基于Xenomai和工控机的实时测控系统的研究

论文摘要

为了保证电力系统调度人员更好的把握安全控制、事故处理的主动性,减少和避免误操作、误判断,提高电网的运行管理水平,电力系统安全监控装置必须是零时限驱动的。同时,电力监控系统任务的复杂性使得简易的流程控制难以满足要求。因此,必须引入实时操作系统。传统实时操作系统昂贵的价格和应用程序句法语义的兼容性问题大大限制了自身应用的范围。一个解决方法是利用和改造免费的通用操作系统以提供实时环境。Linux操作系统的开放源代码、支持丰富的库函数和强大开发工具等优势给了人们深入研究系统内核机制的可能。目前,所有的Linux实时改进都是针对内核的改进。改进的目标是将任务响应时间减少到微秒范围以实现对外部事件的更快响应。改进的主要技术路线,一是提供可抢占的标准内核以优化Linux本身的实时性能,包括隐式抢占点、显示抢占点和完全抢占设计等。然而,这类方法通常只能达到软实时。二是提供内核的实时补丁以达到硬实时,包括微内核、资源内核扩展、POSIX实时扩展和纳内核等方法。本论文所研究的操作系统自适应域环境Adeos为硬件和标准内核之间提供了一个“硬件-内核”的纳内核接口,可以使多个操作系统并行运行于纳内核之上。同时,Adeos采用虚拟中断技术有效的减少了中断分派时间和中断服务时间,从而减少了任务响应时间。本论文深入研究了基于Linux环境的实时开发框架Xenomai及其底层运行机制Adeos的基本原理。分析了带有中断屏蔽功能的Adeos中断管道机制并讨论了用户空间混合执行模式下中断屏蔽功能所存在的“优先级倒置”问题。基于Xenomai实时内核构建了Xenomai/Linux双内核实时系统。采用实时进程和非实时进程分级调度的策略优化进程调度。实时任务通过建立在Xenomai实时内核之上的可插式RTAI应用程序编程接口实现,并以内核态下可直接加载的内核模块方式运行。基于Svgalib库实现了方便的人机交互显示界面。通过实时命名管道机制实现实时任务与非实时任务的通信。最后,结合本实验室已开发出的基于DOS的IPC测控系统的硬件资源实现了一套基于Xenomai系统的小型变电站安全监控装置以模拟对变电站主要监测量的采集、处理和控制。测试结果显示系统达到了微秒级的任务响应延迟,满足电力系统硬实时的时限要求且运行稳定。同时,也证明了Xenomai可以为传统实时操作系统的应用程序（本设计中为RTAI）提供一个基于Linux环境的通用的实时开发框架,为实时应用开发带来方便。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 2 Linux 操作系统实时性能分析
• 2.1 引言
• 2.2 Linux 操作系统内核
• 2.2.1 Linux 结构分析
• 2.2.2 Linux 任务响应模型
• 2.3 Linux 实时性能分析
• 2.3.1 Linux 实时性能缺陷
• 2.3.2 可抢占的标准内核
• 2.3.3 标准内核的实时补丁
• 2.4 Linux 实时接口问题讨论
• 2.5 本章小结
• 3 操作系统自适应域环境Adeos 分析
• 3.1 引言
• 3.2 Adeos 基本原理
• 3.3 Adeos 中断管道机制原理
• 3.4 Adeos 运行模型
• 3.5 基于Linux 的实现
• 3.5.1 Adeos 相关实体分析
• 3.5.2 域相关实体分析
• 3.5.3 Adeos 初始化
• 3.5.4 域注册
• 3.5.5 Adeos 中断处理
• 3.6 本章小结
• 4 实时开发框架Xenomai 的实现分析
• 4.1 引言
• 4.2 Xenomai 基本原理
• 4.3 Xenomai 实时内核功能
• 4.4 Xenomai 的Adeos 中断管道机制底层实现分析
• 4.4.1 带中断屏蔽的中断管道
• 4.4.2 硬件中断控制
• 4.4.3 域的协调运行
• 4.5 Xenomai 的混合运行模式
• 4.6 Xenomai 的应用编程接口
• 4.7 本章小结
• 5 基于Xenomai 和工控机的实时测控系统的实现
• 5.1 一个新的实时化方案的提出
• 5.2 双内核实时操作系统的搭建
• 5.3 系统硬件规划
• 5.4 IPC 系统
• 5.4.1 IPC 简介
• 5.4.2 IPC 的主机结构及特点
• 5.5 系统实现
• 5.5.1 系统任务划分
• 5.5.2 实时任务的内核模块设计
• 5.5.3 实时任务管理
• 5.5.4 实时任务程序实现
• 5.5.5 非实时部分程序实现
• 5.6 系统实物图
• 5.7 实时性测试
• 5.8 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录