Wind river實時操作系統(tǒng)在交通控制系統(tǒng)的應用

隨著城市的發(fā)展以及更多的車輛涌向街道，交通問題困擾著開車的人，步行的人以及城市規(guī)劃的人。由于新型交通管理系統(tǒng)常常造價昂貴，開發(fā)這些系統(tǒng)的人們必須找到提升系統(tǒng)性能的新途徑，同時還要保護以前在交通管理系統(tǒng)方面的投資。 Signalbau Huber公司是德國博施（Bosch）集團的附屬公司，為從事交通管理系統(tǒng)研制的國際化大公司。通過使用VxWorks實時操作系統(tǒng)進行生產(chǎn)線改造，Signalbau Huber公司能夠輕松地提升生產(chǎn)能力并為未來的性能增強打下了良好的基礎。到目前為止，Signalbau Huber公司已經(jīng)在全球銷售了14,000套交叉路口交通控制器以及100余套完整的交通控制系統(tǒng)。

■交通控制系統(tǒng) 交通控制系統(tǒng)無所不在。但是，你是否考慮過驅(qū)動交通信號網(wǎng)絡所使用的龐大計算技術呢？下一次你焦急地等待綠燈時，不要忘了交通信號燈只是巨大實時網(wǎng)絡的一小部分，這個實時網(wǎng)絡需要確定的控制框架以及對時間要求苛刻的反應。所以說，盡管看起來要一直等待，但是綠燈會在設計的時間燃亮——嚴格按照實時系統(tǒng)要求的時間工作，既不能早，也不能晚。實時系統(tǒng)是一種有苛刻要求的系統(tǒng)——反應遲鈍，即使正確，也是不能接受的。其實，這不是反應的速度，而是確定的速度。確定的速度是一個實時系統(tǒng)不同于其它系統(tǒng)的關鍵指標。比如，對于工廠自動化應用來說，可能需要微秒級的反應時間，但對另一個系統(tǒng)來說，比如交通控制系統(tǒng)，可能只需要300到500毫秒的反應時間。不管怎么說，這兩個系統(tǒng)都需要運行應用的操作系統(tǒng)具有確定性以及能夠保證的反應。 交通控制系統(tǒng)，如位于德國Unterensingen的Signalbau Huber公司生產(chǎn)的那些產(chǎn)品，都是實時系統(tǒng)，要求能夠保證的反應時間。Deuschle是Signalbau Huber公司從事開發(fā)工作的一位工程師。他說：“當信號燈出問題時，例如某人撞到了桿子上，在300毫秒內(nèi)，整個系統(tǒng)需要安全并且穩(wěn)定——每次都必須這樣。否則，就會造成交通混亂！” 做為德國博施（Bosch）集團的附屬公司以及為從事交通管理系統(tǒng)研制的國際化專業(yè)公司，Signalbau Huber公司最近改造了位于Unterensingen的系統(tǒng)，以滿足越來越多開車人的需要。 ■三層的系統(tǒng)結構 Signalbau Huber公司生產(chǎn)的交通控制系統(tǒng)由三層構成，從上向下分別為運行計算機，區(qū)域計算機服務器以及交叉路口控制節(jié)點計算機。運行計算機目前使用的是惠普公司基于700 UNIX系列的工作站，負責整個系統(tǒng)的管理，包括收集，分析以及分發(fā)來自/送往區(qū)域計算機的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)命令。 UNIX系統(tǒng)具有快速磁盤存取能力以及友好的用戶接口，是為運行計算機選用的操作系統(tǒng)。不過，該交通控制系統(tǒng)下面的兩個層次需要確定的反應并使用實時的操作系統(tǒng)，保證反應的時間。 交叉路口控制節(jié)點位于控制架構的最低層次上。正如其名稱所提示的那樣，這些計算機位于每一個交叉路口，收集實時數(shù)據(jù)并將實時數(shù)據(jù)反饋給區(qū)域服務器。該信息可能包括行人等待穿越馬路的信息，或者交通信號桿損壞的信息。每一個區(qū)域服務器均可連接最多256個控制節(jié)點，成為整個系統(tǒng)的主要通信裝置，向運行計算機以及相應的交叉路口控制節(jié)點發(fā)送并反饋數(shù)據(jù)、命令。每一個區(qū)域服務器大約有兩個基于68030的中央處理單元。一個CPU負責到運行計算機的連接，另一個負責與控制節(jié)點進行通信。通過將這些功能分開，Signalbau Huber公司的工程師們就可以放心：對于來自控制節(jié)點數(shù)據(jù)快速并且準確反應的能力將永遠不會被系統(tǒng)管理功能所忽視。換句話來說，區(qū)域服務器以及控制節(jié)點的反應時間不會出錯。 Signalbau Huber公司最初的交叉路口微型控制器MTC30/300/3000s，主板為定制的，選用德州儀器公司生產(chǎn)的9995處理器。