【AI原创】INTIME 实时系统在车辆传动系旋转耐久试验中的研究与应用

发布时间：2021-12-20 18:22:06来源：AI汽车制造业

本文介绍了车辆传动系旋转耐久试验系统，并详细阐述了INTIME实时系统在该试验系统中的应用。实践证明INTIME实时系统可以充分满足该试验系统对实时性和可靠性的要求。

汽车驱动桥在汽车行驶过程中承受复杂的载荷，它既要传递系统中的转矩，又要支撑着汽车的荷重。驱动桥必须具有足够的强度、刚度和寿命。因而驱动桥总成及其零部件必须经受严格的试验。研究一种性能好、精度高的汽车传动系耐久试验台非常有必要。由于该类型试验台转矩大、转速高、实验时间长，一旦试验系统发生故障，轻则损坏被试件和试验设备，重则影响整个试验进度和企业声誉。因此，选择一种可靠、先进、维护方便的软硬件平台十分有意义。

试验系统概述

车辆传动系旋转耐久试验系统主要包括驱动电动机、负载电机、润滑系统、温控系统控制、数据采集、记录存档、显示及数据分析等。其中通过电动机完成闭环转矩控制，为了达到极高的稳态精度和跟随精度，需要极高的闭环控制速度。另外，当被试件发生断裂或者传动轴、齿轮箱等发生损坏等异常时，需要整个系统尽快做出响应，防止破坏继续扩大。这些都需要系统有极高的实时响应特性。数据更新、数据记录存档、数据显示、数据分析等这些对系统的实时性要求并不高。

Windows操作系统是一个理想的操作平台，可以提供良好的人机交互和执行Windows应用程序。Windows完全支持VisualStudio开发环境，以及完备的数据库体系，软件开发高效成熟，系统稳定可靠，维护便利，是可供选择的最佳平台。但是需要Windows提供严格的实施接口和功能时，Windows由于自身的原因无法满足设计者的需求。

实时操作系统应该满足以下基本要求：操作系统必须是多任务和可抢先的；任务必须有足够多的优先级别；任务的切换与同步必须可预测，支持可预测的同步机制；操作系统的性能（中断延迟、线程切换延迟等）必须是已知的或可预测的。只有满足这些基本要求计算机才能及时响应外部事件的请求，在规定的严格时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致的工作，行为具有确定性和可预测性，并且与系统当前的运行负载无关。

INTIME体系结构

人们已经开发出很多面向Windows平台添加实施扩展的方案，但向内核设备驱动程序级提供实时功能时，基本上都没有考虑开发环境的易用性和鲁棒性，也没考虑和已有的大量的Windows应用程序共享资源。INTIME软件不仅能在为Windows添加时间确定性行为的同时，还能保证实时应用程序的鲁棒、可靠和可伸缩性。INTIME在Windows系统中运行时，不会影响到Windows系统原来的应用，并且当Windows系统发生重大错误时不会传递给INTIME而导致全局性的系统崩溃。为了满足上述要求，INTIME在加载Windows的同时加载一个实时操作系统，使它们共享相同的CPU和硬件中断，在其他方面各自独立。每个操作系统都封装为一个虚拟机，拥有各自的描述符表、内存管理等。实时活动必须发生时，计算机通过上下文切换到该实时系统，完成后计算机切换到Windows操作系统。INTIME实时系统其实是独立于Windows操作系统的。

INTIME实时系统与Windows系统共享硬件平台。一个Windows内核驱动程序和一些Windows服务安装于Windows中。这个驱动程序用于管理两个系统之间的通信接口和用于管理运行内核和实时应用程序的内存。

Windows服务将实时内核加载到内存中，使上下文从Winddows切换到INTIME内核。INTIME创建一个低优先级线程，并把Windows的任务压缩后放入此线程。INTIME任务结束后，该线程负责将上下文切回到Windows系统。该线程优先级低于除了INTIMEIDLE线程以外的其他所有实时线程。只要有INTIME实时内核任务运行，Windows任务均处于等待中。

处于INTIME上下文时，所有实时中断都直接处理，同时其他中断都被屏蔽。返回Windows上下文时，INTIME以外的中断屏蔽都被解除，Windows中断得以处理。在Windows上下文发生实时中断时，插入的WindowsIDT将会将上下文切换到INTIME，从而处理实时中断。Windows和实时内切换过程如图1所示。

图1Windows和实时内核切换

Windows和INTIME之间共享系统计时器。硬件计时器的速率被重新设计，比原来Windows要求的速率快得多，只有有需要时才调用Windows处理程序。INTIME内核最低以100ms的速率获得计时器中断。这样可以提供更加精细的计时服务。计时器为了不在Windows和INTIME系统中进行不必要的切换被重新优化设计。为了避免Windows内核进行不必要的操作，Windows某些硬件抽象层入口节点被监控或者截获。INTIME内核的实时服务包括基于优先级的抢占式调度程序。线程优先级范围从0到255。

