Hefei University计算机控制技术课程论文题目：计算机控制系统实时性的改善措施指导教师：系别：电子信息与电气工程系班级：自动化（1）班姓名：学号：日期：2011年6月11日课程论文《计算机控制系统实时性的改善措施》摘要：大多数情况下，人们使用计算机来解决问题时，主要关注的是计算机的计算结果是否正确，至于计算机为了获得这个结果花费了多长的计算时间并不十分在意。

但是，在相当一部分实际应用中，计算机系统得到结果所花费时间的长短与结果的正确性同等重要，甚至有时更为重要。

计算机控制系统设计实时性原则必不可少，实时性是工业控制系统最主要的特点之一，要求对内部和外部事件都能及时地响应，并在规定的时限内作出相应的处理。

本文章就计算机控制系统实时性提出几点改善措施。

关键词：计算机控制、实时性、改善措施一、计算机控制系统与实时性计算机控制系统(Computer Control System)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。

这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。

辅助部件主要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。

与被控对象的联系和部件间的联系，可以是有线方式，如通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联系。

被控对象的范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机器人、实验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和儿童玩具等。

控制目的可以是使被控对象的状态或运动过程达到某种要求，也可以是达到某种最优化目标。

系统必须在有限的时间内获得正确结果。

在工程上，人们就把这样的系统叫做实时系统。

也就是说，如果一个系统能及时响应外部事件的请求，并能在一个规定的时间内完成对事件的处理，那么这种系统就叫做实时系统。

于是对实时系统有两个基本要求：第一，实时系统的计算必须产生正确的结果，称为逻辑或功能正确（Logical or Functional Correctness）；第二，实时系统的计算必须在预定的时间内完成，称为时间正确（Timing Correctness）。

在实时系统中系统的正确性不仅依赖于计算的逻辑结果，而且依赖于结果产生的时间。

显然，上面所说实时就是及时的意思，或者是动作快的意思。

实时是指信号的输入、运算和输出都要在极短的时间内完成，并根据生产过程工况的变化及时地进行处理。

而实时系统指在事件或数据产生的同时，能够在规定的时间内给予响应，以足够快的速度处理，及时地将处理结果送往目的地的一种处理系统。

这里的实时与快速并非是相同的含义，不论网络的传输速度有多快，只要在规定的响应时间内发生响应动作，则称系统具有实时性。

控制系统的实时性有两层含义：一是指基本控制器的实时性。

一般来说，每一台控制器所要承担的任务不止一项，但每项任务对实时性都有一定要求，且可能会各不相同。

每项任务对实时性的要求将由配置在基本控制器中的“实时多任务管理程序”来承担；二是指通信网的实时性。

控制系统具有通信功能的基本单元通过通信子网联系在一起，这些单元称为“站”，当某站向通信子网请求通信时，它对“响应时间”是有要求的，不同的站对实时性要求可能不同，同一站中的不同通信任务对实时性的要求也可能不同。

二、实时性的改善1、系统应设置中断，根据事件处理的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事件发生，根据中断优先级别进行处理，保证最先处理紧急事件。

能及时响应外部事件的请求，在规定的严格时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作。

2、控制系统网络的实时性改善控制网络中的实时控制信息主要用于对企业生产过程进行控制，这种信息要求实时性比较高，传送信息多为短信息帧，信息交换也比较频繁，信息类型比较确定，网络负载也相对比较稳定。

一般的计算机控制系统主要由检测仪表、计算机和执行机构组成。

系统的各组成部分之间要相互传递信息，一般是由检测仪表将测量到的工艺过程的信息送往计算机，通过计算机计算得出控制信息送到执行机构，对生产过程进行控制。

在现代的工业企业中的生产过程控制，主要实现对生产过程的控制与监控，一般采用二层结构，即现场控制和过程监控，并通过通信子网将监控站、操作站、控制站和现场仪表等连接起来，使得它们之间能够相互通信，从而组成一个完整的系统。

这种控制系统是一般计算机控制系统的扩展，用于大型工业企业的生产过程控制中，完成比较复杂的控制任务。

（1）控制网络本身的硬件性能改善：包括网络的拓朴结构、通信媒体、网络接口的传送速率等等。

通信媒体的传输速率越高、网络接口的传送速率越快，控制网络的实时性越高。

（2）改善网络的通信协议：包括媒体的访问控制方式、网络通信协议的层次结构、传输的可靠性、有无连接控制等等。

层次结构越简单，系统的实时性越高。

而可靠性与实时性是相互矛盾的，对于无连接、无应答的通信方式要比有连接、有应答的通信方式的实时性要高。

其中媒体访问控制方式是控制网络各站点向(或从)媒体发送信息(或取得信息)的时刻，它是LAN的核心，是影响网络实时性各因素中最为关键的因素。

（3）网络的信息量，也称为网络的负载，是指网络在一定时间内需要传送信息的多少。

网络传送信息量越少，其实时性越高。

（4）实时性与通信子网的信道利用率是相互矛盾的。

在工业控制网络中，为了提高系统的实时性，不得不牺牲一部分信道利用率。

针对控制网络，研究它们的传输延迟，即通信子网的实时性，并采用一些方法使之实时性得以提高，能够应用于对实时性要求较高、控制规模较大且比较复杂的控制系统。

3、数据采集实时性的改善把计算机应用与生产过程的控制形成以计算机为中心的控制系统，系统要求能实时采集现场的数据，并对所采集的数据进行及时处理，从而自动的控制相应的执行机构，使某些参数（如：湿度，压力，液位）能按预定的规律变化。

