǒng)。在電子控制系統(tǒng)中使用調(diào)度器可以縮短開發(fā)時(shí)間，提高軟件的模塊化程度。調(diào)度器具有合作式與搶占式兩種形式。如果一個(gè)被"喚醒"的高優(yōu)先級任務(wù)可以打斷其他正在運(yùn)行的低優(yōu)先級任務(wù)，則調(diào)度器是搶占式的；反之，則是合作式的。由于其應(yīng)用背景的特殊性，電子控制系統(tǒng)運(yùn)行的任務(wù)絕大多數(shù)是周期性任務(wù)(如周期性的數(shù)據(jù)采集任務(wù)、LED顯示刷新任務(wù)等)，并且任務(wù)的就緒時(shí)間、開始時(shí)間、執(zhí)行時(shí)間和截止期限等信息均可預(yù)先知道。因此，可以采用基于時(shí)間觸發(fā)形式的合作式調(diào)度器，即任務(wù)在特定時(shí)刻以周期性或單次方式被調(diào)度。

2 時(shí)間觸發(fā)合作式調(diào)度器的機(jī)制

時(shí)間觸發(fā)合作式調(diào)度器通常通過一個(gè)硬件定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)，所有的任務(wù)都是由時(shí)間觸發(fā)的，這也意味著除了定時(shí)器中斷以外，再也沒有其他形式的中斷。硬件定時(shí)器將被設(shè)置為產(chǎn)生一個(gè)周期中斷信號，這個(gè)中斷信號的頻率約為1kHz。

時(shí)間觸發(fā)合作式調(diào)度器的主要功能就是喚醒在預(yù)先確定好時(shí)間執(zhí)行的任務(wù)。在工作時(shí)間，調(diào)度器檢查靜態(tài)的任務(wù)鏈表，根據(jù)任務(wù)的周期判斷是否有任務(wù)需執(zhí)行，如果有則立即執(zhí)行任務(wù)；任務(wù)執(zhí)行完后繼續(xù)檢查任務(wù)鏈表，重復(fù)上一個(gè)過程。完成鏈表檢查后，由于節(jié)能的關(guān)系，CPU進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍的到來。其任務(wù)調(diào)度機(jī)制如圖1所示。由于合作式調(diào)度器能保證在同一時(shí)刻，系統(tǒng)中只有一個(gè)任務(wù)被觸發(fā)，而且在任何時(shí)刻系統(tǒng)中都可以保證有任務(wù)在執(zhí)行。這樣，系統(tǒng)的使用效率得到了提高。在分布式系統(tǒng)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)間存在著時(shí)間的漂移(由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境以及時(shí)鐘晶振的制作工藝等存在差異)，所以必須動(dòng)態(tài)地對節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，使整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘能夠同步。




合作式調(diào)度器可靠而且可預(yù)測的主要原因是在任一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)是活動(dòng)的，這個(gè)任務(wù)運(yùn)行直到完成，然后再由調(diào)度器來控制。如果搶占式調(diào)度，有多個(gè)活動(dòng)任務(wù)，執(zhí)行"上下文切換"及"關(guān)鍵段保護(hù)"等將增加系統(tǒng)的開銷。圖2[3]比較了使用合作式調(diào)度器與搶占式調(diào)度器設(shè)計(jì)巡航系統(tǒng)的情況。可以看到，采用合作式調(diào)度模式可以精簡所需的代碼行數(shù)，節(jié)省程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。同時(shí)，許多研究表明，相對于搶占式調(diào)度器，除任務(wù)級的響應(yīng)時(shí)間快很多外，合作式調(diào)度器還具有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，文獻(xiàn)[4]指出與搶占式替代方案相比，合作式調(diào)度有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：簡單，可減小系統(tǒng)開銷，容易測試以及更容易讓權(quán)威機(jī)構(gòu)接受這種形式的調(diào)度。




