一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，構(gòu)建了主控管理模塊（主）、控制執(zhí)行模塊（從）、共享內(nèi)存區(qū)構(gòu)成。本發(fā)明利用了多線程和多進(jìn)程技術(shù)，實現(xiàn)模塊在線的加載和卸載，使得功能部署更加方便。同時，更加內(nèi)聚的程序模塊提高了控制策略的執(zhí)行效率，從而達(dá)到更好的實時運(yùn)行效果。本發(fā)明可以將實時控制策略刷新頻率提高到1kHz，同時以超過10kHz的頻率執(zhí)行該控制策略并取得反饋控制結(jié)果。本發(fā)明所采用的器件均選用工業(yè)級貨架產(chǎn)品，具備很好的通用性和可繼承性。
【專利說明】
一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及托卡馬克極向場電源控制方法領(lǐng)域，具體是一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代人類社會對能源的需求量越來越大，而傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等化石能源即將開采殆盡，在不久的將來人類社會必將面臨能源短缺、枯竭的困境。核聚變能源作為解決人類能源問題的重要途徑正變得越來越重要。托卡馬克是實現(xiàn)聚變發(fā)電的有效途徑之一，極向場系統(tǒng)是熱核聚變裝置托卡馬克的重要子系統(tǒng)。
[0003]極向場電源控制系統(tǒng)屬于分布式實時控制系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)交換、存儲、分析部分采用的是x86架構(gòu)服務(wù)器或工控機(jī)運(yùn)行基于EPICS的組態(tài)控制軟件，而底層的本地控制器采用的是嵌入式實時系統(tǒng)。各個控制器和計算機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行連接，相互傳遞控制和采集數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)分布式的實時控制功能。
[0004]傳統(tǒng)的本地控制器軟件采用集中式設(shè)計方法控制極向場電源變流器的輸出，由上位機(jī)通過分布式網(wǎng)絡(luò)傳遞控制參數(shù)，通過本地控制器計算并直接實施控制策略從而得到相應(yīng)的控制結(jié)果。每個周期的控制結(jié)束后，本地控制器再將采集的數(shù)據(jù)通過分布式網(wǎng)絡(luò)傳遞給上位機(jī)做在線或離線的存儲和分析。本地控制器的外部接口多種多樣，包括UDP、TCP/IP、PC1、PX1、反射內(nèi)存等等。具備如此之多外部接口和如此之高要求實時性的本地控制器集中式控制方式在應(yīng)用過程中，有兩個問題尤為突出:
1.軟件設(shè)計以控制流程為導(dǎo)向，數(shù)據(jù)采集、管理、分發(fā)和控制策略的計算、實施具有強(qiáng)耦合的特征。各個功能之間通過強(qiáng)耦合實現(xiàn)快速響應(yīng)和實時處理。該特征雖然通過強(qiáng)耦合提高了程序的效率，但同時也降低了程序的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。這個問題在增減外部硬件設(shè)備時尤為突出。
[0005]2.另一方面，程序各個功能之間的強(qiáng)耦合造成了數(shù)據(jù)采集、管理、分發(fā)與控制策略的計算、實施必須綁定同步執(zhí)行，無法實現(xiàn)對于不同類型實時性要求的數(shù)據(jù)分別管理和提高控制實時性的目的。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的是提供一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)托卡馬克裝置中極向場電源控制程序存在的問題。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:構(gòu)建作為主程序部分的主控管理模塊，作為從程序部分的若干個控制執(zhí)行模塊，以及若干個雙通道的共享內(nèi)存，共享內(nèi)存數(shù)量對應(yīng)于控制執(zhí)行模塊數(shù)量，所述主控管理模塊與控制執(zhí)行模塊構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)，主控管理模塊與控制執(zhí)行模塊之間通過共享內(nèi)存同步交換數(shù)據(jù)，其中:
