ứng dụng của hệ thống thời gian thực

ứng dụng của hệ thống thời gian thực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO MÔN CÁC HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC Học viên: Lớp: 17A KT Điện Tư Giảng viên: PGS.TS Đỗ Trọng Tuấn Hà Nội 05-2018 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi đến PGS.TS.Đỗ Trọng Tuấn, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hồn thành báo cáo môn hệ thống thời gian thực lời cảm ơn sâu sắc Em cảm ơn thầy tạo điều kiện thuận lợi cho em tìm hiểu những kiến thức bổ ích môn học thông qua báo tài liệu thầy cung cấp cho em để hồn thành tốt báo cáo mơn học Trong q trình làm báo cáo mơn học em nhận nhiều điều mới, có thêm nhiều kiến thức bổ ích từ môn học để có thể áp dụng vào công việc thực tế của bản thân em nói riêng tồn thành viên tham gia mơn học Vì kiến thức bản thân hạn chế, q trình hồn thiện báo cáo em không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận những ý kiến đóng góp từ thầy Em xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỜI GIAN THỰC Khái niệm hệ thời gian thực Phân loại hệ thời gian thực .4 2.1 Hệ thời gian thực cứng 2.2 Hệ thời gian thực mềm Đặc điểm của hệ thời gian thực Cấu trúc thành phần của hệ thời gian thực Xử lý thời gian thực .8 5.1 Xử lý ngắt 10 5.2 Quản lý tiến trình 12 II MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC .14 Điều khiển tín hiệu số 14 Điều khiển mức cao .15 2.1 Các ví dụ phân cấp điều khiển 15 2.2 Hướng dẫn kiểm soát 17 Điều khiển lệnh 18 Xử lý tín hiệu .19 4.1 Hệ thống radar .19 I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỜI GIAN THỰC Khái niệm hệ thời gian thực Hầu hết xử lý dùng để điều khiển máy tính cá nhân đơn giản toàn hệ thống máy móc nhà máy Những hệ thống tương tác trực tiếp với thiết bị phần cứng Phần mềm những hệ thống gọi hệ thời gian thực nhúng (Embedded Real Time System) Nó thực xử lý để đáp ứng lại với kiện phát sinh từ phần cứng cách tạo tín hiệu điều khiển gửi đến thiết bị phần cứng nhằm đáp ứng những kiện của môi trường Những phần mềm nhúng vào hệ thống phần cứng hay hệ thống lớn phải sản tín hiệu điều khiển khoảng thời gian thực xác định để đáp ứng kiện phát sinh từ môi trường của hệ thống Như vậy, hệ thời gian thực hệ thống mà hoạt động hiệu quả của nó không phụ thuộc vào chính xác của kết quả tạo mà phụ thuộc vào thời điểm đưa kết quả Hệ thống thất bại yêu cầu thời gian mức độ đáp ứng không thoả mãn Hình 1.1 mơ tả mức độ đáp ứng kịp thời của hệ thống theo bốn yêu cầu khác Hình 1.1: Các mức đáp ứng kiện mặt thời gian Các hệ thời gian thực khác với phần mềm khác những chức đáp ứng của hệ thống đối với kiện của môi trường khoảng thời gian định (thường khoảng thời gian ngắn) Do người ta định nghĩa hệ thời gian thực (Real Time System RTS) sau: Một hệ thời gian thực hệ thống mà đó tính đắn của nó không phụ thuộc vào kết quả logic tạo mà phụ thuộc vào thời điểm mà đó kết quả đưa Nhiều thay đổi của kiện giới thực thường xảy nhanh, hệ thống thời gian thực giám sát kiện phải thực việc xử lý đưa kết quả khoảng thời gian bắt buộc gọi hạn định hay thời điểm kết thúc (deadline) Khoảng thời gian xác định từ thời gian bắt đầu thời gian hoàn tất công việc Trong thực tế, nhiều yếu tố kích thích xảy khoảng thời gian ngắn, ví dụ vào khoảng vài mili giây, đó thời gian mà hệ thống cần đáp ứng lại yếu tố kích thích thường vào khoảng dưới giây mới đảm bảo yêu cầu mong muốn Khoảng thời gian bao gồm: thời gian tiếp nhận kích thích, thời gian xử lý thông tin thời gian hồi đáp kích thích Phân loại hệ thời gian thực Hệ thời gian thực chia thành hai loại, hệ thời gian thực cứng (Hardware real time system) hệ thời gian thực mềm (Sofware real time system) Hình 1.2 dưới minh họa cho khác biệt giữa hai loại hệ thống đó Hình 1.2 Đồ thị mơ tả đặc trưng hai loại hệ thời gian thực Trong đó: hạn định (deadline) khoảng thời gian hay thời điểm mà đó tác vụ thực yêu cầu cần hoàn thành 2.1 Hệ thời gian thực cứng Trong số hệ thống quan tâm đặc biệt đến hậu quả vi phạm giới hạn thời gian