一种主机与控制器协同工作模式的设计与实现

发布时间：2020-04-14 12:29

【摘要】：物联网系统需要协同处理大量物理设备,进而实现更复杂的功能和流程。传统设备控制器往往基于单片机,有很好的实时性和可靠性,但其计算能力不足,功能扩展性有限。而传统主机具有丰富的软硬件资源和较强的处理能力,但难于保证实时性和稳定性。因此需要通过主机(上位机)和多个设备控制器(下位机)协同工作,融合二者各自优点,方便实现复杂应用。为了更好地实现主机和控制器的高效协同,首先提出并实现三层协同控制模式。全局业务逻辑层位于上位机,执行高级流程逻辑;中间控制逻辑层实现基本功能和通讯的封装;下位机实现基本控制逻辑层,为主机提供基本硬件功能。其次,根据业务需求分析抽象出四类延迟类型:平均响应延迟、控制指令执行间隔延迟、事件发生到响应延迟、具有严格时序外设的操作延迟。根据控制指令执行间隔延迟,设计执行器模块,可以进行批处理,降低了指令的平均延迟;为事件发生到响应延迟,设计判断管理器模块,通过快速的轮询,从而保证不同操作的延迟控制。最后,实现了基于通用串行总线(USB)的主机控制协同系统,并针对四项延迟需求开发了对应的任务发生器。实验结果表明,相比于使用串口的传统方式,平均响应时间约缩短了26.8倍;执行器模块调度的指令间延迟没有波动,指令间平均延迟比传统方式缩短的45倍,明显优于传统方式。下位机单独任务的响应延迟低于传统方式;主机任务的最大响应延迟为传统方式的1/1675,均能满足预期指标。
【图文】：

陀螺仪,原始数据,引脚

计时由测试端进行，测试内容的实现由工作端进行。读取单片机引脚是否导通进行性能测试。测试端计时的具体流程为测试准备：测试端拉高单片机特定引脚电平，开始计时。然后测试引脚上电平被拉高时停止计时，计算时间差作为系统延迟。工作端脚电平被拉高后尽快拉高另一默认低电平的引脚电平。由于工作将两个引脚短接类似，因此简称为软件短接。通过对比传统协同模原型系统实现软件短接后的实际相应延迟来比较性能差异。测试端的准备流程需要收到上位机的 PROTOCOL_TEST_TEST 指位机与下位机的通信存在一定的随机延迟，因此测试的实际执行时数据将较为可信。试数据与分析严格时序外设的运转与协同

数据,实时绘图,原型系统,混合滤波

图 5-2 滤波数据，图 5-2 为上位机中使用 python 程序通过原型系统的接口模块调的功能，，进行姿态解算与混合滤波并实时绘图的结果。在实时绘图转电子陀螺仪，先正向旋转 90 度，再反向旋转 180 度，最后恢复原的运动无法保证精确，因此混合滤波获得的姿态数据稍有波动，但动与陀螺仪数据解算出的姿态相吻合，数据准确且平滑。充分利用利与计算资源充足的优势与下位机实时性高的特点，证明原型系统与下位机进行协同工作。控制的整体平均响应延迟系统发送并运行包含 1 至 50 条指令的协议包整体的平均延迟与传论最小延迟如图 5-3 所示。于与串口的理论性能进行对比，原型系统的指令数量换算为实际的
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP302

【参考文献】