利用计算机及时搜集检测数据，按最佳值对控制对象进行自动调节或自动控制。

随着现代测控技术的广泛应用与深入发展，系统对数据采集的实时性要求也越来越高，高实时性能有效地提高了系统性能，尤其在航空和航天系统中，实时性不仅关乎到系统的性能，还与系统的可靠性和安全性密切相关。

数据采集实时性问题，可以从快速性、稳定性和同步性三个方面进行考虑：（1）在快速性方面，数据的采集和传输部分可通过高性能硬件提高A/D转换效率，减少数据传输时间；在数据保存部分，写入数据库一般耗时较多，需要在软件设计与实现中进行优化设计，提高数据保存效率。

（2）数据采集时间的稳定性，主要是指数据采集、传输和存储过程所用时间的稳定性。

在系统中，采用通用计算机平台和非实时操作系统，必然带来操作系统打断问题，影响数据采集时间的稳定性。

因此，可以选择性能好的工控机和实时操作系统。

（3）数据采集的同步性，是指各节点所采集数据在时间上的一致性。

采用固定帧周期控制，为数据采集的同步性提供了实现基础。

针对系统分布式结构特征，分解数据采集任务，并可通过帧周期内部的时间片划分可以实现时间同步的数据采集。

为满足系统数据采集准确性和实时性指标要求，选取系统主要硬件配置如下：（1）数据库服务器和数据采集上位机均采用工控机。

高配置工控机强大的运算能力可以有效缩短数据处理时间，提高数据采集的快速性。

（2）I/O接口子系统利用。

用多路D/A、A/D高速接口进行模拟量处理，多路DI、DO高速接口进行开关量处理，多路串行接口进行数字量传输。

目前市场上有许多种 A / D采集卡性能都很优异，模拟量采集通过性能良好的A/D采集卡进行数据采集，并将采集的数据转移到共享内存中，其A/D转换时间短，实现了对数据的快速采集。

共享内存是一种常用的进程间通信机制，它可以实现不同进程间共享同一段内存空间，并可以对共享内存区进行读写，从而实现不同进程间快速数据交换。

（3）采取实时网，实时网由美国VMIC公司生产的5565系列反射内存卡组成。

利用该反射内存卡加上光纤传输介质，可实现174 M字节/秒的数据传输速率，同时保证网络传输延迟不超过400纳秒，使得网络传输时间主要取决于共享内存读写时间，保证了数据传输的快速性。

硬件板卡的设置。

系统所选择的A/D采集卡的板卡的输入通道均作为单端输入。

有些板卡支持对单通道数据采集，也支持多通道数据采集，既可以对单通道进行单次采样，也可以对单通道进行连续采样。

这里采用对单通道连续采样，采样前需要设定采样值范围。

采样的触发模式采用内部定时器触发方式。

中断方式位设为定时器中断。

4、数据通信计术的改善（1）采用多串口数据通信技术，其具有连接简单、使用灵活方便、数据传输可靠等优点。

即将一个通信过程分成多个串行通信过程，通过使用多串口通讯卡由软件对各个通讯口同时扫描，实现多串口通信的并行工作方式。

因为Windows支持多任务管理，可以同时对多个串口进行读写操作。

假设有100台仪表，使用5个串口通信所需要的时间仅是用1个串口通信所用时间的1/5，这样可以大大提高通信的速度。

（2）使用多串口智能通信技术，它是一种自带微处理器和双口RAM的高速通信卡，可以插在计算机的扩展槽内。

主要作用是减轻上位计算机处理工作的量，使上位机与底层仪表的通信速度加快，提高整个通信系统数据刷新速度。

5、采用多线程技术一个计算机系统为了提供对于实时性的支持，它的操作系统必须对于CPU 和其他资源进行有效的调度和管理。

在多任务实时系统中，资源的调度和管理更加复杂。

现在的计算机的运行速度已经远远超出了底层数据硬件的传输速度。

如果还是简单的一发一收式简单的顺序控制，则计算机的大量时间将浪费在等待数据上，而不是数据处理上，这样将会严重浪费计算机的资源。

在Windows环境下，微软基类库（MFC）提供了多线程支持，即在软件中可使用多线程技术。

这样可以每一个串口的读写操作对应一个线程，与上层程序的通信也用一个独立的线程，这样上成对仪表的操作可以快速的显现出来。

从宏观的角度看程序在对多个任务进行操作，CPU的运行速度优势得到了最大限度的发挥，充分利用了计算机的资源。

实践证明，采用多线程技术可以可以充分利用计算机CPU的速度优势，加快了整个系统上下层的通信速度，非常有助于提高系统的实时性。

三、总结综上所述，计算机控制系统的实时性改善的方法主要是通过提高数据实时采集，加快数据传输的速度，选择性能好的器件亦可提高实时性，通过软件设计也可以令实时性有所改善等等。

因为计算机的运行速度相对于接口电路和外设而言速度比较高，所以在外电路数据传输速度不高的情况下，再提高计算机的运行速度对实时性的改善作用不明显，现在要做的就是要提高外设器件性能，接口电路的数据传输速度以及数据采集性能的提高。

以上介绍的提高实时性的方法是最基本的方法，可能还有更多更好的方法我没有发现，在以后的学习中我会继续探索的。