利用多线程实现基于ARM的嵌入式网络控制系统仿真

中文摘要:

  为了研究真实网络对控制系统的影响, 方便网络控制系统的研究人员进行网络控制课题的研究, 有必要建立网络控制 系统的仿真系统;ARM 嵌入式处理器是目前被公认为业界领先的32 位嵌入式RISC 微处理器,在网络设备, 工业控制等领域 得到日益广泛的应用。本文介绍了一种基于ARM 的网络控制系统仿真系统, 利用该系统可以对基于TCP/IP 的嵌入式网络 控制系统进行仿真。该系统在S3C4530 处理器上移植了uClinux 操作系统, 并在此基础上利用linux 下的多线程技术实现被 控对象的实时仿真和基于TCP/IP 网络的数据传输。实验证明该仿真系统能够反映真实网络对控制系统的影响, 实时性较 好, 可以满足大部分网络控制系统的仿真需要。

英文摘要：

  In order to study the effects which are exerted on the control system by the real network,and provide the convenience for study of Networked Control System,it is necessary to build a simulation system of Networked Control System..The embedded processor ARM is well known to be advanced 32- bit embedded RISC microprocessor,and it has been widely used in network equipements,industrial control etc.This paper designs and implements a ARM- based simulation system.Using the simulation system ,TCP/IP protocol based Networked Control System can be simulated.In this system ,uClinux operating system is ported to the S3C4530 processor and with the support of uClinux,using multithreads technology ,the real- time simulation of the plant and TCP/IP network based communication are implemented.The result shows that the simulation system can reflect the effects on the control system which is caused by real network and has approving real- time performance,and can satisfy the needs of Networked Control System simulation.

1 引言
     基于网络的控制系统是指传感器, 控制器, 执行 器等通过实时网络构成闭环反馈控制系统, 其中的网 络介质一般是多个控制回路共享。相对于传统的点对 点互连的控制系统, 网络控制系统有以下优点: 1)成本 低;2)安装维护简便; 3)系统可靠性高;4)系统灵活性高; 5)便于进行故障诊断。 同时控制回路中网络的应用也会给控制系统带 来一些问题: 1)网络诱导时延, 包括传感器到控制器的时延和 控制器到传感器的时延。 2)数据包时序错乱。由于数据包经过的路径不唯 一而导致数据包的时序错乱。 3)数据包的多包传输。受网络的数据包大小限制, 测 量和控制信号的采样数据可能要经过多个数据包传送。 4)数据丢失。由于网络节点的调度策略而可能造 成数据丢失。 针对网络控制系统的上述特点, 一些学者从网络 和控制两个方面开展了有效的研究工作, 提出了诸如 网络控制系统的确定性控制理论, 随机控制理论, 增 广离散时间模型理论, 概率时延预测方法, 扰动理论, 智能控制理论, 自适应增益调制方法等理论。这些网 络控制理论对于网络中出现的各种问题都作了许多 假设, 如延时有上界或者固定等等。这种网络控制系 统的研究只是限于理论上的探讨, 真实地网络与这些 假设存在差异, 为了研究真实的网络对控制系统的影 响, 方便研究人员进行网络控制课题的研究, 有必要 建立网络控制系统的仿真平台, 在本文中, 在S3C4530 处理器上移植了uclinux 操作系统, 并在此基础上利用linux 下的多线程技术 实现被控对象的实时仿真和基于TCP/IP 网络的数据 传输.利用该系统可以通过TCP/IP 网络进行远程的网 络控制系统仿真, 从而对网络控制系统的实时性和延 迟处理策略进行研究。
3 ARM 上的多线程及其在系统中的应用
     同传统的多进程技术相比, 运行于一个进程中的多 个线程彼此之间使用相同的地址空间, 共享大部分数 据。启动一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程 所花费的空间, 而且线程之间彼此切换所需要的时间也 是远远小于进程键切换所需要的时间。总的来说, 一个 进程的开销大约是一个线程开销的30 倍左右;而同一进 程下的线程之间共享数据空间, 一个线程的数据可以直 接为其它线程所使用, 这样不仅快捷, 而且方便。对于 S3C4530 这种采用RISC 指令集的ARM芯片来说, 系统 时钟主频最高50MHZ,移植操作系统后, 指令执行速度 同PC 机相比要长得多, 在如此有限的资源内要实现多 任务并行运行, 只有多线程是首选。 在ARM上运行的NCSserver 程序是应用GNU C 开发进行开发, 采用基于uClinux 操作系统的多线程 技术实现的。在uClinux 操作系统下的多线程遵循 POSIX1003.1c 标准的线程模型, 采用目前最流行的线 程机制LinuxThreads 实现线程- 进程"一对一“的模型, 用一个核心进程( 或许是轻型进程light - wighted process) 对应一个线程, 将线程调度等同于进程调度, 交给核心完成, 而在用户级实现一个包括信号处理在 内的线程管理机制。
4 结论
     本文详细介绍了利用多线程技术实现基于ARM 的嵌入式网络控制系统仿真平台的过程。利用该技术 可以对基于ARM的TCP/IP 网络控制系统进行仿真。 其中主要应用Vc++6.0 开发了基于PC 机的控制算法 程序NCSclient 和基于ARM的被控对象多线程仿真 程序NCSserver。这样, 在PC 机上的控制算法和ARM 上的被控对象之间通过TCP/IP 网络进行数据传输, 形 成一个基于ARM的TCP/IP 网络控制系统仿真平台。 通过仿真验证了真实的网络对于控制系统的影响以 及系统的实时性, 证明该仿真平台可以满足网络控制 系统理论研究的需要, 能够对网络控制理论的研究提 供足够的技术支持, 具有较好的实用性。