主控管理模塊有且僅有一個，主控管理模塊按照實際任務(wù)需要，控制控制執(zhí)行模塊的數(shù)量和狀態(tài)的在線加載和卸載;主控管理模塊分為若干個子模塊，多個子模塊以進(jìn)程或線程方式存在，且多個子模塊之間通過共享內(nèi)存同步交換數(shù)據(jù)，其中至少一個子模塊設(shè)定為具備定時功能的定時子模塊，至少一個子模塊設(shè)定為管理共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理子模塊，至少一個子模塊設(shè)定為具備訪問外部硬件設(shè)備功能的子模塊；
控制執(zhí)行模塊由主控管理模塊中對實時性要求特別嚴(yán)格的關(guān)鍵功能子模塊進(jìn)行剝離，由剝離出的部分構(gòu)成控制執(zhí)行模塊;多個控制執(zhí)行模塊程序功能相同且彼此相互獨(dú)立，控制執(zhí)行模塊由可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整定義的定時器子模塊，以及實現(xiàn)硬件信號控制與采集的功能子模塊構(gòu)成，主控管理模塊通過共享內(nèi)存同步參數(shù)控制控制執(zhí)行模塊中定時器子模塊的定時周期，繼而實現(xiàn)對控制執(zhí)行模塊運(yùn)行周期的動態(tài)調(diào)整。
[0008]所述的一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:主控管理模塊的運(yùn)行周期為I毫秒，控制執(zhí)行模塊的運(yùn)行周期不低于0.1毫秒
所述的一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:控制執(zhí)行模塊和共享內(nèi)存的數(shù)量取決于需要控制的極向場電源的數(shù)量。
[0009]所述的一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:主控管理模塊中，定時子模塊提供一個Ims的定時器，是保障程序?qū)崟r運(yùn)行的關(guān)鍵;該定時子模塊以最高優(yōu)先級進(jìn)程的方式運(yùn)行，以保證Ims定時的可靠性;該定時子模塊采用時分策略調(diào)度其他子模塊分時執(zhí)行，以保證所有子模塊分時訪問共享內(nèi)存。
[0010]所述的一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:主控管理模塊下的所有子模塊統(tǒng)一訪問共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，但子模塊本身不實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的復(fù)制和管理，共享數(shù)據(jù)的管理由數(shù)據(jù)管理子模塊實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理而非分散在各個子模塊中。
[0011 ]所述的一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:主控管理模塊中，對所有具備訪問外部硬件設(shè)備功能的子模塊進(jìn)行分類，區(qū)別所訪問數(shù)據(jù)的實時性要求，按照周期的長短和數(shù)據(jù)量大小以不同的周期進(jìn)行訪問和處理。
[0012]本發(fā)明能夠?qū)?shù)據(jù)管理與控制執(zhí)行分離以提高程序的可擴(kuò)展性與可維護(hù)性，同時分類管理數(shù)據(jù)并提高控制策略的執(zhí)行周期。
【附圖說明】
[0013]圖1為為本發(fā)明具體實施方案示意圖。
【具體實施方式】
[0014]—種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，構(gòu)建作為主程序部分的主控管理模塊，作為從程序部分的若干個控制執(zhí)行模塊，以及若干個雙通道的共享內(nèi)存，共享內(nèi)存數(shù)量對應(yīng)于控制執(zhí)行模塊數(shù)量，所述主控管理模塊與控制執(zhí)行模塊構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)，主控管理模塊與控制執(zhí)行模塊之間通過共享內(nèi)存同步交換數(shù)據(jù)，其中:
主控管理模塊有且僅有一個，主控管理模塊按照實際任務(wù)需要，控制控制執(zhí)行模塊的數(shù)量和狀態(tài)的在線加載和卸載;主控管理模塊分為若干個子模塊，多個子模塊以進(jìn)程或線程方式存在，且多個子模塊之間通過共享內(nèi)存同步交換數(shù)據(jù)，其中至少一個子模塊設(shè)定為具備定時功能的定時子模塊，至少一個子模塊設(shè)定為管理共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理子模塊，至少一個子模塊設(shè)定為具備訪問外部硬件設(shè)備功能的子模塊；
