测控技术与仪器专业英语 习题答案 作者 张凤登 unit-17-分布式实时系统-参考译文及练习答案

1、 83 UNIT 17 分布式实时系统分布式实时系统 参考译文参考译文: 17.1 怎样理解测怎样理解测量量与自动化中的实时与自动化中的实时 实时这个概念通常很难理解，许多人想当然地认为实时就是非常快。实际上，实时是指 确定性响应，即在确定的时间周期内，对某个事件做出可靠无误的响应的能力。 一个常见的误解是实时应用需要专门的操作系统。其实，对于许多应用，运行 Windows 的标准个人计算机能够产生可接受的实时响应。通过将专门的硬件和软件集成到这些系统， 可使实时性能达到更精确的水平。 实时的定义实时的定义 实时只是用来描述应用的时间要求的一个形容词。 应用和用户不同， 相应的时间要求也 不尽相同。因此，不存在使事物实时的通用时间约束。为了更精确地定义实时性能，经常使 用“弱”和“强”两个术语。 弱实时运行的系统可有不同的响应速率，而且不会影响整个系统的功能。例如，在温度 监测系统中，由于温度不会急剧变化，所以获取数据的速度相对慢些。数据读取速度可以每 秒一次， 读数之间的时间略有差异不会影响整个系统的性能。 类似于这个系统的弱实时系统， 可在标准 Windows 操作系统上运行。 另

2、外，强实时要求需要在某个绝对的时间内具有准确无误的响应速率。例如，在控制一 个蒸馏过程时， 为了能够做出开关压力阀门的关键决策， 必须始终如一地按特定时间间隔采 集压力数据。 如果控制回路在特定的时间周期内没有得到执行， 压力就可能增大到危险的水平。 在类 似的强实时应用中，拥有能够确保响应速率和关键计算可靠性的软件和硬件显得非常重要。 Windows 操作系统的实时能力操作系统的实时能力 在微软公司的 Windows NT、Windows XP、和 Windows 95 操作系统中，中断和事件按 优先级进行分类，高优先级事件的执行顺序高于到低优先级事件。然而，对中断做出响应的 实际进程称为设备驱动程序，可以屏蔽中断一段时间。当这种情况发生时，在中断屏蔽解除 之前， 系统不会响应任何其它事件。 如果某个事件发生在中断屏蔽期间， 它不仅得不到服务， 而且应用的响应时间也会发生变化。 许多人错误地认为，当用到实时这个术语时，一个专用的实时操作系统（RTOS）是必 不可少的。由于 Windows 使用设备驱动程序架构，所以他们认为 Windows 操作系统可靠性 不足。 这个观点是不正确的。

3、运行 Windows 当代个人计算机，其响应时间可达几百毫秒。此 外，编程技术运用得当，Windows 用户可以获得几十毫秒的实时响应时间。特别是随着 Windows NT 鲁棒性的不断提高， 成千上万的测试工程师已经采用运行 Windows 的个人计算 机进行测量与控制。 为了改善计算机操作系统的实时性能，微软公司推出了 Windows CE 操作系统。该操作 系统允许开发人员利用标准的 Windows 开发工具设计他们的应用，然后根据应用的具体性 能要求进行适当处理。 对于许多控制应用来说，当前流行的 Windows CE 版本，它的实时性足够了。即将在 1999 年年底公布的 3.0 版，有望对更苛刻的实时性要求提供更好的实时响应。 84 测量与自动化中的实时性测量与自动化中的实时性 基于 PC 的测量与自动化实时应用具有两个基本功能：实时数据采样和实时控制。对于 实时采样应用，要求能够按照用户指定的任何速率可靠地收集数据。对于基于 PC 的实时控 制应用，实时约束是指在一定的时间周期内做出控制决策。 实时采样的要求实时采样的要求。 当从插入式数据采集卡中收集数据时， 最重要的实

