vxworks 实时操作系统在 ht-7 极向场控制系统中的应用

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1、VxWorks实时操作系统在HT-7极向场控制系统中的应用王枫罗家融中国科学院等离子体物理研究所合肥230031e_mail:maple@mail.ipp.ac.cn摘要：本文描述了将实时操作系统VxWorks应用到核聚变领域，利用VxWorks优异的实时性和多任务调度实现了对等离子体放电的实时控制，并且给出了在VxWorks下进行实时控制软件开发的过程。关键词：极向场控制系统，实时操作系统，VxWorks，多任务1引言中科院等离子体物理研究所的核聚变装置HT－7，是世界第四大超导托卡马克装置。极向场控制系统是其关键的控制子系统。主要是通过改变三相晶闸管全控桥的触发相位，将交流电

2、压转换成大小不同的直流电压从而实现对等离子体放电实验的各种控制的。由于控制高温等离子体要求非常强的实时性，三相晶闸管全控桥触发相位的改变速度只能有一个毫秒的延迟。这对控制的实时性提出了非常严格的要求。原先的控制系统由上下位机构成，上位机根据现场采集来的各种信号进行一系列复杂的矩阵运算后得出触发相位角，而下位机则根据上位机的结果进行各种处理后发往三相晶闸管全控桥。原系统采用的是x86工控机和DOS操作系统，DOS作为一种已经很落后的单任务操作系统，在内存管理，网络编程，任务调度和软件调试方面都具有难以克服的缺点，随着HT-7实验中等离子体的放电长度的突破，原先的控制系统无法继续满足

3、放电实验的需要，因此迫切需要更换更为先进的操作系统，而VxWorks以其优异的性能成为首选的操作系统。VxWorks是美国WindRiver公司推出的一种潜入式强实时操作系统。主要性能特点有：高度可裁减的微内核，高效的抢占式多任务调度，灵活多样的任务间通信手段，确定的微妙级的中断延迟，完善的网络支持等等。VxWorks已经成为目前最为受欢迎的实时操作系统。2可行性分析原先的控制系统经过数轮实验的考验和改进，在控制方法上已经比较成熟，我们要在尽量保持原先控制方法的基础上进行改造和移植，因此必须对改造进行可行性分析，主要从以下两个方面进行考虑：实时性与确定性。这对于等离子体放电控制是

4、至关重要的，VxWorks具备一个高效的微内核Wind，微内核设计使VxWorks缩减了系统开销并加速了对外部事件的反应，内核的运行非常快速和确定，例如,在68K处理器上上下文切换仅需要3.8微秒。中断等待时间少于3微秒。由于我们采用的是中断方式发出控制信号，这样完全可以保证控制程序的实时响应和运行的确定性。程序的执行时间。由于原先的控制系统采用上下位机的工作方式，上位机需要完成大量计算和数据采集，下位机也要完成部分计算和发出控制信号。在实验中我们发现，这种工作方式给系统带来了额外的不稳定性，因此需要将两台控制机合并为一台。合并以后，我们必须清楚地知道程序在一个控制周期内的CPU

5、执行时间，如果执行时间超出了控制精度1毫秒，就要增加计算机的运算能力或者优化控制算法。VxWorks提供了timex()和timexN()调用可以测量应用程序的执行时间，timexN()可以通过重复执行该程序来完成计时。timex()调用测量一个程序的单次执行时间，对于执行时间非常短的程序，如果被测试程序执行太块，比系统时钟速率还快，测量误差大于50%，测量就没有意义，对于这种情况，应该调用timexN()测试该程序多次执行的时间。Timex()和timexN()测量的是程序体的执行时间，不包含参数传递和子程序进入退出的时间。下表是在VxWorks下测量的控制系统主要计算部分的执

6、行时间。函数名称单次执行时间误差Outangle50微秒<%1Upidip5微秒<%1Upida5微秒<%1Getdata100微秒<%1Gk1main100微秒<%1Gk2main50微秒<%1表1程序执行时间表从表中我们可以看出，主要子程序的执行时间之和远远小于1毫秒，因此控制精度完全可以满足实际要求。3硬件系统结构改造后的控制系统硬件结构如图1所示，控制机运行VxWorks操作系统，服务器运行Windows，二者通过以太网进行通讯和数据传输。控制机中ACL8112采集卡每1毫秒采集6路电磁测量信号并且用PID控制算法计算得到控制输出角度，4块TMC-10定时卡每1.6毫秒发

7、出控制信号，对等离子体进行控制。DIO64卡接收从PLC发出的放电时序信号，以及其他需要实时响应的信号。图1硬件结构图4软件系统开发软件系统主要包括两部分，控制机部分和服务器部分，服务器部分的程序提供友好的人机交互界面，可以进行控制参数的设置以及控制结果的实时反馈显示。每次放电开始之前，控制机通过socket通信从服务器取得预设参数，然后在放电过程中实施自主控制，放电结束后再将实验结果反馈给服务器。通过对等离子体放电时序的分析，我们得到主要的软件流程如图2所示。4.1硬件驱动和中