控制執(zhí)行模塊由主控管理模塊中對實時性要求特別嚴(yán)格的關(guān)鍵功能子模塊進(jìn)行剝離，由剝離出的部分構(gòu)成控制執(zhí)行模塊;多個控制執(zhí)行模塊程序功能相同且彼此相互獨(dú)立，控制執(zhí)行模塊由可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整定義的定時器子模塊，以及實現(xiàn)硬件信號控制與采集的功能子模塊構(gòu)成，主控管理模塊通過共享內(nèi)存同步參數(shù)控制控制執(zhí)行模塊中定時器子模塊的定時周期，繼而實現(xiàn)對控制執(zhí)行模塊運(yùn)行周期的動態(tài)調(diào)整。
[0015]主控管理模塊的運(yùn)行周期為I毫秒，控制執(zhí)行模塊的運(yùn)行周期不低于0.1毫秒控制執(zhí)行模塊和共享內(nèi)存的數(shù)量取決于需要控制的極向場電源的數(shù)量。
[0016]主控管理模塊中，定時子模塊提供一個Ims的定時器，是保障程序?qū)崟r運(yùn)行的關(guān)鍵;該定時子模塊以最高優(yōu)先級進(jìn)程的方式運(yùn)行，以保證I ms定時的可靠性;該定時子模塊采用時分策略調(diào)度其他子模塊分時執(zhí)行，以保證所有子模塊分時訪問共享內(nèi)存。
[0017]主控管理模塊下的所有子模塊統(tǒng)一訪問共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，但子模塊本身不實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的復(fù)制和管理，共享數(shù)據(jù)的管理由數(shù)據(jù)管理子模塊實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理而非分散在各個子模塊中。
[0018]主控管理模塊中，對所有具備訪問外部硬件設(shè)備功能的子模塊進(jìn)行分類，區(qū)別所訪問數(shù)據(jù)的實時性要求，按照周期的長短和數(shù)據(jù)量大小以不同的周期進(jìn)行訪問和處理。
[0019]具體實施例:
如圖1所示，主控管理模塊包含數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)計算子模塊，對應(yīng)不同的硬件接口設(shè)計UDP通信子模塊、數(shù)字信號處理子模塊、模擬信號處理子模塊、現(xiàn)場總線處理子模塊等若干個子模塊。有三個重復(fù)功能的控制執(zhí)行模塊，分別控制12塊alpha板卡(電源相位控制卡)?？刂茍?zhí)行模塊與主控管理模塊之間通過一個雙通道的共享內(nèi)存同步數(shù)據(jù)。
[0020]圖1中按照功能和外部接口設(shè)備的不同將整個程序劃分為若干個子模塊。具體包括以下步驟:子模塊有各個硬件接口子模塊、通信接口子模塊、故障處理子模塊和控制策略管理子模塊。
[0021]其中相位控制alpha卡控制子模塊為本地控制器的核心子模塊，對實時性要求較高且需要三個相同的子模塊分別控制多塊alpha板卡，符合控制執(zhí)行模塊的特征。故，將alpha板卡控制子模塊劃歸為控制執(zhí)行模塊，其他子模塊劃歸為主控管理模塊。
[0022]主控管理模塊:
I)主控管理模塊中應(yīng)包含除alpha板卡控制子模塊之外的其他所有功能子模塊，包括Udp通信子模塊、現(xiàn)場總線子模塊、模擬數(shù)據(jù)采集子模塊、數(shù)字信號采集子模塊、故障處理子模塊和控制策略管理子模塊。
[0023]2)首先構(gòu)建定時子模塊和數(shù)據(jù)管理子模塊。定時子模塊的定時周期選取極向場電源相位控制的一半周期時間，即lms。而數(shù)據(jù)管理子模塊的規(guī)模取決于所管理數(shù)據(jù)的總量，有數(shù)據(jù)管理子模塊的規(guī)?？梢源_定本地共享內(nèi)存的大??；
3)以事先確定的功能子模塊生成各個子模塊進(jìn)程，每個子模塊受定時器定時調(diào)用執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理、分發(fā)和存儲的功能；
4)各個子模塊本身不保存數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)，而是將所獲取的數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過共享內(nèi)存區(qū)傳遞到數(shù)據(jù)管理子模塊中進(jìn)行管理；
5)對主控管理模塊中的子模塊按照實時性進(jìn)行分類，現(xiàn)場總線子模塊由于受制于硬件特征和信號的類型而劃分為慢信號;模擬數(shù)據(jù)采集子模塊和數(shù)字信號采集子模塊所采集的數(shù)據(jù)更新速度較快，所以劃分為快信號。