4、时特性就是保持所 需的采样频率不出现偏差。例如，当用 100kHz 的频率采样麦克风以便寻找特殊的振动信息 时，最重要的实时要求就是保证采集数据的速率为 100kHz，数据点之间的时间变化要尽可 能少。 如果以不同的速率收集数据，接着进行数据分析（如应用快速傅立叶变换） ，将会产生 错误的结果。在实时采样这个应用中，一旦完成数据采集，随后可在 Windows 操作系统下 进行处理、观察和磁盘存储，因为这些过程没有实时要求。 在过去的 15 年里，基于计算机的插入式数据采集卡技术已经取得极大的进步，实时性 能不断得以提高。例如，在早期的数据采集卡设计中，主计算机必须实际访问采集卡，并检 索进行采样的数据点。因此，以 100kHz 的频率对一个信号进行采样，要求主计算机每秒访 问数据采集卡 100,000 次。为了防止这些早期板卡上的数据被丢失，需要使用昂贵的多处理 器计算机，并且这些计算机需要运行专用的 RTOS。 然而，现在的插入式数据采集卡采用高级电路来处理强实时要求，在许多情况下，并不 需要专用的 RTOS。当代数据采集卡通过以下方法采集数据： 1）首先，先进的板载时钟和定时器用于

5、输入信道模拟/数字（A/D）转换的计时。 2）然后，采样数据被放置到先入先出（FIFO）缓冲器。既然这个过程是硬件定时的， 它的实时响应极其准确。 一旦数据被实时收集起来，立即使用直接存储器访问（DMA）将其移至主计算机。数 据采集卡利用 DMA 把数据保存到主机的存储器，不需要与主机或操作系统之间的相互作 用。 事实上， DMA 在将数据存储到存储器的过程中， 并不考虑主机或操作系统正在做什么。 因此，即使接口总线上发生了妨碍吞吐率的任何情况，数据采集卡上的这些 FIFO 缓冲器仍 然维持实时数据的收集。随着 PCI 总线的应用，使用先进 PCI 总线控制技术的插入式数据 采集卡既能实时采样数据，又能将数据以高达 100MB/s 的速率送到计算机存储器中。 如果某个应用所需要的采样速率高于插入式数据采集卡将数据传送到计算机存储器的 速率，那么必须使用带有存储器的采样卡。此外，如果应用需要做密集的数学计算，你可能 更愿意使用专用数据采集卡。这种采集卡带有微处理器、数字信号处理器（DSP）或现场可 编程门阵列(FPGA)，可在将数据传送到主机之前，通过分析减少传送到主机的数据。 当采样多

6、个信道时， 某些应用要求对它们进行同时采集。 虽然有些数据采集卡具有同时 采样的能力，但是由于每个信道都需要一个独立的 A/D 转换器，这样的采集卡价格昂贵。 因此，许多用户选择带有一个 A/D 转换器和一个模拟多路转换器的数据采集卡，多路 转换器用来扫描进入 A/D 转换器的信道。这种采样卡会使每个信通的读数之间存在时间偏 移。 许多低成本的数据采集卡使用单个时钟控制扫描速率和信道之间的时间延迟。 这种架构 在所有信道采样之间， 以及扫描最后一个信道与下次扫描第一个信道之间产生相同的时间间 隔。例如，若每个信道的采样频率为 10kHz（给定信道的两个连续采样之间的时间间隔为 100s） ，采样信道数为 5 个，则各信道的采样之间的实际时间差是 20s（100s/5） 。这个过 程称为“循环（Round Robin） ”采样。 间隔扫描技术常被用来增强采样的同步效果。 在这种设计中， 扫描时钟和信道时钟分别 用于控制扫描速率和信道之间的时延。 信道时钟的速率越快， 每次扫描中系统采样信道的时 85 间越接近。 例如， 如果数据采集卡的最大采样速率为 500kHz， 那么 2s 可完成一

7、次输入信号的 A/D 转换，信道之间的时间延迟可以是 2s，时间延迟由信道时钟控制。在给定的扫描周期内， 从采样第一个信道开始到最后一个信道的数据被读出，总的时间差是 10s（2s5） 。扫描 速率由另外一个时钟负责控制，这个时钟独立于信道时钟，还可以按 10kHz 的频率扫描每 个信道。 实时控制的要求实时控制的要求。 实时控制应用中， 首先要做的是采集过程输入量， 然后做出控制决策， 最后产生控制输出，见图 17-1。为使控制系统保持稳定，执行这个控制回路的时间必须是 确定的， 即每次运行控制回路的时间必须是一个常数。 用于实时控制的硬件解决方案有许多， 其中包括可编程控制器（PLC） 、专用温度控制器、计算机、或带有 RTOS 的嵌入式系统等。 具体使用那种系统取决于期望的控制回路循环时间。 例如，通常，温度控制器和 PLC 可在 1 秒内 完成几个回路，而带有 RTOS 的嵌入式系统可以 实现微秒级响应。当速度要求更高时，类似于 DSP、 FPGA 的专用硬件可使实时响应时间达到纳 秒级。 由于处理器、DSP 或 FPGA 可集成到插入式 数据采集卡上，采集卡常被作为良好的实时