不過，隨著時間的推移，這些控制節(jié)點計算機顯然需要更換核心處理器，提高處理能力并改善存儲容量。Unterensingen的交通計算機開發(fā)人員希望這種變化要快一些并且輕松一些。Deuschle說：“主板要盡量少做改動，這是重要的一點。我們要從頭開始重新制造計算機的話，沒有那么多的時間，費用也承擔不起。更重要地是，主板設計沒有問題——我們所需要的只是一個功能更強大的處理器。” ■用于交叉路口控制的硬件與軟件 決定使用68020處理器后，Signalbau Huber公司把注意力轉(zhuǎn)向?qū)ふ倚碌膶崟r操作系統(tǒng)，以便運行應用軟件。Signalbau Huber公司對三種商業(yè)化的系統(tǒng)進行了大量的測試工作，最后選擇了Wind River公司的VxWorks實時操作系統(tǒng)。使用該操作系統(tǒng)做為新的MTC40/200/4000交叉路口計算機的心臟，后來，也用做區(qū)域服務器的心臟。象Deuschle說的那樣，選擇VxWorks實時操作系統(tǒng)的決定性因素是因為VxWorks具有業(yè)界領先的組網(wǎng)能力以及Wind River公司將開發(fā)工具與運行環(huán)境完美地結合在一起。Deuschle說：“VxWorks支持遠端程序調(diào)用，這樣就能夠從RTOS上直接執(zhí)行UNIX程序，整個交通系統(tǒng)效率更高。說到組網(wǎng)能力，VxWorks是真正的領先者。” 用于交叉路口計算機的定制板卡設計要求Signalbau Huber公司工程師們使用SLIP協(xié)議（串行TCP/IP協(xié)議），進行開發(fā)系統(tǒng)與68020目標系統(tǒng)的通信。在這種情況下，串行調(diào)試以及測試工作是可以接受的。 但是，Deuschle希望他的工作組開始建造交叉路口控制節(jié)點時，能夠使用Wind River的目標調(diào)試代理工具。他說：“對于擁有有限資源的開發(fā)人員來說，Wind River的目標代理工具是理想的。它需要更大系統(tǒng)的更少的存儲空間以及更少的測試幫助，使得緊密嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試工作不那么費力，也不用花費那么多時間?！焙髞?，Signalbau Huber公司將區(qū)域計算機的實時操作系統(tǒng)切換到VxWorks時，目標代理工具已經(jīng)做好了準備，等候啟用。 ■主機與目標系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào) Signalbau Huber公司的軟件開發(fā)小組對Wind River的開發(fā)環(huán)境非常喜歡——尤其是它符合業(yè)界標準并且UNIX類似。Deuschle說：“它滿足了我們最大的期望值”。 使用VxWorks開發(fā)工具，在Sun主機工作站上面進行交通系統(tǒng)軟件的開發(fā)，之后通過基于SLIP協(xié)議的終端服務器下載到目標系統(tǒng)。由于Wind River包括了標準的SLIP協(xié)議，具有核心的VxWorks組網(wǎng)能力，終端服務器能夠識別SLIP，因此，目標板卡上不需要額外的以太網(wǎng)控制器。Deuschle說：“在目標系統(tǒng)上增加以太網(wǎng)控制器將顯著地增加造價。VxWorks支持SLIP協(xié)議，這給我們省了不少錢?！?對于Signalbau Huber公司的工程師們來說，VxWorks的移動能力是另一個好處。對他們來說，節(jié)省開發(fā)時間是一個關鍵的成功因素。象Deuschle說的那樣，將VxWorks移植到其它計算機板卡以及CPU比較簡單。他說：“使用Wind River的板卡支持套件以及移動開發(fā)工具，具有UNIX開發(fā)經(jīng)驗的任何軟件開發(fā)人員都可以獨立完成——因此，可以有更多的時間進行應用開發(fā)。甚至添加新的驅(qū)動器也很簡單?！? ■交通管理更方便 隨著更多的開車族上路，越來越需要有效的交通管理系統(tǒng)。對于全球的交通管理系統(tǒng)來說，VxWorks酷似UNIX操作系統(tǒng)并且有確定的反應時間，這是個大好事。使用Signalbau Huber公司等性能改善的新型系統(tǒng)，實時交通信號燈的時代已經(jīng)來臨。所以，下一次輕松地通過完美定時的綠燈時，可以問問你自己是什么在驅(qū)動著這個交通控制系統(tǒng)——答案很可能就是Wind River的VxWorks實時操作系統(tǒng)。