cho phép Những hậu quả có thể tồi tệ Nó mang lại những thiệt hại nặng nề vật chất, có thể gây những ảnh hưởng to lớn đến sinh mạng người Một ví dụ cho loại hệ thống việc lệnh dừng tàu không thực lúc để tàu băng qua ga nguyên nhân dẫn đến tai nạn thảm khốc, hay việc điều khiển ném bom xảy chậm có thể nổ vào dân thường thay nở mục tiêu của cứ quân đối phương Chính vậy, người ta đưa định nghĩa hệ thời gian thực cứng sau: Một hệ thời gian thực cứng hệ thống mà hoạt động không đắn của nó để lại hậu quả nghiêm trọng Do đó hệ thời gian thực cứng buộc phải đưa kết quả chính xác khoảng thời gian định cho Ví dụ: Một đoàn tàu điều khiển tự động dừng lại lập tức Khi có tín hiệu dứng, hành động phanh lại của nó phải kích hoạt từ khoảng cách xác định đường ray từ cổng tín hiệu đến vị trí nó phải dừng Khoảng cách phanh phụ thuộc không vào tốc độ của tàu mà vào hệ số an toàn của phanh giảm tốc độ Từ tốc độ giảm tốc độ an toàn của tàu, điều khiển có thể tính toán thời gian bắt buộc tàu cần hãm phanh cường độ phanh yêu cầu trước điểm cần dừng bao xa Thời gian giới hạn bắt buộc chính thời gian cưỡng bức để hồn thành cơng việc quan sát, xử lý tín hiệu dừng kích hoạt phanh Vì vậy, cưỡng bức thời gian phải cứng mới đảm bảo dừng vị trí của tàu 2.2 Hệ thời gian thực mềm Ngược lại với hệ thời gian thực cứng hệ thời gian thực mềm Kết quả đưa của hệ thống cho phép sai số định cả giá trị thời gian so với khoảng thời gian dự kiến Tuy nhiên, sai lệch không đảm bảo nó khơng gây điều nghiêm trọng Đối với hệ thời gian thực mềm, thời gian đáp ứng của hệ thống với yếu tố kích thích quan trọng Tuy nhiên, trường hợp thời gian đáp ứng của hệ thống có thể vượt giới hạn trễ cho phép, hệ thống hoạt động bình thường, khơng quan tâm đến tác hại vi phạm gây (thường tác hại không đáng kể) Trong trường hợp này, người ta gọi hệ thống có ràng buộc định thời gian mềm Vì người ta định nghĩa hệ thời gian thực mềm sau: Một hệ thời gian thực mềm hệ thống mà đó hoạt động của nó phép hoàn thành sai số cho phép mà không gây hậu quả nghiêm trọng, tức đáp ứng của hệ thời gian thực mềm có thể vượt giới hạn cho phép mà có thể chấp nhận Ví dụ hệ thống bao gồm những hệ thống thực tương tác trực tuyến, những chuyển mạch điện thoại, hay trò chơi (game) điện tử Trong tài liệu hệ thời gian thực, phân biệt giữ khoảng thời gian bắt buộc cứng hay mềm thường tùy theo trạng thái định lượng những giới hạn mang lại kết quả hữu dụng Tuy nhiên, thực tế, phân chia nhiều không cần thiết Vì vậy, phân chia có tính tương đối Đặc điểm của hệ thời gian thực Một hệ thống thời gian thực có đặc trưng tiêu biểu sau:  Tính bị động: Hệ thống thường phải phản ứng lại với kiện xuất vào thời điểm thường trước  Tính nhanh nhạy: Hệ thống phải xử lý thông tin cách nhanh chóng để có thể đưa kết quả phản ứng cách kịp thời Đây đặc điểm tiêu biểu Tuy nhiên, đối với hệ thống có tính thời gian thực không thiết phải đáp ứng thật nhanh mà quan trọng phải có phản ứng kịp thời đối với yêu cầu, tác động từ bên  Tính đồng thời: Hệ thống phải có khả phản ứng xử lý đồng thời nhiều kiện diễn  Tính tiền định: Dự đoán trước thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm trình tự đưa phản ứng Phải lập lịch cho kiện Cấu trúc thành phần của hệ thời gian thực Baker Scallon (1986) trình bày thảo luận hay yêu cầu thiết bị cho hoạt động thời gian thực Cooling (1991) đề cập tới vấn đề này, thảo luận tóm tắt sản phẩm hoạt động thời gian thực thương mại Các yêu cầu riêng cho hệ thời gian thực thường yêu cầu phần thực thi cần thiết kế phần của hệ thống Các thành phần của RTS (hình 1.3) phụ thuộc vào kích cỡ phức tạp của hệ thời gian thực xây dựng Thông thường, với mọi hệ thời gian thực (trừ những hệ thống đơn giản) có thành phần sau: Hình 1.3: Các thành phần của hoạt động thời gian thực Một đồng hồ thời gian thực (real - time clock): thiết bị cung cấp thơng tin cho việc lập lịch trình xử lý cách định kỳ Một điều khiển ngắt (unterrupt handler): thành phần dùng để quản lý yêu cầu đáp ứng kiện không theo chu kỳ Một lập lịch (scheduler): thành phần có nhiệm vụ kiểm tra tiến trình những phần có thể thực chọn ra thành phần số chúng đề thực Một quản lý tài nguyên (resource manager): phân phối số tài nguyên nhớ xử lý cho tiến trình lịch thực Bộ điều vận (despatcher): thành phần phân nhiệm vụ để khởi động thực thi của tiến trình Các hệ thống cung cấp dịch vụ liên tục, hệ thống viễn thông hệ thống giám sát thường có yêu cầu độ tin cậy cao Chúng có thể cần đến những khả thực thi khác nữa là: Quản lý cấu hình (configuration manager): Bộ phận cho phép thiết lập lại cấu hình động của phần cứng hệ thống (Kramer Magee,1985) Ví dụ như: đơn vị phần cứng khơng phù hợp với hệ thống Do đó, hệ thống cần nâng cấp việc thêm hay thay phần cứng mới mà không cần phải ngừng hoạt động của toàn hệ thống Quản lý lỗi (fault manager): Bộ phận có nhiệm vụ tự tìm lỗi gây từ phần cứng phần mềm tiến hành những hoạt động thích hợp để khôi phục lại trạng thái ổn định từ những trạng thái lỗi đó Hệ thống thời gian thực thường xử lý tác nhân kích thích với mức ưu tiên khác Các tác nhân kiện đặc biệt mà thời gian xử lý cần thiết phải hoàn thành khoảng thời gian xác định Những xử lý khác đặt độ trễ an toàn Do đó, hoạt động của hệ thống thời gian thực phải quản lý tối thiểu hai mức ưu tiên sau cho tiến trình hệ thống: Mức ngắt (interrupt level): mức ưu tiên cao Nó đặc trưng dùng để phân biệt hệ thống thời gian thực với kiểu hệ thống khác Mức đồng hồ (clock level): mức ưu tiên của tiến trình xác định trước thực theo thời gian định kỳ tính từ đồng hồ Trong khoảng thời gian của mức ưu tiên này, lớp khác của tiến trình có thể định ưu tiên khác Ví dụ, ngắt từ thiết bị cần thực nhanh có thể dành quyền ưu tiên xử lý từ thiết bị chậm để tránh thơng tin Sự định tiến trình ưu tiên, thường yêu cầu phân tích mô nhiều Xử lý thời gian thực Xử lý thời gian thực (realtime processing) hình thức xử lý thông tin hệ thống để đảm bảo tính thời gian thực của nó Như vậy, xử lý thời gian thực có đặc điểm tiêu biểu nêu tính bị động, tính nhanh nhạy, tính đồng thời tính tiền định Để có thể phản ứng với nhiều kiện diễn lúc, hệ thống xử lý thời gian thực cần sử dụng tiến trình tính tốn đồng thời Q trình tính tốn tiến trình thực một phần chương trình hệ điều hành quản lý máy tính, có thể tồn đồng thời với trình khác thời gian thực lệnh thời gian xếp hàng chờ thực Có ba hình thức tở chức q trình tính toán đồng thời:  Tính toán tương tranh: Nhiều q trình tính tốn chia sẻ thời gian xử lý thơng tin xử lý  Tính tốn song song: Các q trình tính tốn phân chia thực song song nhiều xử lý của máy tính  Tính toán phân tán: Mỗi trình tính tốn thực riêng máy tính Trong hình thức hình thức xử lý tương tranh có vai trò chủ chốt tương ứng với trường hợp phổ biến hệ thống có xử lý Mặc dù hệ thống điều khiển có thể có nhiều trạm, trạm hệ đa xử lý, số lượng trình tính tốn cần thực ln lớn số lượng vi xử lý Trong Bộ vi xử lý thực song song nhiều lệnh, nó phải phân chia thời gian để thực xen kẽ nhiều nhiệm vụ khác theo thứ tự tùy theo mức ưu tiên phương pháp lập lịch Hình 1.4: Các kiểu tác vụ theo chuẩn IEC 61131-3 Trong hệ thống điều khiển, khái niệm tác vụ hay sử dụng bên cạnh q trình tính tốn Có thể nói, tác vụ nhiệm vụ xử lý thông tin hệ thống, thực theo chế tuần hoàn theo kiện Các dạng tác vụ qui định chuẩn IEC 61131-3 (Programmable Controllers – Part3: Programming Languages) minh họa hình 1.4 Ví dụ, tác vụ thực nhiệm vụ điều khiển cho nhiều mạch vòng kín có chu kỳ trích mẫu giống Hoặc, tác vụ có thể thực nhiệm vụ điều khiển logic, điều khiển trình tự theo kiện xảy Tác vụ có thể thực dưới dạng trình tính tốn nhất, dãy q trình tính toán khác Hoạt động của hệ thống thời gian thực xác định thông qua việc xác định danh sách kích thích hệ thống nhận được, danh sách đáp ứng, thời điểm đáp ứng cần sinh Sự kích thích chia thành hai loại: Kích thích có chu kỳ: Những kích thích xuất khoảng thời gian định cho trước Ví dụ hệ thống có thể kiểm tra cảm biến, cứ 50 milli giây thực hoạt động (hồi đáp phụ thuộc vào giá trị của cảm biến – “kích thích”) Kích thích không theo chu kỳ: Những kích thích xuất không đều, chúng thường những tín hiệu sử dụng chế ngắt của máy tính Ví dụ, kích thích ngắt truyền vào/ra hoàn tất, dữ liệu có đệm Hình 1.5: Mơ hình chung của hệ thời gian thực Kích thích có chu kỳ hệ thời gian thực thường tạo cảm biến gắn hệ thống Các kích thích cung cấp thông tin trạng thái môi trường hệ thống Chúng điều khiển hồi đáp tác động tới tập Bộ thao tác có nhiệm vụ điều khiển số đơn vị phần cứng, sau đó Bộ thao tác làm ảnh hưởng trực tiếp tới môi trường hệ thống Kích thích không có chu kỳ có thể sinh Bộ thao tác hay cảm biến Chúng thường số điều kiện ngoại lệ, ổ cứng hỏng, nó cần phải quản lý của hệ thống Mô hình cảm biến - hệ thống - thao tác hệ thời gian thực nhúng, minh họa hình 1.5 5.1 Xử lý ngắt Một đặc trưng hay dùng để phân biệt hệ thống thời gian thực với kiểu hệ thống khác việc xử lý ngắt Hệ thống thời gian thực phải đáp ứng với kích thích bên (hay thường gọi ngắt) khuôn khổ thời gian giới bên ngồi ấn định Bởi nhiều kích thích (ngắt) thường xuất nên phải thiết lập mức ưu tiên ngắt Xử lý ngắt bắt buộc không lưu trữ thông tin máy tính có thể chạy lại đắn nhiệm vụ bị ngắt trước đó mà phải tránh tắc nghẽn chu trình vơ hạn Hình 1.6 Mơ hình xử lý ngắt Cách tiếp cận tổng thể với xử lý ngắt minh họa hình 1.6 Luồng xử lý thơng thường bị “ngắt” kiện xử lý phát từ phần cứng đó Một kiện xuất đòi hỏi đáp ứng lập tức đáp ứng đó có thể sinh phần cứng phần mềm Trạng thái của chương trình bị ngắt lưu trữ điều khiển chuyển cho dịch vụ ngắt, tức chuyển tới phần mềm thích hợp để xử lý ngắt Khi hoàn thành xong nhiệm vụ ngắt trạng thái của máy lại khơi phục luồng xử lý dở dang (thông thường) lại tiếp tục Trong nhiều tình huống, bản thân dịch vụ ngắt cho kiện có thể lại bị ngắt kiện khác, có mức ưu tiên cao Mức ưu tiên ngắt (Hình 1.7) có thể thiết lập Nếu tiến trình có mức ưu tiên thấp ngẫu nhiên phép ngắt tiến trình có mức ưu tiên cao có thể khó chạy lại tiến trình theo trật tự có thể làm phát sinh chu trình vơ hạn Hình 1.7 Ưu tiên ngắt Để xử lý ngắt mà đáp ứng cho ràng buộc thời gian hệ thống, nhiều hệ điều hành thời gian thực tiến hành tính toán động để xác định xem mục tiêu hệ thống đạt chưa Những tính toán động dựa tần số trung bình số lần xuất của kiện, khối lượng thời gian cần để phục vụ nó (nếu chúng có thể phục vụ), chương trình có thể ngắt tạm thời ngăn cản chúng phục vụ Nếu tính tốn động rằng, khơng thể xử lý kiện xuất hệ thống mà đáp ứng ràng buộc thời gian hệ thống phải định theo sơ đồ hành động Một sơ đồ có thể bao gồm việc đặt dữ liệu vào đệm để nó có thể xử lý nhanh chóng hệ thống sẵn sàng 5.2 Quản lý tiến trình Quản lý tiến trình hoạt động thời gian thực đề cập tới việc quản lý tập tiến trình thực Đó phần của hệ thời gian thực Quản lý tiến trình cần chọn tiến trình để thực thời điểm, phân chia nhớ tài nguyên xử lý cho tiến trình đó bắt đầu thực nó xử lý Tiến trình định kỳ tiến trình cần thực sau khoảng thời gian xác định cho giữa hai tiến trình với dữ liệu thu Bộ thao tác điều khiển Sự hoạt động sử dụng đồng hồ thời gian thực để định thời điểm tiến trình thực Trong hệ thời gian thực có số lớp tiến trình định kỳ Sẽ có khác giữa thời gian thực hạn định Khi thực cần chọn tiến trình thích hợp để thực thi bất cứ thời điểm Đồng hồ thời gian thực cấu hình những tiếng “tick” theo chu kỳ, mà khoảng cách giữa những lần “tick” vài mili giây Đồng hồ “tick” khởi tạo mức ngắt tiến trình sau lập lịch quản lý tiến trình cho tiến trình định kỳ Tiến trình mức ngắt thường khơng hồi đáp cho quản lý tiến trình định kỳ việc xử lý ngắt cần hồn thành nhanh có thể Hình 1.8: Hành động thực thi thời gian yêu cầu bắt đầu tiến trình Hoạt động quản lý tiến trình định kỳ hình 1.8 Danh sách tiến trình định kỳ Bộ lập lịch kiểm tra lựa chọn tiến trình để thực Sự lựa chọn phụ thuộc vào tiến trình ưu tiên, tiến trình định kỳ, thời gian thực thi mong muốn giới hạn kết thúc của tiến trình sẵn sàng Đơi khi, có hai tiến trình với hai giới hạn khác cần thực thời điểm Trong