[0024]控制執(zhí)行模塊:
I)控制執(zhí)行模塊中包含alpha板卡控制子模塊、定時器模塊、故障處理模塊。
[0025]2)控制執(zhí)行模塊對實時性要求較高，故定時器的定時間隔時間也較短。選取0.1ms?Ims之間動態(tài)調(diào)整。
[0026]控制執(zhí)行模塊與主控管理模塊之間通過雙通道共享內(nèi)存進(jìn)行通信。
【主權(quán)項】
1.一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:構(gòu)建作為主程序部分的主控管理模塊，作為從程序部分的若干個控制執(zhí)行模塊，以及若干個雙通道的共享內(nèi)存，共享內(nèi)存數(shù)量對應(yīng)于控制執(zhí)行模塊數(shù)量，所述主控管理模塊與控制執(zhí)行模塊構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)，主控管理模塊與控制執(zhí)行模塊之間通過共享內(nèi)存同步交換數(shù)據(jù)，其中: 主控管理模塊有且僅有一個，主控管理模塊按照實際任務(wù)需要，控制控制執(zhí)行模塊的數(shù)量和狀態(tài)的在線加載和卸載;主控管理模塊分為若干個子模塊，多個子模塊以進(jìn)程或線程方式存在，且多個子模塊之間通過共享內(nèi)存同步交換數(shù)據(jù)，其中至少一個子模塊設(shè)定為具備定時功能的定時子模塊，至少一個子模塊設(shè)定為管理共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理子模塊，至少一個子模塊設(shè)定為具備訪問外部硬件設(shè)備功能的子模塊； 控制執(zhí)行模塊由主控管理模塊中對實時性要求特別嚴(yán)格的關(guān)鍵功能子模塊進(jìn)行剝離，由剝離出的部分構(gòu)成控制執(zhí)行模塊;多個控制執(zhí)行模塊程序功能相同且彼此相互獨(dú)立，控制執(zhí)行模塊由可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整定義的定時器子模塊，以及實現(xiàn)硬件信號控制與采集的功能子模塊構(gòu)成，主控管理模塊通過共享內(nèi)存同步參數(shù)控制控制執(zhí)行模塊中定時器子模塊的定時周期，繼而實現(xiàn)對控制執(zhí)行模塊運(yùn)行周期的動態(tài)調(diào)整。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:主控管理模塊的運(yùn)行周期為I毫秒，控制執(zhí)行模塊的運(yùn)行周期不低于0.1毫秒。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:控制執(zhí)行模塊和共享內(nèi)存的數(shù)量取決于需要控制的極向場電源的數(shù)量。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:主控管理模塊中，定時子模塊提供一個Ims的定時器，是保障程序?qū)崟r運(yùn)行的關(guān)鍵;該定時子模塊以最高優(yōu)先級進(jìn)程的方式運(yùn)行，以保證Ims定時的可靠性;該定時子模塊采用時分策略調(diào)度其他子模塊分時執(zhí)行，以保證所有子模塊分時訪問共享內(nèi)存。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:主控管理模塊下的所有子模塊統(tǒng)一訪問共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，但子模塊本身不實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的復(fù)制和管理，共享數(shù)據(jù)的管理由數(shù)據(jù)管理子模塊實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理而非分散在各個子模塊中。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于主從結(jié)構(gòu)的實時控制軟件框架構(gòu)建方法，其特征在于:主控管理模塊中，對所有具備訪問外部硬件設(shè)備功能的子模塊進(jìn)行分類，區(qū)別所訪問數(shù)據(jù)的實時性要求，按照周期的長短和數(shù)據(jù)量大小以不同的周期進(jìn)行訪問和處理。
【文檔編號】G06F9/44GK106095451SQ201610424948
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】傅鵬, 沈君, 黃連生, 何詩英, 王澤京, 李令鵬, 王廣紅, 朱黎黎, 陳曉嬌
【申請人】中國科學(xué)院等離子體物理研究所