標(biāo)題：實(shí)時(shí)仿真與嵌入式系統(tǒng)

1、前言

    對(duì)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(shí)應(yīng)用。Tornado是美國WindRiver公司為用戶提供的嵌入式開發(fā)平臺(tái)，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(shí)操作系統(tǒng)。VxWorks的實(shí)時(shí)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?cè)斐傻难舆t很短。VxWorks提供的多任務(wù)機(jī)制對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)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(shí)性，使同樣的硬件配置能夠滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)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(gè)重要的補(bǔ)充功能模塊，它是一個(gè)基于Simulink的代碼自動(dòng)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(gè)性化的代碼，并根據(jù)目標(biāo)配置自動(dòng)生成多種環(huán)境下的程序。

    RTW提供了幾個(gè)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(dòng)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(shí)目標(biāo)運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)

    開發(fā)VxWorks實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的典型配置，如圖1所示：

圖1 VxWorks實(shí)時(shí)應(yīng)用開發(fā)的經(jīng)典配置

    實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)用于和Simulink通信，其他用于完成模型功能[2]。

    3、Tornado(VxWorks)實(shí)時(shí)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(shí)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(gè)基于VxWorks的實(shí)時(shí)程序，用戶可按如下的步驟進(jìn)行：

    (1) 在Matlab/Simulink下建立一個(gè)模型，這里以一個(gè)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(duì)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(duì)這個(gè)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(gè)vxmodel_tornado_rtw的文件夾和一個(gè)目標(biāo)文件vxmodel.lo。

    (4) 手動(dòng)下載和運(yùn)行可執(zhí)行文件

    現(xiàn)在可以將實(shí)時(shí)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(dòng)WindSh，在WindSh窗口執(zhí)行如下命令：

    ld<vxmodel.lo

    請(qǐng)注意要保證lo文件在WindSh的工作路徑下。VxWorks實(shí)時(shí)程序定義了一個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)間，此處設(shè)為100秒；?
    -w表示在外部模式時(shí)，運(yùn)行前等待來自Simulink消息的觸發(fā)；?
    “*”為安裝所有的信號(hào)；?
    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(jí)；?
    17725為TCP默認(rèn)端口號(hào)（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(duì)話框中的MEX-file arguments指定目標(biāo)機(jī)的IP、冗長度和TCP端口號(hào)，如圖6所示，就可以建立連接了。

圖6 External Target Interface對(duì)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(shí)，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(shí)間結(jié)束以后，可以看到產(chǎn)生了一個(gè)external.mat文件，由目標(biāo)機(jī)會(huì)傳到主機(jī)，放在Tornado的安裝根目錄下。

圖7 External Mode Control Panel對(duì)話框

    4、結(jié)論

    針對(duì)Matlab的仿真特性和VxWorks操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特點(diǎn)，本文介紹了RTW面向Tornado(VxWorks)實(shí)時(shí)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(shí)目標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)流程，實(shí)現(xiàn)了Simulink在Tornado(VxWorks)實(shí)時(shí)目標(biāo)下的仿真。

    在結(jié)合相關(guān)文檔的同時(shí)，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