tình này, tiến trình gán khoảng thời gian trễ giới hạn thời gian của nó Nguyên nhân gây ngắt của máy tính điều khiển truyền tới vị trí xác định nhớ, nó bao gồm lệnh nhảy tới dich vụ ngắt thông thường Dịch vụ ngắt thường cần đơn giản, ngắn có số lần thực ít Khi ngắt phục vụ, những ngắt khác thực bị hệ thống bỏ qua Để việc Bộ lập lịch Chọn tiến trình cho thực Quản lý tài nguyên Phân chia nhớ xử lý Bộ điều vận Bắt đầu thực xử lý có giá trị 22 mát thông tin giảm đến mức thấp nhất, thời gian thực trạng thái ngắt cần giảm đến mức tối thiểu Ở bất cứ thời điểm nào, có số tiến trình thực với những ưu tiên khác Việc lập lịch định thứ tự của thực Lập lịch hiệu quả cần thiết yêu cầu thời gian thực cho hệ thống thoả mãn Có nguyên tắc cho chiến lược lập lịch: Lập lịch không ưu tiên trước (non pre-emptive sheduling): Lần tiến trình lên lịch thực hiện, nó tiến hành kết thúc đến bị chặn số lý đó, chẳng hạn chờ đầu vào Đây nguyên nhân của vấn đề có tiến trình với những ưu tiên khác tiến trình có ưu tiên cao cần chờ tiến trình có ưu tiên thấp kết thúc Lập lịch ưu tiên trước (pre-emptive sheduling): Hoạt động của tiến trình có thể bị dừng lại tiến trình có yêu tiên cao yêu cầu phụ vụ Tiến trình ưu tiên cao dành quyền thực trước tiến trình có ưu tiên thấp định tới xử lý Thực chiến lược này, có thuật toán lập lịch khác phát triển Các thuật toán bao gồm lập lịch Round - Robin, đó tiến trình thực vòng quanh, tốc độ lập lịch đều Khi đó tiến trình với khoảng thời gian ngắn cấp phát cho mức ưu tiên ngắn (Burns Wellings,1997) Mỗi phương án lập lịch có mặt ưu nhược khác Tuy nhiên, giới hạn của luận văn nên không đủ điều kiện đề cập Thơng tin tiến trình thực chuyển tới phận quản lý tài nguyên Bộ phận quản lý tài nguyên phân phối nhớ xử lý (trong hệ đa xử lý) cho tiến trình Sau đó, tiến trình đặt vào danh sách tiến trình sẵn sàng cho thực (Ready list) Khi xử lý kết thúc việc thực thi tiến trình giải phóng điều vận tìm kiếm danh sách sẵn sàng để tìm tiến trình có thể thực thi đó bắt đầu thực II MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC Những ứng dụng điển hình hệ thời gian thực bao gồm điều khiển tín hiệu số, điều khiển tối ưu, điều khiển lệnh, xử lý tín hiệu, hệ thống kết nối điện thoại Điều khiển tín hiệu số Có thể nói, tất các hệ thống điều khiển hệ thời gian thực Ngược lại, số lớn hệ thống thời gian thực hệ thống điều khiển Không có hệ thống điều khiển có thể hoạt động bình thường nó khơng đáp ứng yêu cầu thời gian, đó hệ thống điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng hay điều khiển chuyển động Một điều khiển phải đưa tín hiệu điều khiển kịp thời sau thời gian nhận tín hiệu đo để đưa trình kỹ thuật trạng thái mong muốn Một mạng truyền thông hệ thống điều khiển có tính thời gian thực phải có khả truyền tin cách tin cậy kịp thời đối với yêu cầu của điều khiển, thiết bị vào/ra, thiết bị đo thiết bị chấp hành Tính thời gian thực của hệ thống điều khiển phân tán không phụ thuộc vào tính thời gian thực của từng thành phần hệ thống, mà phụ thuộc vào phối hợp hoạt động giữa thành phần đó Trong thực tế, yêu cầu tính thời gian thực đối với ứng dụng điều khiển có đặc thù khác nhau, mức độ ngặt nghèo khác Ví dụ, hệ thống điều khiển nhúng thường ứng dụng với sản phẩm chế tạo hàng loạt, chi phí phần cứng cho từng sản phẩm cần giảm thiểu, dung lượng nhớ hiệu vi xử lý thường thấp Hơn nữa, điều khiển nhúng lại giải pháp đặc thù ứng dụng nhanh, tiêu biểu điều khiển chuyển động, dẫn đến yêu cầu ngặt nghèo hiệu suất phần mềm Hình 1.9 Một điều khiển số Một số hệ thống thời gian thực nhúng vào cảm biến thao tác với chức những điều khiển số Hình 1.9 cho ta hệ thống A/D A/D Bộ tính toán luật điều khiển D/A Bộ thao tác Plant Bộ thao tác y(t) u(t) yk rk uk Đầu vào tham chiếu r(t) Bộ điều khiển Thuật ngữ plant sơ đồ khối dùng để hệ thống điều khiển, ví dụ như: động cơ, phanh xe, máy bay hay người bệnh Từ dữ liệu đọc của cảm biến trạng thái thời của plant, hệ thời gian thực tiến hành ước lượng tính toán dữ liệu đầu cho điều khiển (control