3 應(yīng)用實(shí)例

太陽跟蹤系統(tǒng)是針對太陽能空調(diào)、高效太陽能光伏發(fā)電、高效太陽能熱水器等需要對太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，通過使設(shè)備的某一面時(shí)刻與太陽光保持垂直，獲取最大的太陽能量。

本文涉及的跟蹤系統(tǒng)采用傳感器跟蹤與天文定位跟蹤相結(jié)合的模式。即通過當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度與當(dāng)前日期計(jì)算日出、日落時(shí)間，然后根據(jù)日落、日出的時(shí)間差及電機(jī)的步距角，每隔一段時(shí)間輸出一個(gè)脈沖控制設(shè)備自動(dòng)往西。同時(shí)，根據(jù)光電傳感器輸入，每隔一段時(shí)間控制電機(jī)在東、西、南、北四個(gè)方向自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備，使設(shè)備與太陽光保持垂直。圖3給出了太陽跟蹤器上下文環(huán)境圖，給出了系統(tǒng)與傳感器和執(zhí)行器接口的簡單描述。由圖3可知實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的任務(wù)、任務(wù)周期及執(zhí)行時(shí)間如表1所列。





在表1所列的任務(wù)中，Task2每120 ms執(zhí)行一次鍵盤掃描，用于設(shè)置當(dāng)前時(shí)間、經(jīng)緯度及保存手動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備的輸入。Task6根據(jù)手動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備輸入及光電傳感器的輸入調(diào)節(jié)設(shè)備方位。Task7計(jì)算日出日落時(shí)間，每24小時(shí)執(zhí)行一次。Task3、Task4、Task5與Task6，采用swith_case結(jié)構(gòu)，不在運(yùn)行時(shí)間范圍內(nèi)，程序直接跳出，否則運(yùn)行相應(yīng)的任務(wù)，Task8在到達(dá)日落時(shí)間或設(shè)備觸及西方向限位器時(shí)起作用，控制電機(jī)使設(shè)備對準(zhǔn)太陽升起位置。




根據(jù)合作式調(diào)度器的原理與各任務(wù)的周期，設(shè)置定時(shí)器每4 ms產(chǎn)生一個(gè)周期中斷信號。因?yàn)橛卸鄠€(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間超過4 ms，Task1無法按規(guī)定的頻率執(zhí)行。此外，有多個(gè)任務(wù)的 最壞執(zhí)行時(shí)間超過30 ms，使鍵盤掃描的靈敏度受到影響。因此采用直接將Task1、Task2包含進(jìn)定時(shí)器中斷服務(wù)子程序的方法，從而使所有任務(wù)的周期及執(zhí)行時(shí)間均能滿足系統(tǒng)任務(wù)可調(diào)度的要求。

結(jié) 語

在工程中采用事件觸發(fā)模式很大程度上會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致龐大的代碼結(jié)構(gòu)。這樣的代碼長度及復(fù)雜性不適合普通開發(fā)人員構(gòu)建，而商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)往往價(jià)格昂貴，并且需要很大的操作系統(tǒng)開銷。采用基于時(shí)間觸發(fā)模式開發(fā)系統(tǒng)可以滿足實(shí)時(shí)、簡單、可預(yù)測性等工程要求。在應(yīng)用實(shí)例中也可以看到，對于任務(wù)周期與執(zhí)行時(shí)間相差懸殊的任務(wù)，為滿足可調(diào)度性的要求，將需頻繁執(zhí)行的短任務(wù)加入定時(shí)器中斷服務(wù)子程序的方法延長了中斷處理的時(shí)間，同時(shí)削弱了系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力及可預(yù)測能力。此外，也可以通過將執(zhí)行時(shí)間長的任務(wù)分解成幾個(gè)執(zhí)行時(shí)間短的任務(wù)來滿足任務(wù)可調(diào)度性。相對于事件觸發(fā)模式，時(shí)間觸發(fā)模式對工程技術(shù)人員的要求更高。