Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺下壓鑄機控制系統(tǒng)的研究

阜新遼寧工程技術大學點氣工程系(123000)
呂振 劉寶良 陳國志 孟令航

Ｗｉｎｄｏｗｓ是一個基于消息的非搶先式多任務操作系統(tǒng)，將其用于壓鑄機實時控制，有很多的困難與挑戰(zhàn)。本文薦于實際工作中遇到的問題，對基于Ｗｉｎｄｏｗｓ的壓鑄機控制系統(tǒng)進行了研究。

１ Ｗｉｎｄｏｗｓ的運行機制

Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ操作系統(tǒng)由內(nèi)核、設備驅(qū)動程序和大量的動態(tài)鏈接庫及應用程序組成。Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ操作系統(tǒng)的結構如圖１所示。Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ內(nèi)核與設備驅(qū)動程序運行在保護模式的Ｒｉｎｇ０級，稱為態(tài)；而一般應用程序與動態(tài)鏈接庫運行在Ｒｉｎｇ３級，稱為用戶態(tài)。熟悉８０３８６保護模式體系的人都知道，Ｒｉｎｇ３代碼不能直接調(diào)用Ｒｉｎｇ０代碼，在Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ操作系統(tǒng)中與硬件設備打交道的程序代碼必須運行在態(tài)Ｒｉｎｇ０級。運行在用戶態(tài)Ｒｉｎｇ３級的代碼必須通過態(tài)Ｒｉｎｇ０級代碼才能訪問硬件。即使在用戶態(tài)Ｒｉｎｇ３級執(zhí)行的所謂輸入輸出指令ｉｎ、ｏｕｔ等實際上也隱含調(diào)用了態(tài)Ｒｉｎｇ０級代碼才得以執(zhí)行。Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ由內(nèi)核統(tǒng)一管理所有的系統(tǒng)資源。在保護模式下運行時，創(chuàng)建特定的內(nèi)存區(qū)域--虛擬機ＶＭ。每個虛擬機都有完整的地址空間、Ｉ／Ｏ空間以及中斷向量表等系統(tǒng)資源。真正的系統(tǒng)--虛擬機管理程序ＶＭＭ以時間片中斷調(diào)度各個虛擬機，這是多任務的本質(zhì)和要求。

由以上分析，開發(fā)基于Ｗｉｎｄｏｗｓ的工控系統(tǒng)，需要解決的兩個關鍵問題是：

(１)實時性

實時性要求開發(fā)的系統(tǒng)能實時處理中斷，并能處理定時事件。但Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ是一個基于消息機制的非搶先式多任務操作系統(tǒng)，而且設計初衷是面向事務處理，對多任務和圖形用戶界面的支持難免使得系統(tǒng)運行速度下降；其保護系統(tǒng)和內(nèi)核運行機制也使用于系統(tǒng)切換的時間無法確定。通常，Ｗｉｎｄｏｗｓ下的中斷響應時間是ＤＯＳ下的１／２０；基于消息的機制和非剝奪性，當消息隊列中的某個消息沒有響應時，整個系統(tǒng)處于阻塞狀態(tài)，無法響應其他操作。事實上，一個基于Ｗｉｎｄｏｗｓ的實時操作系統(tǒng)，以下三個時間是非常重要的：

·中斷由操作系統(tǒng)和設備驅(qū)動程序屏蔽的時間；

·設備驅(qū)動程序處理中斷的時間；

·從中斷開始到任務執(zhí)行的中斷延遲。

通常情況下，這些參數(shù)都是不可預測的，只能通過具體的實驗進行確定。這不但加大了實時應用系統(tǒng)的難度，而且是系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要因素。