output) cứ vào khác giữa trạng thái trạng thái mong muốn (còn gọi dữ liệu đầu vào tham chiếu - reference input) Chúng ta gọi tính toán tính toán luật điều khiển của điều khiển Đầu sinh hoạt động của thao tác nhằm làm cho plant đến gần với trạng thái mong muốn Trong đó A/D chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, D/A chuyển tín hiệu số sang tín hiệu tương tự Điều khiển mức cao Bộ điều khiển hệ giám sát phức tạp hệ thống điều khiển tở chức điển hình hệ phân cấp Một hay nhiều điều khiển số mức độ thấp điều khiển trực tiếp plant vật lý Mỗi dữ liệu của điều khiển mức độ cao đầu vào tham chiếu của nhiều điều khiển mức thấp 2.1 Các ví dụ phân cấp điều khiển Như ví dụ, hệ thống chăm sóc bệnh nhân bao gồm điều khiển dựa vi xử lý để giám sát điều khiển huyết áp, thở, đường huyết nhiều chức khác của bệnh nhân Có thể điều khiển mức cao (như hệ chuyên gia) tương tác với người vận hành y tá hay bác sĩ để chọn lấy giá trị mong muốn tiêu sức khỏe Trong tính toán điều khiển tín hiệu số thực hiện, những tính toán đơn giản xác định, tính tốn của điều khiển mức cao lại phức tạp dễ thay đổi Trong đó chu kỳ của tính toán mức thấp nằm phạm vi từ mili giây tới vài giây, chu kỳ tính tốn mức cao có thể hàng phút, chí hàng Hình 1.10 hiển thị ví dụ phức tạp hơn: hệ phân cấp của hệ thống điều khiển bay kiểm sốt khơng gian sân bay Hệ thống điều khiển máy bay lên xuống (Air Traffic Control - ATC) mức cao Nó điều chỉnh đường bay của máy bay đến sân bay Nó làm điều đó cách gán cho chuyến thời gian đến sân bay cố định hành trình bay đến Mỗi chuyến bay giả định đến vị trí của sân bay vào thời gian đến dự kiến Vào thời điểm chuyến bay, thời gian đến dự kiến điểm đến cố định của lần tham chiếu đầu vào cho hệ thống điều khiển máy bay Hệ thống điều khiển máy bay lựa chọn đường bay dẫn thời gian cho chuyến bay để đưa nó tới điểm cần đến vào thời gian dự kiến Tốc độ bay, góc quay, mức độ lên /xuống những đòi hỏi mà đường bay chọn cần tuân theo đầu vào tham chiếu cho điều khiển bay mức cao của hệ thống điều khiển phân cấp Nhìn chung có vài mức điều khiển cao Giả sử lấy hệ thống điều khiển robot nhằm thi hành nhiệm vụ lắp ghép nhà máy làm ví dụ Người lập kế hoạch đường hành trình mức hai xác định hành trình mà robot cơng nghiệp cần phải theo Những người lập kế hoạch thường lấy đầu vào chính kế hoạch người lập kế hoạch tác nghiệp tạo ra, mà họ chọn trình tự bước để thực Trong hệ thống điều khiển robot không gian, có thể có người thiết kế kịch bản, họ xác định nhiệm vụ cần chuẩn bị hay tiến hành thực Kế hoạch người lập kịch bản tạo đầu vào cho người lập kế hoạch tác nghiệp Hình 1.10: Cấu trúc hệ thống điều khiển máy bay 2.2 Hướng dẫn kiểm soát Trong điều khiển số liên quan đến hành động của thiết bị vật lý, điều khiển thứ cấp lại thực việc dẫn chọn đường lập kế hoạch cho hoạt động để đạt mục tiêu cao Đặc biệt nó cố gắng tìm đường mong đợi tất cả đường có thể đáp ứng ràng buộc của hệ thống Con đường đường mong muốn nó tối ưu hóa vài chức tiết kiệm chi phí Thuật toán sử dụng cho mục đích đáp án cho số vấn đề tối ưu có ràng buộc Ví dụ hệ thống điều khiển máy bay lên xuống (Air Traffic Controller - ATC) Những ràng buộc cần phải thỏa mãn với đường bay chọn bao gồm số áp đặt đặc trưng của chuyến bay, tốc độ quay tỉ lệ lên/xuống lớn nhỏ cho phép, hạn chế đặt từ nhân tố bên kiểm tra mặt đất trạng dữ liệu mà hệ thống điều khiển đưa điều kiện thời tiết Một đường bay mong muốn đường bay có hiệu xuất sử dụng nhiên liệu hiệu quả số tất cả đường bay đáp ứng buộc đưa chuyến bay tới lần hạ cánh vào thời điểm thiết kế Vấn đề hiểu vấn đề có ràng buộc thời gian cố định sử dụng nhiên liệu tối thiểu Khi mà chuyến bay gặp cố hệ thống điều khiển bay có thể cố gắng cho chuyến bay tới điểm hạ cánh thời gian ngắn Trong trường hợp đó nó sử dụng thuật toán giải vấn đề tối ưu thời gian Những người điều khiển giám sát hệ phức tạp hệ thống điều khiển những tổ chức phân cấp điển hình Có thể có nhiều điều khiển tín hiệu số mức độ thấp điều khiển trực tiếp thiết bị vật lý