Системы наблюдения и управления

В настоящее время можно выделить несколько классов стандартных систем реального времени: мониторинговые системы (системы наблюдения), системы сбора данных, системы управления и др. Каждому типу систем соответствует особая структура процессов, поэтому при проектировании системы, как правило, архитектуру создают по одному из существующих стандартных типов. Таким образом, вместо обсуждения общих проблем проектирования систем реального времени здесь лучше рассмотреть проектирование с помощью обобщенных моделей.

Системы наблюдения и управления – важный класс систем реального времени. Их основным назначением является проверка сенсоров (датчиков), предоставляющих информацию об окружении системы, и выполнение соответствующих действий в зависимости от поступившей от сенсоров информации. Системы наблюдения выполняют действия после регистрации особого значения сенсора. Системы управления непрерывно управляют аппаратными исполнительными механизмами на основании значений, получаемых от сенсоров.

Рассмотрим следующий пример.

Пусть в здании установлена система охранной сигнализации. В системе используется несколько типов сенсоров: датчики движения, установленные в отдельных комнатах; датчики на окнах первого этажа, которые подают сигнал, если разбивается окно; дверные датчики, фиксирующие открывание дверей. Всего в системе 50 датчиков на окнах, 30 на дверях и 200 датчиков движения.

Когда какой-либо датчик фиксирует присутствие постороннего, система автоматически вызывает местную полицию и, используя звуковой синтезатор, сообщает местоположение датчика (номер комнаты), от которого идет сигнал. В комнатах, расположенных возле активного датчика, включается световая сигнализация и звуковой аварийный сигнал. Система сигнализации обычно включается через сеть, но может работать и от батарей. Проблемы с электропитанием регистрируются специальной программой, контролирующей напряжение электросети. Если в сети регистрируется падение напряжения, программа переключает систему сигнализации на резервное питание от батарей.

В этом примере описана "мягкая" система реального времени, так как здесь нет жестких временных требований. В такой системе не нужно регистрировать события, происходящие с высокой скоростью, поэтому опрос датчиков может проводиться два раза в секунду.

Процесс проектирования начинается с описания апериодических входных сигналов, получаемых системой, и связанных с ними реакций системы. Здесь мы ограничимся упрощенным проектом, в котором не учитываются сигналы, порождаемые процедурами самопроверки, и внешние сигналы, генерируемые при тестировании системы или при ее выключении в случае ложной тревоги. В конечном счете система обрабатывает только два типа входных сигналов.

1. Отключение электропитания генерируется программой, контролирующей электрическую цепь. В ответ на этот сигнал система переключает сеть на резервное питание посредством подачи сигнала электронному прибору переключения питания.

2. Сигнал о вторжении является входным и генерируется одним из датчиков системы. В ответ на него система определяет номер комнаты, в которой находится активный датчик, вызывает полицию, инициируя звуковой синтезатор, и включает звуковой сигнал тревоги и световую сигнализацию здания в месте нарушения.

На следующем шаге процесса проектирования определяются временные ограничения для каждого входного и ответного сигналов системы. В табл. 11.1 перечислены эти временные ограничения. К разным типам датчиков, генерирующих входные сигналы, предъявлены разные временные требования.

Таблица 11.1. Временные ограничения на входные и ответные сигналы системы

Рис. 11.6. Архитектура процессов системы охранной сигнализации

На следующем этапе проектирования распределяются системные функции по параллельным процессам. Периодически нужно опрашивать три типа датчиков, поэтому у каждого типа датчиков имеется связанный с ними процесс. Кроме этого, есть система управления прерываниями, контролирующая электропитание, система связи с полицией, синтезатор речи, система включения звуковой сигнализации и система, включающая световую сигнализацию возле датчика. Каждой системой управляет независимый процесс. На рис. 11.6 показана архитектура процессов системы.

На схеме, представленной на рис. 11.6, стрелки (с примечаниями), соединяющие отдельные процессы, обозначают потоки данных между процессами с указанием типа данных. Надписи над стрелками справа над каждым процессом указывают систему, управляющую данным процессом. На стрелках вверху указано минимальное значение частоты выполнения процесса.

Частота выполнения процессов определяется количеством датчиков и временными требованиями, предъявляемыми системе. Предположим, что в системе имеется 30 дверных датчиков, которые требуется проверять два раза в секунду. Следовательно, связанный с дверным датчиком процесс должен выполняться 60 раз в секунду (частота 60 Гц). Также 400 раз в секунду выполняется процесс, контролирующий датчик движения.

Апериодические процессы обозначены стрелками с пунктирными линиями. На этих линиях указаны события, которые вызывают данный процесс. Все основные исполнительные процессы (звуковой и световой сигнализации и др.) начинаются командой из процесса Система безопасности; им не нужны данные из других процессов. Процессу, управляющему электропитанием, также не нужны данные из других частей системы.

Поскольку данная система не содержит строгих временных требований, ее можно реализовать на языке Java. Конечно, в Java 2.0 нет никакой гарантии соответствия временным спецификациям. В нашей системе все датчики опрашиваются одинаковое количество раз, чего не бывает в реальных системах.

После определения архитектуры процессов системы начинается разработка алгоритмов обработки входных сигналов и генерации ответных сигналов. Как уже отмечалось ранее, этот этап проектирования необходимо выполнять как можно раньше, чтобы удостовериться, что система будет соответствовать временным требованиям. Если соответствующие алгоритмы оказываются сложными, может возникнуть необходимость в изменении временных ограничений. Обычно алгоритмы систем реального времени сравнительно просты. Они проверяют ячейки памяти, выполняют некоторые простые расчеты и управляют передачей сигнала. В примере системы сигнализации проектирование алгоритмов не рассматривается.

Последним этапом процесса проектирования является составление временного графика выполнения процессов. В нашем примере нет процессов со строгими сроками выполнения. Рассмотрим приоритеты процессов. Все процессы, опрашивающие датчики, имеют один и тот же приоритет. Процессу, управляющему электропитанием, необходимо назначить более высокий приоритет. Приоритеты процессов, управляющих системой сигнализации, и процессов, опрашивающих датчики, должны быть одинаковы.

Систему охранной сигнализации можно отнести скорее к системам наблюдения, чем к системам управления, так как в ней нет исполнительных механизмов, напрямую зависящих от значений датчиков. Примером системы управления может служить система управления отоплением здания. Система наблюдает за температурными датчиками, установленными в разных комнатах здания и переключает нагревательные приборы в зависимости от реальной температуры и температуры, установленной в термореле. Термореле, в свою очередь, контролирует отопительный котел.

Архитектура процессов такой системы показана на рис. 11.7; в общем виде она выглядит подобно системе сигнализации. Дальнейшее рассмотрение этого примера предлагается читателю в качестве упражнения.

Рис. 11.7. Архитектура процессов системы управления отоплением