(２)設備相關性

設備相關性是指系統(tǒng)能很好地控制硬件，包括Ｉ／Ｏ端口的讀寫、內(nèi)存直接讀寫和中斷服務設備無關性問題，亦即Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ下直接訪問外設的問題。但是，因為Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ是多任務操作系統(tǒng)，設備保護在Ｗｉｎｄｏｗｓ下是必需的。它的保護系統(tǒng)用來保護用戶數(shù)據(jù)和程序不受同一系統(tǒng)內(nèi)同時運行的其他程序的干擾，保護物理設備不受未經(jīng)允許的訪問。Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)的一個重要宗旨就是程序員對硬件操作的透明性，屏蔽了對底層硬件的直接訪問，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理所有的硬件資源和硬件訪問。這使得Ｗｉｎｄｏｗｓ一般用戶在Ｗｉｎｄｏｗｓ下完成硬件操作具有較大的難度。 ２ Ｗｉｎｄｏｗｓ下壓鑄機實時控制的實現(xiàn)

２．１ 壓鑄機系統(tǒng)的功能和要求

Ｊ１１２８０型臥式冷室壓鑄機控制系統(tǒng)，主要的性能要求是：

·能夠完成調(diào)整、聯(lián)動兩種工作機制；

·壓鑄工作過程的某些過程和工作參數(shù)具有實時動態(tài)可調(diào)性和可選性；

·具有對壓鑄過程中各個行程開關、按鈕、繼電器等狀態(tài)實時監(jiān)控和顯示功能；

·實時檢測合型力、壓射速度和油壓，用實時曲線顯示，具備保存和打印的功能；

·實時故障診斷與故障處理的功能。

壓鑄機控制系統(tǒng)結構見圖２。其中，合型力檢測的采樣周期為０．５ｍｓ油壓檢測的采樣周期為５ｍｓ，位移傳感器接觸壓射桿產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)變換處理作為壓鑄機的外部中斷，配合Ａ／Ｄ板卡上的８２５３計數(shù)器，完成速度檢測?？梢钥闯?，由于控制過程采樣周期極短，并有大量的數(shù)據(jù)計算和邏輯判斷以及在線動態(tài)檢測、監(jiān)視和參數(shù)調(diào)整，整個系統(tǒng)對實時性的要求很高。

２．２ 使用設備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)實時控制

設備驅(qū)動程序作為操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，處于Ｒｉｎｇ０層，具有直接操作硬件等特權。在實時控制中，中斷技術應用得十分廣泛，其中實時時鐘的獲得基本上都是通過中斷來實現(xiàn)。時鐘控制在實時控制中處于十分重要的地位，它負責推進控制過程、激活各控制任務或發(fā)相關控制消息，起到了總控制器的作用。在Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ下實時時鐘的獲得可以有不同的方法。設置Ｗｉｎ３２定時器并通過響應ＷＭ＿ＴＩＭＥＲ消息進行實時處理是簡單的方法。但是由于ＷＭ＿ＴＩＭＥＲ消息的低優(yōu)先級和未處理消息在消息隊列中的排隊造成了系統(tǒng)實時處理的不穩(wěn)定，因此這種方法只適合實時性要求不高的應用。若采用Ｗｉｎｄｏｗｓ多媒體定時器，通過設置回調(diào)函數(shù)可以獲得為１ｍｓ的定時信號；但是由于占用了系統(tǒng)寶貴的資源，而且當定時信號由用戶提供或需要更高的中斷頻率時，這種方法就顯得無能為力了。與類似軟件中斷的方法相比，基于硬件中斷的方法占據(jù)了主導地位，并在絕大多數(shù)的實時系統(tǒng)中得到了應用。因為它保證了對實時控制系統(tǒng)至關重要的可靠性。

