基于S3C44B0的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)性分析與設(shè)計(jì)

　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、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(cè)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)了很好的實(shí)時(shí)性。該監(jiān)測(cè)模塊具有對(duì)32個(gè)模擬量測(cè)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(cè)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(duì)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(guò)中斷機(jī)制了解外部世界,并對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(qǐng)求到當(dāng)前任務(wù)開(kāi)中斷這一過(guò)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(kāi)中斷。關(guān)中斷的時(shí)間越長(zhǎng),中斷延遲就越長(zhǎng)。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(méi)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(duì)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(cè)模塊實(shí)時(shí)性需求分析

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

1.2.1 功能要求

　?、?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(duì)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。
　?、?A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，不小于16位。
　　③ 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(lái)滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。
　?、?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(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及狀態(tài)參數(shù)。
　?、?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(cè)量時(shí)間

　　因?yàn)槊總€(gè)測(cè)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(duì)32個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。每個(gè)測(cè)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(cè)量周期t為：

　　t=64×系統(tǒng)對(duì)每個(gè)通道數(shù)據(jù)源的測(cè)量時(shí)間

　　每個(gè)通道的測(cè)量時(shí)間包括通信時(shí)間和A/D采集時(shí)間、顯示時(shí)間。

(1) 通信時(shí)間

　　系統(tǒng)通信采用工業(yè)控制和分布式系統(tǒng)協(xié)議MODBUS_RTU通信協(xié)議。通信協(xié)議采用十六進(jìn)制的形式，所有寄存器采用的都是16位寄存器。寄存器中數(shù)據(jù)的排列采用大端格式。MODBUS_RTU基本幀格式如表1所列。

表1 MODBUS_RTU基本幀格式

　　該系統(tǒng)按照上述MODBUS_RTU的基本幀格式發(fā)送命令。發(fā)送命令基本流程如下：上位機(jī)按照表1敘述的MODBUS_RTU基本幀格式向下位機(jī)發(fā)送，下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，然后將返回上位機(jī)應(yīng)答信號(hào)。這一過(guò)程成為一個(gè)通信過(guò)程。該系統(tǒng)的一個(gè)通道的通信時(shí)間為10 ms。