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---- 實(shí)時仿真與嵌入式系統(tǒng) (http://www.022-oo.cn/bbs/dispbbs.asp?boardid=38&id=1958)
-- 發(fā)布時間：2010-12-1 11:33:30
-- 實(shí)時仿真與嵌入式系統(tǒng)
1、前言
對于程序開發(fā)和許多交互式應(yīng)用來說，UNIX和Windows可以算是優(yōu)秀的操作系統(tǒng)。然而，它們都不適于實(shí)時應(yīng)用。Tornado是美國WindRiver公司為用戶提供的嵌入式開發(fā)平臺，VxWorks是Tornado的運(yùn)行期組件，也是嵌入式行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的實(shí)時操作系統(tǒng)。VxWorks的實(shí)時性做的非常好，其系統(tǒng)本身的開銷很小，任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信和中斷處理等系統(tǒng)公用程序精煉而高效，他們造成的延遲很短。VxWorks提供的多任務(wù)機(jī)制對任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級搶占調(diào)度和輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制，也充分保證了可靠的實(shí)時性，使同樣的硬件配置能夠滿足更強(qiáng)的實(shí)時性要求，為應(yīng)用的開發(fā)留下更大的余地。
RTW（Real-Time Workshop）是Matlab圖形建模和仿真環(huán)境Simulink的一個重要的補(bǔ)充功能模塊，它是一個基于Simulink的代碼自動生出環(huán)境，它能直接從Simulink的模型中產(chǎn)生優(yōu)化的、可移植的和個性化的代碼，并根據(jù)目標(biāo)配置自動生成多種環(huán)境下的程序。
RTW提供了幾個快速原型化的目標(biāo)，其中包括提供了從Simulink模型到VxWorks應(yīng)用代碼的自動轉(zhuǎn)換接口Tornado Real-Time Target，可以讓用戶的模型在VxWorks上執(zhí)行。
2、Tornado(VxWorks)實(shí)時目標(biāo)運(yùn)行時結(jié)構(gòu)
開發(fā)VxWorks實(shí)時應(yīng)用系統(tǒng)的典型配置，如圖1所示：
圖1 VxWorks實(shí)時應(yīng)用開發(fā)的經(jīng)典配置
實(shí)時代碼在主機(jī)上，用Tornado提供的交叉編譯器編譯。通過RTW的Tornado實(shí)時目標(biāo)生成目標(biāo)文件(vxmodel.lo)，可通過Tornado集成開發(fā)環(huán)境的WindSh下載到VxWorks目標(biāo)機(jī)。實(shí)時程序在VxWorks目標(biāo)機(jī)上執(zhí)行，通過IO設(shè)備和外部硬件交換數(shù)據(jù)，并保持和主機(jī)之間的相互通信。
實(shí)時程序運(yùn)行在VxWorks目標(biāo)機(jī)上，而Simulink運(yùn)行在主機(jī)上。Simulink需要VxWorks目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的任務(wù)來處理通信過程。Tornado（VxWorks）Real-Time Tartget生成如下VxWorks任務(wù)：一個用于和Simulink通信，其他用于完成模型功能[2]。
3、Tornado(VxWorks)實(shí)時目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程
3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
我的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下表：
表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
3.2 實(shí)時目標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)步驟
為了通過Real-Time Workshop實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行一個基于VxWorks的實(shí)時程序，用戶可按如下的步驟進(jìn)行：
(1) 在Matlab/Simulink下建立一個模型，這里以一個經(jīng)典的PID模型為例：
圖2 實(shí)驗(yàn)所采用的經(jīng)典PID模型
模型采用外部工作模式（External Mode），并設(shè)置Simulink Parameters對話框中的參數(shù)：
圖3 仿真參數(shù)Solver設(shè)置
圖4 仿真參數(shù)Real-Time Workshop設(shè)置
