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研究生:王宗業
研究生(外文):Wang, Tzung-yeh
論文名稱:即時多工作業系統在運動控制的應用與研究
論文名稱(外文):Application and Study of RTOS on Motion Cotrol
指導教授:莊華益莊華益引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:83
中文關鍵詞:即時多工作業系統運動控制即時系統
外文關鍵詞:LinuxRTLinuxmotion cotrol
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運動控制系統多軸即時運動的特性,即時效能與多工執行是系統成功的關鍵。即時多工作業系統所提供的系統服務可以提供即時時鐘服務,以及數個程式同時執行的能力。
Linux提供穩定的多人多工以及網路環境,輔以RTLinux對Linux核心即時性能的補強,使它們的組合非常適合於運動控制的應用。RTLinux提昇Linux即時性能的方法將予以討論,作為系統設計輔助。
運動控制系統實作了軌跡規劃以及加減速控制,以執行B-Spline曲線軌跡,並使用Hermite曲線作為細部插值器。
本論文採用RTLinux/Linux組合的方式提供系統所需的即時系統服務,並且透過網路的方式提供多人同時執行的人機介面。在硬體方面採用Hitachi SH4,完全利用Linux所提供的穩定作業環境。
採用Linux/RTLinux以及SH4 CPU所完成的一個嵌入式系統,可有效減少系統使用的資源,使其達到最大的發揮。未來也可將本系統所採用的設計模式應用到不同的場合。
The motion control system is a real-time multi-axes system, and the key to success is the real-time performance and multi-tasks. A real-time operating system can provide real-time clock and multiprogramming system services.
Linux has multi-users, multi-tasks and networking facilities and the RTLinux is a real-time extension to Linux. The combination of both of them greatly fit to motion control.
The methods used by RTLinux to improve the real-time performance of Linux are discussed in order to design motion control system.
The motion control system implements profile generation and acceleration-deceleration control so that it can run B-Spline, and the hermite curve is used as fine interpolator.
In this thesis, the combination of RTLinux and Linux provides real-time services, and multi-users user interface across Internet. Hitachi SH4 CPU is used as hardware platform; it can thoroughly use the stable environment Linux can do.
An embedded system run the RTLinux/Linux and use SH4 CPU and efficiently lower the amount of system resource, make the best efforts. In the future, this design pattern can be used as other applications too,.
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖表索引 VIII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 2
第二章 即時系統 5
2.1即時系統的分類 5
2.2即時系統的參考模型 6
2.2.1週期式工作模型 7
2.3優先權式驅動排程 8
2.3.1固定優先權演算法 8
2.3.2動態優先權演算法 10
2.4固定優先權工作的可排程度測試 11
2.4.1臨界時間 11
2.4.2時間需求分析 11
2.5最大可排程使用率 12
2.5.1速率單調式演算法在相對時間底線等於週期的工作的可排程使用率 13
2.6實際因素 14
2.6.1 不可先佔性 14
2.6.2 自我懸置 15
2.6.3 內文切換 16
第三章 RTLinux/Linux即時作業系統 17
3.1 RTLinux虛擬機器 18
3.2 即時執行緒以及即時工作 22
3.2.1 RTLinux即時工作 23
3.3 排程機制(Scheduling) 24
3.4 時間服務(Timing) 26
3.5 即時與非即時核心間的資料通訊 27
3.6 RTLinux硬即時能力實測 28
3.6.1內文切換時間 28
3.6.2 使用不同的時鐘機制取得高解析度時間的準確度 29
3.6.3 核心與使用者定址空間大量資料傳輸時間 31
第四章 運動控制系統軌跡規劃與加減速控制 32
4.1 賀邁特曲線(Hermite Curves) 33
4.2 雲形曲線(B-Spline Curves) 36
4.2.1非週期性B-Spline曲線 37
4.2.2矩陣形式的B-Spline曲線 41
4.2.3週期性B-Spline曲線 43
4.3 加減速控制 46
第五章 硬體架構 49
5.1 SH4 RISC CPU 50
5.2 SH7750 SolutionEngine (MS7750SE01) 58
5.2.1 SolutionEngine的特徵 58
5.2.2 SolutionEngine規格 59
第六章 Web-based多人多工運動控制系統設計與實作 62
6.1 Web-based多人多工運動控制系統軟體之架構 65
6.1.1 Web-based人機界面 66
6.1.2運動及緊急命令直譯器 68
6.1.3運動軌跡產生器即時執行緒 71
6.1.4細部插值即時執行緒 71
6.1.5 緊急命令處理即時執行緒 71
6.1.6 即時中斷服務常式 74
6.2 馬達驅動器 76
6.2.1 馬達驅動器通訊迴路 76
6.2.2 PWM中斷服務常式 77
6.3 系統硬即時效能實驗 79
第七章 結論 80
參考文獻 82
圖表索引
圖2.1 速率單調式優先權驅動式演算法 9
圖2.2 時間底線單調式優先權演算法 10
圖3.1 沒有即時支援的基本Linux核心 20
圖3.2 修改後可支援硬即時的RTLinux + Linux核心 20
圖3.3 先佔式優先權排程演算法排程器 24
圖3.4單擊時鐘時間對樣本之關係圖 28
圖3.5週期時鐘時間對樣本之關係圖 29
圖4-1 Hermite Curve 幾何圖 32
圖4-2 非週期性雲形曲線:n=5,k=3. 39
圖4-3 非週期性雲形曲線摻合函數:n=5,k=3. 40
圖4-4 三階週期性B-Spline曲線範例 44
圖4-5 前加減速處理 45
圖5-1 SolutionEngine外觀圖 60
圖6.1 系統架構圖 62
圖6.2 CGI程式使用FIFO與運動及緊急命令直譯器通訊之流程圖
66
圖6.3 運動及即時命令直譯器流程圖 69
圖6.4 運動軌跡產生器即時執行緒流程圖 71
圖6.5 細部插值即時執行緒流程圖 72
圖6.6 即時中斷服務常式流程圖 74
圖6.7 馬達驅動器示意圖 75
圖6.8 馬達驅動器命令讀取迴路流程圖 76
圖6.9 PWM中斷服務常式流程圖 77
照片5.1 SolutionEngine實體照片 60
照片6.1系統實體照片 63
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