經(jīng)過筆者探索，在Ｗｉｎｄｏｗｓ９ｘ環(huán)境下，在虛擬設備驅(qū)動程序中對硬件直接編程并掛接中斷的思路，有兩種實現(xiàn)方法：

(１)對８２５３直接編程

８２５３定時器是計算機跳動的心臟，在計算機系統(tǒng)進入Ｗｉｎｄｏｗｓ前對８２５３重新編程，將周期從１８．２ｓ修改為所希望的周期。修改ＩＮＴ８中斷服務程序，每次定時時間到就調(diào)用另一新中斷號，并累計時間；若為５５ｍｓ，則轉(zhuǎn)入舊ＩＮＴ ８中斷服務程序的入口進入Ｗｉｎｄｏｗｓ以后掛接新的時鐘中斷即可實現(xiàn)所希望的定時時鐘。使用這種方法可以滿足任意。 (２)對ＣＭＯＳ實時時鐘直接編程

與上述方法相比，對ＣＭＯＳ實時時鐘進行編程獲得定時中斷的方法顯得更加優(yōu)越，所需的硬件知識相對較少，操作也相對簡便。在ＰＣ機中，ＣＭＯＳ實時時鐘似乎是沒有現(xiàn)成的虛擬設備驅(qū)動程序的ＰＣ機硬件設備，所以可以直接開發(fā)ＶｘＤ驅(qū)動程序來操作實時時鐘。通常，實時時鐘芯片的基本頻率初始化為３２．７６８ｋＨｚ，由它驅(qū)動內(nèi)部時鐘電路，同時對內(nèi)部寄存器Ａ(Ｄ３～Ｄ０)編程選擇２２個分頻級之一，使其按確定的頻率以寄存器Ｂ指定的方式周期性地輸出方波或中斷信號，作為實時鐘中斷信號經(jīng)反向直接連到８２５９Ａ－５從片的第０級--ＩＲＱ８然后把實時任務直接掛接到實時鐘中斷上，在中斷處理函數(shù)中進行實時任務處理。使用這種方法可獲得８．１９２ｋＨｚ周期為０．１ｍｓ的中斷頻率，足以滿足系統(tǒng)的要求。需要注意：與上述方法類似，掛接中斷時，進入自己的中斷前必須保護好原先的中斷狀態(tài)，退出時恢復，否則，系統(tǒng)將崩潰。

無論使用哪種方法，都不可避免地與Ｗｉｎｄｏｗｓ中斷打交道。但是，ＶｘＤ沒有義務必須向系統(tǒng)傳遞中斷消息，相反，它完全可以自己截獲中斷，進行實時處理。本文采用了對ＣＭＯＳ時鐘直接編程的方法，運行良好。 總之，使用虛擬設備驅(qū)動程序直接控制硬件，解決了Ｗｉｎｄｏｗｓ環(huán)境下的設備無關性問題，同時保證了實時控制所需要的實時時鐘和中斷控制。但是，虛擬設備驅(qū)動程序編程要求技術人員對Ｗｉｎｄｏｗｓ內(nèi)核比較清楚，對底層硬件比較了解，也需要一定的匯編知識。由于Ｗｉｎｄｏｗｓ內(nèi)核資料非常少且大都較晦澀，有關ＶｘＤ編程的部分更是艱深，所以使用這種方法有相當?shù)碾y度。而且這種方法易給系統(tǒng)帶來隱患，有可能造成Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)本身不穩(wěn)定，還要考慮兼容性和效率問題，在實際開發(fā)時需要小心謹慎。 ２．３ 保證系統(tǒng)性能的其他技術

上一小節(jié)解決了重要的實時性和設備相關性的問題，但是，考慮效率和性能，本系統(tǒng)研究了有關的增強系統(tǒng)性能的技術。實踐證明，效果比較明顯。