圖5 仿真參數(shù)code generation options設(shè)置
(2) 配置模板聯(lián)編連文件tornado.tmf，該文件位于%matlabroot%/rtw/c/tornado目錄下，要對這個文件作如下修改：
#------------ Macros read by make_rtw -------------
MAKECMD = C:Tornado2.2hostx86-win32 inmake
HOST = PC
#-------------Tool Locations-----------------------------
WIND_BASE= C:Tornado2.2
WIND_REGISTRY=$(COMPUTERNAME)
WIND_HOST_TYPE=x86-win32
#------------Vxworks Configuration------------------
VX_TARGET_TYPE = pentium
CPU_TYPE = PENTIUM2
#-------------Macros for Downloading to Target-----
TARGET=target
TGTSVR_HOST=host
VX_CORE_LOC = $(WIND_BASE)/target/config/ pcPentium3/vxWorks
(3) 程序的生成、編譯、連接
設(shè)置完參數(shù)，保存后，開始創(chuàng)建程序，單擊上圖中的Build按鈕，開始編譯程序，成功后可在當(dāng)前的目錄中產(chǎn)生了一個vxmodel_tornado_rtw的文件夾和一個目標(biāo)文件vxmodel.lo。
(4) 手動下載和運(yùn)行可執(zhí)行文件
現(xiàn)在可以將實(shí)時程序下載到目標(biāo)機(jī)中，具體的方法是在Tornado集成開發(fā)環(huán)境中啟動WindSh，在WindSh窗口執(zhí)行如下命令：
ld<vxmodel.lo
請注意要保證lo文件在WindSh的工作路徑下。VxWorks實(shí)時程序定義了一個函數(shù)rt_main()，用來創(chuàng)建和執(zhí)行模型代碼、完成與Simulink的通信（如果選擇了外部模式方式）。rt_main函數(shù)在文件rt_main.c中定義，這個文件位于目錄%matlabroot% twc ornado中。
在WindSh窗口中調(diào)用rt_main函數(shù)，開始運(yùn)行程序：sp(rt_main,vxmodel,"-tf 100 -w ","*",0,30,17725)
參數(shù)的含義分別是：
rt_main()是實(shí)時程序定義的函數(shù)，用來產(chǎn)生任務(wù)執(zhí)行代碼和與Simulink進(jìn)行通信；?
-tf用于指定仿真時間，此處設(shè)為100秒；?
-w表示在外部模式時，運(yùn)行前等待來自Simulink消息的觸發(fā)；?
“*”為安裝所有的信號；?
0表示使用各自的模塊名；?
30表示使用默認(rèn)作為tBaseRate優(yōu)先級；?
17725為TCP默認(rèn)端口號（可以設(shè)置在256~65535之間）。?
運(yùn)行后我們可以看到目標(biāo)機(jī)上的屏幕上顯示：
waiting for start message from host
(5) 建立連接
在External Target Interface對話框中的MEX-file arguments指定目標(biāo)機(jī)的IP、冗長度和TCP端口號，如圖6所示，就可以建立連接了。
圖6 External Target Interface對話框設(shè)置
打開External Mode Control Panel，如圖7所示。點(diǎn)擊Connect按鈕，執(zhí)行Start real-time code，可以看到Scope上的圖形輸出。此時，可以改變模型的參數(shù)（如增益的數(shù)值），參數(shù)下載后Scope的曲線將隨之改變。仿真時間結(jié)束以后，可以看到產(chǎn)生了一個external.mat文件，由目標(biāo)機(jī)會傳到主機(jī)，放在Tornado的安裝根目錄下。
圖7 External Mode Control Panel對話框
4、結(jié)論
針對Matlab的仿真特性和VxWorks操作系統(tǒng)的實(shí)時特點(diǎn)，本文介紹了RTW面向Tornado(VxWorks)實(shí)時目標(biāo)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)，并且較為詳細(xì)的闡述了Tornado(VxWorks)實(shí)時目標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)流程，實(shí)現(xiàn)了Simulink在Tornado(VxWorks)實(shí)時目標(biāo)下的仿真。
在結(jié)合相關(guān)文檔的同時，筆者加入了親身實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，增補(bǔ)了一些必要的內(nèi)容，完善了實(shí)驗(yàn)的具體步驟，降低了為讀者今后實(shí)驗(yàn)的調(diào)試難度