8、控制 平台。这时，数据采样、控制决策和控制输出可 在同一块数据采集卡上实现，而且这些操作与主 机和 Windows 操作系统正在做的工作无关。 有些采集卡还提供更高的可靠性， 即使主机出现故障， 采集卡上的控制算法仍会继续运 行。由于很多这类板卡可用标准测量技术进行编程，因此，应用的实时控制元件可以很容易 地集成到一个完整的测量系统。 实时概念在汽车实时概念在汽车行行业中的应用业中的应用 实时控制的必要性在汽车行业中得到了很好的体现， 在这个行业中， 测力计被用来测试 旋转特性，如转矩、转速等。在发动机测试中，利用测力计确定发动机的效率和功率。 将测力计设置在期望的负载水平上， 可对普通发动机进行两种典型测试。 其一是让发动 机运行在不同的测力计负载下，目的在于确定发动机如何对负载的升、降变化做出反应；其 二是保持测力计负载不变， 然后通过调节发动机的快慢， 确定在特定负载条件下发动机的性 能。 动力测试的实时约束是保持转矩和转速一致，只有这样，才能精确测量发动机性能。要 做到这一点，需要测量速度、油门和温度等参数并与设定值相比较。 如果被测量偏离了期望的水平，则必须调整控制输出量以确

9、保发动机以期望的速率工 作。发动机实时控制回路不理想，就会出现运行不一致，并且任何收集起来用于判断发动机 性能的信息将会无效。 很多测力计使用运行在 Windows 环境下的插入式数据采集卡。对于速率较高的控制回 路，为确保实时响应，采用带有内置处理器的数据采集卡较为合适。 一个基本的动力测试装置， 需要用到五个模拟输入信道和两个模拟输出信道。 应变式传 感器被安置在测力计上，用来确定发动机的转矩。发动机的油门、速度、油温和冷却剂温度 也被采样。 板卡上的两个模拟输出口控制发动机油门和发动机冷却剂，所有输入的采样频率都是 5kHz，通过对数据求平均值来给出准确的读数。这些读数首先与期望值相比较，然后运行 Fig. 17-1 Typical control loop 86 PID 程序，从而产生控制输出。模拟输出的实时更新频率为 500Hz。 在测力计应用中， LabVIEW 应用程序运行在 Windows 95 环境下， 它通过访问美国国家 仪器公司（National Instruments）RT 系列智能数据采集卡上的共享存储器，取回状态报文， 求取所收集数据的平均值， 并向采集卡发送新的设定值。 这种应用为动力测试台提供用户界 面，并将数据记录到磁盘。 RT 系列数据采集卡采用 LabVIEW RT 进行编程，LabVIEW RT 是 LabVIEW 的实时版， 能够创建嵌入式可执行文件，这种文件可在智能 RT 系列数据采集卡的处理器中实时运行。 在此架构下，整个应用使用 LabVIEW 编程，无需单独进行实时代码编程，没有学习新 开发环境的必要，也不用担心实时部分与主应用程序的集成。 总结总结 当能够确定一个应用中的哪一部分真正需要实时性能的时候，理解实时性就不困难了。 通过使用新型数据采集硬件和先进的总线仪器，大部分测量与自动化应用可在 Windows 环 境下很容易地实现实时性。此外，LabVIEW 和 Windows CE 等新技术允许人们在自己熟悉 的、符合行业标准的环境下编写程序，并且可以很方便地将程序传送到实时硬件，这使得开 发实时应用程序变得非常容易。 17.2 嵌入式实时系统嵌入式实时系统 随着微控制器性价比的不断提高， 在许多产品中利用嵌入式实时计算机系统代替传统的 机械或电子控制系统， 越来越具经济方面

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