Giotto軟件在實(shí)時(shí)嵌入式控制中的應(yīng)用

摘要 介紹應(yīng)用于實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)的新型軟件Giotto，并應(yīng)用于工業(yè)自主小車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。Giotto支持控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，將與平臺(tái)無關(guān)的功能和時(shí)限從與平臺(tái)相關(guān)的調(diào)度和通信事件中分離。Giotto基于時(shí)間觸發(fā)的任務(wù)調(diào)用和模式轉(zhuǎn)換具有可預(yù)報(bào)性，尤其適合于有硬實(shí)時(shí)約束的嵌入式控制。
關(guān)鍵詞 Giotto 實(shí)時(shí)嵌入式控制 自主小車

引 言
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)的生產(chǎn)和管理方式進(jìn)入了生產(chǎn)自動(dòng)化、控制智能化時(shí)代，特別是分布嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，更加需要標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)的控制模塊和I/O功能模塊，以便系統(tǒng)集成，構(gòu)建適應(yīng)于惡劣環(huán)境的復(fù)雜分布式系統(tǒng)。實(shí)時(shí)嵌入式軟件模塊適合于沒計(jì)復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，它支持分布的、異構(gòu)設(shè)備的系統(tǒng)建摸和構(gòu)造。嵌入式模塊的作用是提供使復(fù)雜性容易處理的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，基于Giorio的嵌入式控制設(shè)汁更適合具有硬實(shí)時(shí)控制約束的應(yīng)用。本文中，平臺(tái)指硬件結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和通信協(xié)議，由CPU、傳感器、執(zhí)行器和網(wǎng)絡(luò)組成。與平臺(tái)無關(guān)的事件包括應(yīng)用功能和時(shí)限，與平臺(tái)相關(guān)的事件包括時(shí)序安排、通信和物理特性。

1 Giotto編程特點(diǎn)
    傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)嵌入式軟件設(shè)計(jì)是在抽象的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，控制工程師根據(jù)對(duì)象行為和環(huán)境影響，利用求解模型的軟件工具，得到模型的功能和性能，然后交給軟件工程師針對(duì)給定的平臺(tái)寫出代碼，并在給定的平臺(tái)上檢驗(yàn)和優(yōu)化代碼，直到得出滿意的時(shí)間行為。在這個(gè)過程中，常常丟失了模型和代碼之間緊密的對(duì)應(yīng)關(guān)系，放棄了軟件的復(fù)硝性，增加了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，因而產(chǎn)生的軟件是弱化的，難于在不同的平臺(tái)上應(yīng)用。

    基于Giotto的嵌入式控制軟件設(shè)計(jì)將功能程序從特定平臺(tái)分離，將時(shí)限從功能中分離，其與平臺(tái)無關(guān)性使得它具有更好的實(shí)時(shí)性、可靠性及可復(fù)用性，更適合嵌入式實(shí)時(shí)分布系統(tǒng)。圖l為基于Giotto的嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖。首先，控制工程師和軟件工程師就控制設(shè)計(jì)的功能和時(shí)限達(dá)成一致，設(shè)計(jì)一個(gè)Giotto程序；然后，軟件工程師使用Giotto編譯器產(chǎn)生一個(gè)可執(zhí)行代碼，該代碼能連接Giotto運(yùn)行時(shí)間庫(kù)，將程序映射到給定的平臺(tái)。Giotto運(yùn)行時(shí)間庫(kù)提供一個(gè)時(shí)序安排和通信的中間層，這一層定義了Giotto可執(zhí)行程序與平臺(tái)之間的接口。目前已經(jīng)建立了一個(gè)Giotto運(yùn)行時(shí)間庫(kù)，用于Intel x86機(jī)上Wind River的VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

