基于LINUX操作系统的分布式实时测控系统的研究

论文摘要

以工业PC 为硬件平台、PC 操作系统为软件平台开发测控系统是当前工业实时测控系统的一个重要的研究方向。DOS 和WINDOWS 是PC 上的主流操作系统,但是DOS 和WINDOWS 在解决实时多任务的实现问题上存在着许多缺点;商业实时操作系统,虽然性能较好,但是价格昂贵,源代码保密,对实时系统开发带来很多不便。自由软件Linux 操作系统的出现提供了改变这种局面的契机。本文论述了作者在硕士学位论文工作期间将Linux 引入工业PC 实时测控系统所作的研究工作,主要是围绕着解决测控系统的实时性和多任务来展开。其主要工作及结论如下: 论文首先分析了Linux 内核实时性,总结出了其在实时应用的5 个缺点;研究了目前国际上对Linux 进行实时化改造的两种方法:内部改造技术和外部改造技术的原理,并分析比较了用这两种方法改造的实时Linux 的性能。RTLinux 是对标准Linux 通过外部改造技术进行实时性改造得到的。论文对RTLinux 的实现原理进行了深入的剖析,研究了RTLinux 的几个关键技术:中断模拟器、实时任务调度、实时时钟和进程间通信机制等,并对RTLinux 进行了中断延迟测试和调度精度测试,测试结果表明,RTLinux 达到了硬实时应用的要求;同时分析研究了RTLinux 的编程接口及其在实时应用中的软件设计原则。成功地将RTLinux 应用于一套实际的工业实时测控系统中,完成了该实时测控系统的硬件构建和软件编制。RTLinux 在应用中将系统分为实时任务和非实时任务。由于RTLinux 具有很高的定时精度,所以把实时任务设置为周期任务,采用RM 调度算法进行调度,完成数据采集、处理和输出;非实时任务为Linux 用户空间程序,完成数据存储、显示和管理等功能。分析研究了RM 调度算法及其可调度性判定定理,并利用RM 调度算法设计出测试程序,成功地对基于RTLinux 的实时测控系统进行可调度性和实时性分析与测试,测试结果达到了令人满意的要求。分析了Linux 下的串行通信机制,构建了一个基于RS-485 的小型分布式监控系统。监控系统实现了用户管理、历史报警、状态显示、历史曲线、打印功能。研究表明:将Linux 引入工业测控领域是可行的,基于RTLinux 的实时测控系统在实时性能上完全得到保证。由于RTLinux 中的实时任务可以利用所有的Linux 功能,所以使得测控系统在功能上有很好的发展基础。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 论文主要完成的工作
• 2 LINUX 系统内核分析与实时性改造
• 2.1 LINUX 操作系统内核
• 2.1.1 Linux 系统结构
• 2.1.2 Linux 系统内核组成
• 2.2 LINUX 进程调度机制分析
• 2.2.1 调度依据
• 2.2.2 调度时机
• 2.2.3 调度策略
• 2.3 LINUX 内核在实时应用中的不足
• 2.4 LINUX 的实时性改造
• 2.4.1 Linux 内部实时性改造
• 2.4.2 Linux 外部实时性改造
• 2.5 本章小结
• 3 RTLINUX 实现原理与编程接口
• 3.1 为什么会选择RTLINUX
• 3.2 RTLINUX 的特点及实现原理
• 3.2.1 RTLinux 的特点
• 3.2.2 RTLinux 的设计思想
• 3.2.3 RTLinux 的实现原理
• 3.3 RTLINUX 实时性测试
• 3.4 RTLINUX 的编程结构
• 3.4.1 RTLinux 的编程接口（API）
• 3.4.2 RTLinux 应用程序设计原则
• 3.5 本章小结
• 4 构建基于 RTLINUX 实时测控系统
• 4.1 测控系统对实时性的要求
• 4.2 构建基于RTLINUX 的IPC 测控系统
• 4.2.1 IPC 测控系统的硬件结构
• 4.2.2 基于RTLinux 的测控系统整体设计
• 4.3 IPC 测控系统的硬件介绍
• 4.3.1 开关量输入/输出板卡
• 4.3.2 模拟量输入板卡
• 4.3.3 定时器/计数器板卡
• 4.4 IPC 测控系统的软件设计
• 4.4.1 软件规划
• 4.4.2 软件设计过程介绍
• 4.4.3 程序分析和程序流程
• 4.5 IPC 测控系统实时性分析与测试
• 4.5.1 实时调度理论
• 4.5.2 实时性能测试的方法与实施
• 4.5.3 测试数据分析
• 4.6 本章小结
• 5 串行通信与 DCS 系统设计
• 5.1 串行通信介绍
• 5.2 LINUX 系统下的串行通信
• 5.2.1 Linux 系统下的串口资源
• 5.2.2 Linux 系统下的串行通信相关函数的介绍
• 5.3 基于RS-485 的DCS 系统
• 5.3.1 系统的网络拓扑结构
• 5.3.2 通信机理
• 5.3.3 数据通信协议
• 5.4 DCS 系统软件设计
• 5.4.1 从机通信程序设计
• 5.4.2 主机监控程序设计
• 5.5 本章小结
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书