(１)多線程

Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)的基本單元是線程，線程是可供系統(tǒng)調(diào)用的單元。一個進程可有多個線程，系統(tǒng)調(diào)度程序?qū)ⅲ茫校盏臅r間片劃分給各個線程，各個線程在各自的時間片內(nèi)使用ＣＰＵ，從而實現(xiàn)了微觀上的輪流執(zhí)行和宏觀上的并發(fā)執(zhí)行。在實時性要求很高的工控系統(tǒng)中，如何避免程序反應遲鈍以及死鎖問題是關鍵之一。利用多線程技術，是提高效率的有效途徑，不僅可以挖掘潛在的ＣＰＵ空閑時間，還可以提高程序的反應速度。這在有多個任務需要完成且有巨大數(shù)據(jù)流量的程序中反映尤其明顯。根據(jù)系統(tǒng)要求，本主控制臺程序?qū)崿F(xiàn)了一個控制系統(tǒng)主要運行過程的主線程、一個負責壓鑄機工作過程的壓鑄過程線程(工作者線程)和一個實現(xiàn)速度壓力曲線的顯示線程(用戶界面線程)。主線程在每個Ｗｉｎｄｏｗｓ應用程序啟動時由操作系統(tǒng)創(chuàng)建，不可或缺。在主線程中，主要負責線程間的同步、向壓鑄過程線程和顯示線程傳遞參數(shù)、管理人機界面、故障處理與實時檢測、與用戶交互等功能。顯示線程負責從共享內(nèi)存讀出數(shù)據(jù)并以動態(tài)曲線的形式在屏幕上繪制，保存實時曲線作為歷史紀錄以及讀取曲線歷史紀錄的功能。壓鑄過程線程控制壓鑄機的整個工作過程，包括數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、算法實現(xiàn)及相關的處理。實踐證明，多線程的使用，明顯提高了系統(tǒng)特別是實時顯示的性能，增強了系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

(２)共享內(nèi)存

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到各模擬通道采樣值的轉(zhuǎn)換結果后，應存放在一個規(guī)定的ＲＡＭ區(qū)。由于Ｗｉｎ３２程序和虛擬驅(qū)動程序都需要直接訪問此內(nèi)存ＲＡＭ區(qū)，故稱為共享內(nèi)存。有經(jīng)驗的程序員都很清楚Ｗｉｎｄｏｗｓ的內(nèi)存分頁管理機制，所以應該由ＶｘＤ中斷功能程序申請后與Ｗｉｎ３２程序共享，原因不言自明。在ＶｘＤ中申請連續(xù)內(nèi)存的函數(shù)一般使用：ＢＯＯＬ ＰａｇｅＡｌｌｏｃａｔｅＤＷＯＲＤ ｎＰａｇｅｓＤＷＯＲＤ ｐＴｙｐｅＶＭＨＡＮＤＬＥ ｈＶＭＤＷＯＲＤ ＡｌｉｇｎＭａｓｋＤＷＯＲＤ ｍｉｎＰｈｙｓＤＷＯＲＤ ｍａｘＰｈｙｓＰＶＯＩＤ ＰｈｙｓＡｄｄｒＤＷＯＲＤ ＦｌａｇｓＰＭＥＭＨＡＮＤＬＥ ｐＨａｎｄｌｅＰＰＶＯＩＤ ｐＡｄｄｒｅｓｓ。注意：必須明確指定ｐＴｙｐｅ為開辟ＶｘＤ和Ｗｉｎ３２應用程序共享內(nèi)存的ＰＧ＿ＶＭ，其他常量不可??；必須指定Ｆｌａｇｓ為不會被系統(tǒng)分頁交換的ＰＡＥＧＥＬＯＣＫＥＤ；Ｈｖｍ為使用此循環(huán)寄存器區(qū)的Ｗｉｎ３２應用程序虛擬機句柄，須在使用ＰａｇｅＡｌｌｏｃａｔｅ前傳到申請內(nèi)存的ＶｘＤ。 只要緩沖區(qū)足夠大，即使在采集頻率非常高的情況下，中斷程序填滿一個子緩沖區(qū)的時間也會比較長，而處理線程進行處理和存盤的時間相對比較短。因此，中斷程序和處理線程可以并行地訪問緩沖區(qū)而不會發(fā)生交疊，即中斷程序訪問的子緩沖區(qū)與處理線程訪問的子緩沖區(qū)總是不同的。這樣，就可以在不丟失任何數(shù)據(jù)的情況下實現(xiàn)長時間連續(xù)高速采集。實際相當于在ＰＣ機的內(nèi)存中開辟了一片ＦＩＦＯ隊列。與硬件ＦＩＦＯ相比，這種方法大大降低了成本。而且，由于將其放在內(nèi)存中，可以輕易地得到非常大的ＦＩＦＯ隊列，減輕了數(shù)據(jù)處理的負擔。另外，由于采用了雙緩沖的結構，避免了數(shù)據(jù)訪問的交疊，實現(xiàn)了不丟失任何數(shù)據(jù)的長時間連續(xù)高速采集。當然，由于采用中斷方式采集數(shù)據(jù)，每次采集都要占用ＣＰＵ時間使采集速度受到一定限制，無法達到采用硬件ＦＩＦＯ隊列的水平。 (３)ＡｃｔｉｖｅＸ