Mỗi dữ liệu của điều khiển mức độ cao dữ liệu tham chiếu đầu vào của những điều khiển mức thấp Với vài ngoại lệ, có thể có nhiều điều khiển mức độ cao giao tiếp trực tiếp với người điều khiển Điều khiển lệnh Bộ điều khiển mức cao của điều khiển phân cấp hệ thống điều khiển lệnh Một hệ thống điều khiển giao thông hàng không ví dụ hồn hảo Hình 1.10 cho thấy kiến trúc của nó Đầu vào của hệ thống ATC giám sát máy bay vùng nó quản lý phân tích môi trường xung quanh (như điều kiện thời tiết) đưa thông tin cần thiết cho người điều hành Đầu từ hệ thống ATC bao gồm phân chia thời gian cho thiết bị tích hợp từng máy bay Đầu lấy dữ liệu từ đầu vào bảng điện tử của hệ thống quản lý bay Hơn nữa, hệ thống ATC hỗ trợ việc kết nối giọng nói từ xa bảng điện tử Do đó, nó cung cấp kết nối giữa những người điều hành cả hai mức (Ví dụ phi công hệ thống điều khiển máy bay lên xuống) Hệ thống ATC thu thập thông tin “trạng thái” của máy bay thông qua hoạt động của nhiều radar Radar hỏi đáp định kỳ, hỏi đáp, máy bay trả lời gửi hệ thống ATC thông qua “biến trạng thái” của nó như: tên, vị trí, độ cao, … (Trong hình 1.10 , biến coi rãnh ghi quỹ đạo của máy bay rãnh) Hệ thống ATC xử lý thông báo từ máy bay lưu trữ thông tin CSDL Những thông tin kích hoạt hay xử lý thông qua xử lý Tại thời điểm, hệ thống giám sát tiếp tục phân tích hình ảnh báo cho người điều hành Sự tương tác gữa tốc độ tính toán với giao diện người dùng (bàn phím hiển thị) phải tối thiểu 10Hz Trong đó thời gian hồi đáp khác có thể nhiều Vì vậy, với ví dụ người ta cho phép thời gian hồi đáp từ đầu vào radar giây, chu kỳ cập nhật thời tiết khoảng 10 giây Tóm lại, từ ví dụ có thể thấy hệ thống điều khiển lệnh tương đương với điều khiển mức thấp 4 Xử lý tín hiệu Hầu hết ứng dụng xử lý tín hiệu yêu cầu thời gian thực Ở đây, thời gian đáp ứng của chúng yêu cầu phải dưới vài mili giây cho tới vài giây Ví dụ như: máy lọc số, nén giải nén hình ảnh video, xử lý tín hiệu radar 4.1 Hệ thống radar Một ứng dụng xử lí tín hiệu phần tiêu biểu của hệ thống lớn Như ví dụ, hình 1-11 cho thấy sơ đồ khối của hệ thống theo dõi xử lí tín hiệu tín hiệu rada Hệ thống bao gồm hệ thống vào/ra (I/O) để lấy mẫu số hóa tín hiệu từ radar lựa những giá trị mẫu đưa vào nhớ dùng chung Một xử lý tín hiệu số xử lý giá trị lấy mẫu Dữ liệu tạo từ hay nhiều xử lí dữ liệu phân tísh, sau đó hiển thị hay phát sinh những lệnh để điều khiển radar lựa chọn những tham số để sử dụng chu trình của việc lựa chọn phân tích dữ liệu Để tìm kiếm những đối tượng quan tâm phạm vi giám sát, radar quét vùng việc hướng ăngten của nó theo từng hướng thời điểm Tại thời điểm ăngten dừng lại hướng, trước đó nó gửi xung tần số radio ngắn, sau đó nó lựa chọn kiểm tra tín hiệu gửi ăngten Mỗi tín hiệu bao gồm tiếng ồn xung quanh xung truyền không va vào đối tượng Ngược lại, có đối tượng phản hồi (ví dụ, máy bay bão) khoảng cách x mét tính tới ăngten, tín hiệu phản hồi từ đối tượng tới ăngten xấp xỉ 2x/c giây sau xung truyền đi, đó c = 3x108 m/s vận tốc của ánh sáng Tín hiệu phản hồi thu thời điểm thường mạnh không có đối tượng Nếu đối tượng chuyển động, tần số của tín hiệu phản hồi yếu xung truyền Số lượng của tần số chuyển (gọi Doppler) – tỷ lệ với vận tốc của đối tượng Vì vậy, việc kiểm tra độ mạnh dải phổ của tần số tín hiệu phản hồi, hệ thống có thể xác định có hay không những đối tượng hướng của ăngten có đối tượng, vị trí vận tốc của chúng Hình 1.11 Xử lý tín hiệu radar hệ thống hiệu chỉnh Đặc biệt, hệ thống chia khoảng thời gian mà ăngten dừng lại để tập hợp tín hiệu phản hồi thành những khoảng thời gian rời rạc Mỗi khoảng thời gian tương ứng với phạm vi xác định khoảng cách đến Radar, độ dài của khoảng cách định việc phân chia khoảng đó (trong ví dụ, khoảng cách 300 mét, khoảng phân chia dài micro giây.