windows平台下磁悬浮轴承实时控制系统的研究new

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1、http://www.paper.edu.cn1Windows平台下磁悬浮轴承实时控制系统的研究陈普辉，徐龙祥南京航空航天大学机电学院，南京（210016）E-mail：chenpuhui@nuaa.edu.cn摘要：本文文分析了Windows平台下实时控制的特点，比较了硬件中断处理的两种方法。通过分析磁悬浮轴承系统的控制要求，采用编写设备驱动程序（VxD）处理硬件中断的方案，实现了Windows98平台下的实时控制。经过实际调试和运行，证明该方法是有效的，对开发通用的工控软件具有借鉴意义。关键词：VxD，实时控制，Windows，PCI，磁悬浮轴承中图分类号：TP3161．引言随着

2、磁悬浮轴承技术的飞速发展，对控制器的要求越来越高。当前，在磁悬浮轴承的控制领域，还没有基于Windows平台的实时控制系统，这主要是由于Windows在实时处理方面的弊端让很多技术人员望而却步，纷纷转而采用DOS和RTLinux等操作系统。但是DOS作为单任务实时系统，人机交互界面差，没有网络功能，RTLinux也不是一种通用操作系统，用户需要学习操作系统后才能使用，并且第三方的软件和硬件支持不足。同时由于在实时控制中往往涉及图形、图像和实时数据的显示、人机交互的用户接口等功能，而作为操作系统主流的Windows为应用程序的开发者提供了丰富的内部接口函数，很容易直接构造出一个界面，从

3、而使开发者可以把主要精力放在程序的功能上，大大节省开发时间和难度；对于用户来说，Windows的标准界面减少了用户培训的时间。因此，Windows操作系统下的实时控制方案必将成为一种趋势[1]。然而Windows作为一种基于消息的非抢先式多任务操作系统，设计初衷面向的是商业办公自动化，注重的是多任务平均处理性能，而实时控制中更注重个体任务处理性能，将其作为实时控制系统平台有很多困难与挑战，需要采取特殊的手段来实现一定范围内的实时控制。美国的Ardence公司开发出基于Windows操作系统的实时扩展子系统RTX，在军工实时控制领域得到广泛运用，如爱国者导弹测试平台、美国海军Musti

4、n和Chafee驱逐舰控制系统都是用RTX开发的[2]。Windows操作系统主要有两种体系结构：以Windows98为代表的虚拟机体系结构和以WindowsNT为代表的客户/服务器体系结构。现在常用的Windows2000和WindowsXP操作系统均为客户/服务器体系结构，这种体系结构对底层硬件操作的限制更加严格，对一般用户来讲，在这类操作系统下实现实时控制的难度很大，通常都要借助专用的商业实时扩展子系统RTX，但其费用高达数万美元。本文基于实际工作中遇到的问题，对基于Windows9x下的磁悬浮轴承实时控制系统进行了研究。2．Windows9x用于实时控制的解决方案基于Wind

5、ows9x的实时控制系统的解决方案是产生高精度的定时中断，在中断响应中实现实时控制。在磁悬浮控制系统中,控制周期是100us，要求10KHz定时中断频率.要实现实时控制，首先要获得高精度的定时器，它负责产生定时中断，实时推进控制进1本课题得到教育部博士点基金（20030287012）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn程。在Windows9x下获得定时器的方法有两种：基于软件中断的方法和基于硬件中断的方法。基于软件中断的方法最高可以获得精度为1ms的定时信号，即最高可以产生频率为1KHz的中断信号，不满足磁悬浮系统10KHz的控制频率要求。因此采用基于硬件中断

6、的方法，即外部硬件时钟电路产生精确的定时触发信号，将该触发信号作为一个硬件中断。为此，设计了一个基于PCI接口的数据控制卡，该卡上的DSP2407芯片可以提供最高频率为10MHz的定时触发信号，满足磁悬浮系统10KHz的控制频率要求。DSP2407的定时器定时触发A/D转换，A/D转换完毕后向PC机的中断控制器发送中断请求信号，将需要实时处理的内容放入中断处理程序中，就可以达到实时控制的目的。整个流程如图1所示。图1系统数据处理流程Windows9x平台上实现硬件中断处理的方法有两种：编写自己设备驱动程序（VxD）方式和使用动态连接库（DLL）方式。Windows是多任务操作系统，它

7、需要保护物理设备不受未经允许的访问。因此Windows系统屏蔽了运行在Ring3特权级的应用程序对底层硬件的直接操作和访问，由运行在Ring0特权级的操作系统管理程序统一管理所有的硬件资源和硬件访问。动态链接库DLL运行在Ring3特权级下，而VxD运行在Ring0特权级下。因此相对于DLL方式而言，VxD可以执行特权级指令，对任何I/O设备有全部访问权，对中断的控制更加灵活，并且中断处理器在Ring0特权级直接调用VxD，可以避免级间切换所付出的时间延迟