ＡｃｔｉｖｅＸ控件作為一種可重用的軟件部件和一種標準接口元素，能方便地組裝到應用程序中，快速創(chuàng)建應用程序界面，從而直觀地實現(xiàn)控制組態(tài)和策略解釋，非常便于工程技術人員掌握。本系統(tǒng)中，實現(xiàn)了一個數(shù)據(jù)顯示功能的ＡｃｔｉｖｅＸ控件，并掛接在顯示線程中，通過它支持的屬性、方法和事件機制，控制數(shù)據(jù)顯示，極大地改善了速度壓力曲線的顯示性能。 (４)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡ＰＩＤ控制

智能控制特別是模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術發(fā)展迅速，將其應用于復雜模型和惡劣工況下的過程控制，具有理論優(yōu)勢，也是難點和熱點；另一方面，傳統(tǒng)的ＰＩＤ控制也不斷發(fā)展和完善，出現(xiàn)了各種與先進方法和理論結合的新型ＰＩＤ算法；，以前的壓鑄機系統(tǒng)盡管運行穩(wěn)定，但是基于開環(huán)算法，控制性能不理想。筆者通過研究和學習國內(nèi)外相關的理論和實踐，從現(xiàn)場實際控制的角度，給出了一種集模糊控制、神經(jīng)元控制和ＰＩＤ控制三者優(yōu)勢于一身的新型控制算法的實現(xiàn)，大大提高了系統(tǒng)的性能，獲得了滿意的效果，限于篇幅，另文著述。 ３ 系統(tǒng)的總體框架

依據(jù)上述各種技術，使用Ｎｕｍｅｇａ公司的ＶｔｏｏｌｓＤ工具開發(fā)了底層的虛擬設備驅(qū)動程序，使用ＶＣ＋＋６．０開發(fā)用戶界面程序，在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８環(huán)境下，實現(xiàn)了２８００噸Ｊ１１２８０型臥式冷室壓鑄機控制系統(tǒng)的設計，并在阜新壓鑄機廠通過了測試，運行穩(wěn)定、操作簡便、界面友好、功能齊全、實踐證明是一個比較成功的工控系統(tǒng)，圖３是主控制臺總體框架圖。

參考文獻

１ [美]Ｄａｖｉｄ Ａ． Ｓｏｌｏｍｏｎ著，北京博彥科技發(fā)展有限公司譯．Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ技術內(nèi)幕第２版·Ｍ．北京：清華大學出版社，１９９９

２ 武安河 周利莉． Ｗｉｎｄｏｗｓ設備驅(qū)動程序(ＶｘＤ與ＷＤＭ)開發(fā)實務Ｍ．北京電子工業(yè)出版社２００２

３ 喬 林楊志剛． Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ ６．０編程技術ＭＦＣ與多線程篇Ｍ．北京中國鐵道出版社２０００

本文摘自《電子技術應用》