基于時間觸發(fā)模式的電子控制系統(tǒng)設計

  引 言

電子控制系統(tǒng)一般都是實時系統(tǒng)，常需處理許多并發(fā)事件的輸入數據流這些事件的到來次序和幾率通常是不可預測的，而且還要求系統(tǒng)必須在事先設定好的時限內做出相應的響應[1]。

對于如何控制系統(tǒng)的復雜行為，普遍采用的是事件觸發(fā)方案，即系統(tǒng)的所有行為響應系統(tǒng)外部事件而執(zhí)行然而，中斷丟失與事件觸發(fā)系統(tǒng)的開銷是人們經常忽略的一個問題，文獻[2]討論了一個這樣的例子：一個包含27個任務、采用RM調度算法的事件觸發(fā)系統(tǒng)，CPU的實際利用率僅為18％同時，電子控制系統(tǒng)也可以看作是一個能實時采集一組定義好的輸入值，同時在預先確定的時間間隔給出一個正確輸出的實時系統(tǒng)為了滿足安全、低成本及程序盡可能簡單等苛刻要求，電子控制系統(tǒng)的開發(fā)最終走向時間觸發(fā)結構[1]時間觸發(fā)意味著所有的與輸入采樣、計算及輸出結果等相關的動作在預先給定的時間前執(zhí)行，因而能保證準確的調度時間。

1 時間觸發(fā)系統(tǒng)的任務調度器

調度器是一種用于電子控制系統(tǒng)的運行環(huán)境，也可看作是一個簡單的操作系統(tǒng)在電子控制系統(tǒng)中使用調度器可以縮短開發(fā)時間，提高軟件的模塊化程度調度器具有合作式與搶占式兩種形式如果一個被"喚醒"的高優(yōu)先級任務可以打斷其他正在運行的低優(yōu)先級任務，則調度器是搶占式的；反之，則是合作式的由于其應用背景的特殊性，電子控制系統(tǒng)運行的任務絕大多數是周期性任務(如周期性的數據采集任務、LED顯示刷新任務等)，并且任務的就緒時間、開始時間、執(zhí)行時間和截止期限等信息均可預先知道因此，可以采用基于時間觸發(fā)形式的合作式調度器，即任務在特定時刻以周期性或單次方式被調度。

2 時間觸發(fā)合作式調度器的機制

時間觸發(fā)合作式調度器通常通過一個硬件定時器來實現，所有的任務都是由時間觸發(fā)的，這也意味著除了定時器中斷以外，再也沒有其他形式的中斷硬件定時器將被設置為產生一個周期中斷信號，這個中斷信號的頻率約為1kHz。

時間觸發(fā)合作式調度器的主要功能就是喚醒在預先確定好時間執(zhí)行的任務在工作時間，調度器檢查靜態(tài)的任務鏈表，根據任務的周期判斷是否有任務需執(zhí)行，如果有則立即執(zhí)行任務；任務執(zhí)行完后繼續(xù)檢查任務鏈表，重復上一個過程完成鏈表檢查后，由于節(jié)能的關系，CPU進入休眠狀態(tài)，直到下一個時鐘節(jié)拍的到來其任務調度機制如圖1所示由于合作式調度器能保證在同一時刻，系統(tǒng)中只有一個任務被觸發(fā)，而且在任何時刻系統(tǒng)中都可以保證有任務在執(zhí)行這樣，系統(tǒng)的使用效率得到了提高在分布式系統(tǒng)中，各個節(jié)點間存在著時間的漂移(由于每個節(jié)點所處的環(huán)境以及時鐘晶振的制作工藝等存在差異)，所以必須動態(tài)地對節(jié)點時鐘進行調整，使整個系統(tǒng)的各個節(jié)點時鐘能夠同步。

合作式調度器可靠而且可預測的主要原因是在任一時刻只有一個任務是活動的，這個任務運行直到完成，然后再由調度器來控制如果搶占式調度，有多個活動任務，執(zhí)行"上下文切換"及"關鍵段保護"等將增加系統(tǒng)的開銷圖2[3]比較了使用合作式調度器與搶占式調度器設計巡航系統(tǒng)的情況可以看到，采用合作式調度模式可以精簡所需的代碼行數，節(jié)省程序存儲器和數據存儲器空間同時，許多研究表明，相對于搶占式調度器，除任務級的響應時間快很多外，合作式調度器還具有很多優(yōu)點例如，文獻[4]指出與搶占式替代方案相比，合作式調度有以下四個優(yōu)點：簡單，可減小系統(tǒng)開銷，容易測試以及更容易讓權威機構接受這種形式的調度。

3 應用實例

太陽跟蹤系統(tǒng)是針對太陽能空調、高效太陽能光伏發(fā)電、高效太陽能熱水器等需要對太陽進行實時跟蹤的應用領域設計的，通過使設備的某一面時刻與太陽光保持垂直，獲取最大的太陽能量。

本文涉及的跟蹤系統(tǒng)采用傳感器跟蹤與天文定位跟蹤相結合的模式即通過當地的經緯度與當前日期計算日出、日落時間，然后根據日落、日出的時間差及電機的步距角，每隔一段時間輸出一個脈沖控制設備自動往西同時，根據光電傳感器輸入，每隔一段時間控制電機在東、西、南、北四個方向自動調節(jié)設備，使設備與太陽光保持垂直圖3給出了太陽跟蹤器上下文環(huán)境圖，給出了系統(tǒng)與傳感器和執(zhí)行器接口的簡單描述由圖3可知實現系統(tǒng)功能所需的任務、任務周期及執(zhí)行時間如表1所列。