[1]) Đầu đại diện biến đổi Fourier riêng biệt tương ứng với từng đoạn của tín hiệu phản hồi Dựa vào những đặc trưng của biến đổi, xử lí tín hiệu định có đối tượng phạm vi đó hay không Nếu có đối tượng, nó phát sinh rãnh bản ghi chứa đựng vị trí vận tốc của đối tượng đặt những bản ghi vào nhớ dùng chung Thời gian yêu cầu cho xử lý tín hiệu định thời gian yêu cầu để đưa biến đổi Fourier, thời gian gần tất định Độ phức tạp của biến đổi Fourier nhanh 0(n log n) [1], đó n số lượng của giá trị lấy mẫu phạm vi, n thay đởi từ 128 cho tới vài nghìn Vì vậy, nó dùng 103 tới 105 phép nhân phép cộng để thực biến đổi Fourier Và ăngten dừng lại phương hướng khoảng 100 ms phạm vi phân chia khoảng của radar 100 khoảng phạm vi Sau đó hệ thống xử lí tín hiệu phải làm 107 tới 109 phép nhân phép cộng giây Điều tốt xử lí tín hiệu số ngày Sự theo dõi (Tracking) Tiếng ồn mạnh can thiệp của người có thể làm q trình xử lý dò tìm tín hiệu có những kết luận sai có mặt của những đối tượng Một bản ghi theo dõi của đối tượng không tồn tai gọi trả lời sai Một ứng dụng khảo sát tất cả bản ghi theo dõi theo thứ tự để tìm phản hồi sai từ những dữ liệu thưc cập nhật quĩ đạo của đối tượng phát gọi theo dõi (tracker1) Sử dụng thuật ngữ của vùng phụ thuộc, có thể nói giám sát gán giá trị phép đo (nghĩa là, dữ liệu vị trí vận tốc chứa đựng rãnh bản ghi phát sinh bên quét) vào quĩ đạo Nếu quĩ đạo hữu, giá trị phép đo đưa vị trí thời vận tốc của đối tượng chuyển động dọc theo quĩ đạo Nếu quĩ đạo mới, giá trị phép đo đưa vị trí vận tốc của đối tượng mới có thể Cho qua cửa (Gating) Một cách tiêu biểu, giám sát thực hai bước: cho qua cửa kết hợp dữ liệu [Bog] Cho qua cửa trình đặt giá trị đo vào hai quĩ đạo tùy thuộc vào nó gán cho nhiều quỹ đạo xác lập Quá trình cho qua cửa gán thăm dò giá trị đo vào quĩ đạo xác định nó nằm khoảng cách ngưỡng G tính từ vị trí thời vận tốc dự đoán thời của đối tượng chuyển động dọc theo quĩ đạo (Ở dưới, gọi khoảng cách giữa chính xác giá trị khoảng cách dự đoán của phân định.) ngưỡng G gọi cổng theo dõi (track gate) Nó chọn cho xác suất giá trị đo hợp lệ rơi vào vùng giới hạn hình cầu bán kính G xung quanh giá trị số mong muốn Sơ đồ 1-12 minh họa cho trình Ban đầu, máy tính giám sát vị trí dự đoán (vận tốc) của đối tượng quĩ đạo xác lập Trong ví dụ này, có hai quỹ đạo xác định, L1 L2 Chúng ta gọi vị trí dự đoán của đối tượng rãnh L1 L2 X1, X2, X3 giá trị đo đưa từ ba rãnh bản ghi X1 định thuộc L1 nó khoảng cách giới hạn G từ L1 X3 định thuộc cả L1 L2 lí tương tự Mặt khác, X2 không định thuộc bất cứ quĩ đạo Nó đại diện phản hồi sai đối tượng mới Từ đó phân biệt giữa hai trường hợp này, giám sát giả thuyết X2 vị trí của đối tượng mới Dữ liệu radar sau cho phép giám sát có hiệu lực phế bỏ giả thuyết Trong trường hợp cụ thể, giám sát cân nhắc kỹ trước bỏ qua quĩ đạo Hình 1.12 Tiến trình cho qua cửa TÀI LIỆU THAM KHẢO - Nguyễn Văn Vỵ (2002), Phân tích thiết kế hệ thống thông tin đại, hướng cấu trúc - hướng đối tượng, NXB Thống kê, Hà Nội - Đặng Văn Đức (2002), Phân tích thiết kế hướng đối tượng UML, NXB Giáo dục, Hà nội - Đoàn Văn Ban (2003), Phân tích thiết kế hướng đối tượng UML, NXB Thống kê -Nguyễn Văn Trường (2004), Hệ thống thời gian thực ứng dụng kỹ thuật mô phỏng, Trung tâm Công nghệ Mô – HVKTQS [6] TS Hoàng Minh Sơn , Hệ Thời gian thực điều khiển thời gian thực, Tạp chí TĐHNN (tạp chí điện tử), ngày 13/10/2007 -Nguyễn Văn Ba (2005), Phát triển hệ thống hướng đối tượng với UML2.0 C++ , Nhà xuất bản Thống kê – 2005 -Nguyễn Văn Vỵ (2004), Phân tích thiết kế hệ thống phần mềm – Bài giảng cho cao học, Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội - Ngô Trung Việt (bản dịch- 2001), Kĩ nghệ phần mềm, Nhà xuất bản giáo dục ... Khoảng thời gian bao gồm: thời gian tiếp nhận kích thích, thời gian xử lý thông tin thời gian hồi đáp kích thích Phân loại hệ thời gian thực Hệ thời gian thực chia thành hai loại, hệ thời gian. .. QUAN VỀ HỆ THỜI GIAN THỰC Khái niệm hệ thời gian thực Phân loại hệ thời gian thực .4 2.1 Hệ thời gian thực cứng 2.2 Hệ thời gian thực mềm ... tàu 2.2 Hệ thời gian thực mềm Ngược lại với hệ thời gian thực cứng hệ thời gian thực mềm Kết quả đưa của hệ thống cho phép sai số định cả giá trị thời gian so với khoảng thời gian dự kiến