Windows接口支持包括如下：①INTIME实时系统支持Win32API，WindowsAPI，C库和C++以及其他服务。②WIN32API可以使INTIME和Windows应用程序传输代码，并带有总线配置来扩展管理中断和外围设备互联。③WindowsAPI可以共享实时内核中创建的对象。并且Win32对象也是可共享的。这样使Windows和实时程序可以同步和共享数据。④INTIME系统还支持以太网驱动程序、串行链路，以及USB等，为一系列标准接口和行业接口提供了驱动程序。

接下来我们探讨一下系统异常错误。它一般指一般性保护错误、页面错误、堆栈错误等。INTIME实时系统拥有一个异常处理程序，在出现异常错误时会向全局邮箱写入包括出错线程及其环境的记录，并挂起出错的线程。该全局邮箱被INTIME或Windows系统监控，并做出相应处理。

分布式系统管理也是系统异常处理时一个有效的管理手段。不管是Windows还是INTIME进程都可以监控其他协作的进程或被其他协作进程监控。被监控进程或Windows、INTIME系统遭到破坏时，异常消息会被发向监控进程。该功能提供系统级完整性保证。

分布式系统管理能够检测到Windows系统失效的时刻，此时它将通知所有有关线程Windows的情况，同时把调度Windows的线程挂起。这样INTIME内核就可以独自不停地执行，INTIME实时进程可以根据此情况进行相关操作。在合理时机，INTIME实时系统可以恢复Windows，甚至关闭或重起计算机。

此外，关于开发环境，INTIMESDK是INTIME实时系统的开发环境。INTIME实时系统定时周期可达50ms或者更少，它采用完全抢占式的调度策略。开发环境支持共享模式和专用模式两种配置。

共享模式是指实时系统和Windows系统在同一台计算机中同时运行。它能在标准的32或64位系统中提供所需实时应用。它能从Windows任务管理器中隔离出确定进程使系统的可靠性和性能得以满足。在多核处理器环境下，Windows被限制在特定的单个或多个核心中，剩下的每个核心可以运行一个INTIME程序实例。Windows和INTIME通过内嵌的处理器间通信机制在全局对象网络上完成通信。

专用模式是指系统中无Windows操作系统，仅有实时系统运行于X86架构的计算中。专用模式下实时系统以分布式节点形式存在，应用程序的维护和配置通过内嵌的HTTP和FTP服务实现。这种分布式节点结构能使应用程序运行于多核处理器和多平台系统中，这些节点通过全局对象网络通信。

INTIME实时系统软件开发流程如图2所示。序号1是指把整个应用分成实时组件和Windows组件。序号2是指定义整个处理过程，定义线程、中断等级和优先级别、句柄以及决定使用哪个组件。序号3是指取决于硬件和驱动，决定如何实施多用户环境和单用户界面。序号4是指为了解决特定问题或者以独特方法采集数据时是否需要定制的硬件。

图2软件开发流程

INTIME在旋转耐久试验台中的应用

Windows进程：数据处理、数据记录、事件处理、数据更新等。

系统功能划分如图3所示，各功能如下:

1）数据处理:用来对获得的实时数据或者已经存入数据库的数据进行分析和再次处理。

2）数据记录:用来将获得的试验数据存入实时数据库中。

3）事件处理:用于处理用户各种操作命令和用户自定义事件。

4）数据更新:用来从后台获得数据共享区数据并发送到系统主界面或者数据库。

5）实时进程:事件处理模块、控制保护功能、电动机速度控制、转矩闭环控制、转矩开环控制等。

图3系统功能

下面我们关注一下多任务切换。INTIME是基于多线程调度,多线程之间按照任务级别进行切换。每个任务被分配到一个线程，同时该线程被赋予一个优先级，并且每个线程根据实际情况按照不同的定时时间进行触发执行。电动机控制进程可以分为三个线程，分别为线程1转矩闭环、线程2速度控制、线程3速度转矩监控报警。三个线程优先级可分别设置为160、170、180，另外设置它们的触发循环时间分别为5000ms，10000ms和20000ms。在实时系统内核中，多个无限循环分别处理不同的分支，在每个分支循环中实时系统根据任务调度策略调动线程运行。线程1每5000ms运行一次，线程2每10000ms运行一次，线程3每20000ms运行一次。

结语

该试验系统已经运行数月，试验系统的各种性能均能达到既定目标。该实时系统既满足了试验台对于实时性和可靠性的要求，又利用了Windows操作系统的友好而丰富的资源环境，整个系统高效而易于扩展。

来源：AI《汽车制造业》

作者：苏全在胡世广

工作单位：中国汽车技术研究中心有限公司中汽研汽车工业工程（天津）有限公司

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