2 Giotto編程技術(shù)
    Giotto是一種與平臺(tái)無關(guān)，且在特定控制領(lǐng)域應(yīng)用中具有高水平的編程語言。Giotto的設(shè)計(jì)用于高要求的控制應(yīng)用，這些應(yīng)用要求周期性地瀆取傳感器，調(diào)用任務(wù)，更新執(zhí)行和模式轉(zhuǎn)換。Giotto基于時(shí)間觸發(fā)編程，從傳感器到CPU以及CPU到執(zhí)行器之問的通信由全局時(shí)鐘觸發(fā)，使其具有可預(yù)報(bào)性。Giotto程序不指定與平臺(tái)相關(guān)的部分，如優(yōu)先權(quán)、通信等。其優(yōu)點(diǎn)是與具體的執(zhí)行平臺(tái)無關(guān)，能與任何實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、調(diào)度運(yùn)算法則以及實(shí)時(shí)通信協(xié)議兼容。

    Giotto的兩個(gè)核心組成部分是：周期性的任務(wù)調(diào)用和模式轉(zhuǎn)換。一個(gè)Giotto程序指定一系列的模式，每一種模式又包含一系列的任務(wù)和模式轉(zhuǎn)換。每一時(shí)刻，程序都執(zhí)行在特定的模式P下，每個(gè)P模式轉(zhuǎn)換包含1個(gè)評(píng)估函數(shù)和1個(gè)目標(biāo)模式Q，只有評(píng)估函數(shù)為真時(shí)系統(tǒng)才轉(zhuǎn)換為新模式Q。

    Giotto任務(wù)是一項(xiàng)劇期性的工作，其輸入和輸出端幾分別在任務(wù)周期的啟動(dòng)和結(jié)束時(shí)更新，但Giotto任務(wù)不一定要在周期開始時(shí)啟動(dòng)，只需在周期內(nèi)啟動(dòng)和完成。圖2(a)顯示了運(yùn)行在同一個(gè)CPU上的1個(gè)40ms任務(wù)M和1個(gè)10ms任務(wù)N的時(shí)序，虛線為目前任務(wù)占用CPU的可能情況。在第Oms，M和N都讀取它們輸入端口的值；在第10 ms，任務(wù)N的計(jì)算結(jié)果寫入它的輸出端口，但是N早已結(jié)束執(zhí)行(如圖中虛線所示)；在第40 ms，任務(wù)M的計(jì)算結(jié)果寫入它的輸出端口，但任務(wù)M在第40ms之前已經(jīng)完成執(zhí)行。無論任務(wù)M在0～40 ms的任何時(shí)間完成計(jì)算，任務(wù)N都只會(huì)在第40 ms讀其結(jié)果。

    在Giotto中一個(gè)任務(wù)可以看作是一個(gè)工作單元，一旦開始，就必須要完成。任務(wù)周期沒結(jié)束時(shí)，模式轉(zhuǎn)換不能終止任何任務(wù)。給定一個(gè)Giotto模式P(包括分別由40 ms和10 ms調(diào)用的Giotto任務(wù)M和N)和一個(gè)Giotto模式Q(包括分別由40ms和5ms調(diào)用的Giotto任務(wù)M和R)。圖2(b)顯示了在P模式中的第10ms模式轉(zhuǎn)換被激活的時(shí)序，此時(shí)模式P轉(zhuǎn)換為模式Q。由于P和Q都包含任務(wù)M，所以任務(wù)M不會(huì)終止，但任務(wù)N被周期為5ms的任務(wù)R代替。

3 物流系統(tǒng)自主小車設(shè)計(jì)
    2一自主小車系統(tǒng)包括2個(gè)自主小車，每個(gè)自主小車包含一個(gè)微處理器、馬達(dá)和觸摸式傳感器。設(shè)定在任何時(shí)候只有一個(gè)自主小車是領(lǐng)導(dǎo)者，而其他自主小車是跟隨者。其中，處于領(lǐng)導(dǎo)或避開狀態(tài)的自主小車稱為“領(lǐng)導(dǎo)者”，處于跟隨或停止?fàn)顟B(tài)的自主小車稱為“跟隨者”。當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者被阻礙時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)入避開狀態(tài)，跟隨者進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。進(jìn)入避開狀態(tài)的自主小車執(zhí)行一段避開程序，以避開障礙物，此時(shí)處于停止?fàn)顟B(tài)的自主小車仍停止；當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者完成避開程序返回到領(lǐng)導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，跟隨者返回跟隨狀態(tài)。當(dāng)跟隨者之一被阻礙時(shí)，該自主小車進(jìn)入避開狀態(tài)，其他所有的自主小車進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，被阻礙的這個(gè)自主小車成為新的領(lǐng)導(dǎo)者。圖3顯示了2一自主小車系統(tǒng)的狀態(tài)行為。

    由于自主小車處于領(lǐng)導(dǎo)或避開狀態(tài)時(shí)其他自主小車處于跟隨或停止?fàn)顟B(tài)，因此對(duì)每一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者X使用1個(gè)LeildXFollow模式和1個(gè)EvadeXStop模式。其中，處于LeadlFollow模式時(shí)，自主小車l是領(lǐng)導(dǎo)者；處于Evadelstop模式時(shí)，自主小車l執(zhí)行避開程序。另外，為每個(gè)自主小車X引入一個(gè)stopX模式，它允許自主小車快速停止。runCom1任務(wù)每40 ms運(yùn)行一次存儲(chǔ)于輸出端口 command中的命令。兩個(gè)Giotto任務(wù)rrailerCtrl和trailerCtr2具有l(wèi)Oms的周期，它們根據(jù)command中的命令控制兩個(gè)自主小車的馬達(dá)；command中的數(shù)據(jù)由任務(wù)驅(qū)動(dòng)trailerDrv傳送到任務(wù)trailerCtrl和trailerCtr2的輸入端口。

    系統(tǒng)分別對(duì)自主小車l和2的傳感器不斷地進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)自主小車1被阻礙時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到stopl模式。兩個(gè)自主小車都停止移動(dòng)；完成stopl模式之后系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為EvadelStop模式．此時(shí)自主小車l執(zhí)行避開程序而自主小車2停止不動(dòng)。類似地，當(dāng)自主小車2被阻礙時(shí)，自主小車2經(jīng)過stop2模式后轉(zhuǎn)換到Evade2Stop模式。在EvadelStop模式下，Evadel任務(wù)每一周期計(jì)算一次避開動(dòng)作是否完成以及避開的下一步動(dòng)作；具有10ms周期的任務(wù)trailerCtrl根據(jù)command中避開的步驟去控制自主小車1的馬達(dá)，一旦完成避開動(dòng)作，就轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)eadlFollow模式。

    圖4為系統(tǒng)從LeadlFollow模式到stopl模式，EvadelStop模式和LeadlFollow模式的模式轉(zhuǎn)換時(shí)序圖。到stopl模式的轉(zhuǎn)換發(fā)生在LeadlFollow模式下的第60 ms，自主小車l的傳感器檢測(cè)到障礙，系統(tǒng)由LeadlFollow模式轉(zhuǎn)換為stopl模式．兩個(gè)自主小車執(zhí)行停止程序；完成stopl模式后，在第80 ms系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為另外一個(gè)模式EvadelStop，自主小車1的控任務(wù)立刻被調(diào)用，自主小車l執(zhí)行避開程序，此時(shí)自主小車2仍停止；當(dāng)自主小車1完成避開動(dòng)作后，在第110ms，兩個(gè)自主小車的控制任務(wù)立刻被調(diào)用，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)eadlFollow模式。當(dāng)自主小車2是領(lǐng)導(dǎo)者時(shí)，其模式轉(zhuǎn)換類似。

4 結(jié)論
    在基于Giotto的嵌入式控制設(shè)計(jì)中，時(shí)序程序與功能程序的分離，使Giotto程序與具體的運(yùn)行平臺(tái)無關(guān)，從而提高了程序的健壯性、穩(wěn)定性及代碼的復(fù)用性。Giotto系統(tǒng)中任務(wù)的調(diào)用和環(huán)境變量的檢測(cè)由全局時(shí)鐘觸發(fā)，其時(shí)間行為具有高度可預(yù)報(bào)性，使得Giotto非常適合具有硬實(shí)時(shí)約束的嵌入式控制系統(tǒng)。