基于多線程的人機(jī)交互式控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

蘇娟 郝欣偉 李志超

摘要：基于多線程和模塊化的設(shè)計(jì)思想，以abview為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互式控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)。本方案的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是基于Labview開發(fā)平臺(tái)的人機(jī)交互式控制軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)以及高實(shí)時(shí)性和可靠性的多線程協(xié)同工作模式的實(shí)現(xiàn)。本方案具有人機(jī)交互界面友好、開發(fā)周期短、穩(wěn)定可靠、控制準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，極大地提高了控制系統(tǒng)的開發(fā)效率和自動(dòng)化程度。

關(guān)鍵詞：多線程；人機(jī)交互式控制；Labview；

中圖分類號(hào)：A06-029文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-3520（2014）-06-00259-021、前言

人機(jī)交互式控制模式是指操作人員通過終端設(shè)備輸入信息和操作命令，系統(tǒng)接到后立即處理，并通過終端設(shè)備顯示處理結(jié)果，操作人員根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)一步輸入信息和操作命令。系統(tǒng)與操作人員以人機(jī)對(duì)話的方式一問一答，直至最終獲得理想的結(jié)果，這種方式與傳統(tǒng)的非交互式處理相比，具有靈活、直觀、便于控制的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域越來(lái)越廣泛地采用。

而傳統(tǒng)的基于Keil平臺(tái)狀態(tài)機(jī)的開發(fā)模式和基于Vxworks平臺(tái)多任務(wù)的開發(fā)模式都不能很好地滿足人交互式控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)要求。Labview是一種基于圖形化數(shù)據(jù)流的編程語(yǔ)言，為人機(jī)交互式控制軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了嶄新的平臺(tái)。它使用圖形語(yǔ)言（如各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線等）以框圖的形式編寫程序，在提供強(qiáng)大功能的同時(shí)保證了系統(tǒng)的靈活性。

2、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1Labview多線程運(yùn)行機(jī)制介紹

Labview的運(yùn)行機(jī)制是一種協(xié)作式的多線程并行運(yùn)行機(jī)制，當(dāng)同等優(yōu)先級(jí)線程被執(zhí)行時(shí)，時(shí)間片循環(huán)排序?yàn)槊總€(gè)線程分配了同等的處理器時(shí)間。在一個(gè)線程用完了可用的時(shí)間片，操作系統(tǒng)自動(dòng)地停止處理該線程，開始執(zhí)行隊(duì)列中下一個(gè)線程。這種混合了搶占式和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)式的任務(wù)排序能夠保證多任務(wù)的并行實(shí)時(shí)處理。

基于Labview多線程并行執(zhí)行，分割時(shí)間片占用CPU資源的運(yùn)行機(jī)制，根據(jù)軟件需求，將該軟件分為主程序MAIN.VI和它所調(diào)用的各子程序組成。主程序采用面向數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思路，分為若干個(gè)線程并行執(zhí)行，每個(gè)線程由一個(gè)while循環(huán)構(gòu)成。不同線程的優(yōu)先級(jí)不同，通過在循環(huán)空閑時(shí)段調(diào)用“等待到下一個(gè)整數(shù)倍毫秒”函數(shù)和隊(duì)列的使用來(lái)調(diào)節(jié)CPU資源占有線程時(shí)間和數(shù)據(jù)的讀寫速度，從而達(dá)到不同優(yōu)先級(jí)線程并行執(zhí)行的效果。

2.2線程間通訊方式

其他線程之間的數(shù)據(jù)交互通過隊(duì)列、局部變量及VI服務(wù)器引用進(jìn)行。通過局部變量進(jìn)行數(shù)據(jù)交互多用于數(shù)據(jù)更新頻率低，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的控件的值屬性改變，主要包括CAN總線初始化標(biāo)志位、流程參數(shù)（標(biāo)量）等；為了避免內(nèi)存的消耗和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，保證數(shù)據(jù)不丟失，指令響應(yīng)的及時(shí)準(zhǔn)確，采用隊(duì)列來(lái)進(jìn)行不同線程之間的數(shù)據(jù)傳遞；而人機(jī)交互界面上控件的動(dòng)畫實(shí)時(shí)顯示則采用VI服務(wù)器引用來(lái)與運(yùn)動(dòng)控制子VI進(jìn)行信息交互。

3、CAN協(xié)議層的實(shí)現(xiàn)

CAN總線協(xié)議層基于已在各型號(hào)中廣泛使用的雙通道切換通信原理，基于Labview語(yǔ)言，總線接收采用查詢方式實(shí)現(xiàn)，開啟獨(dú)立2個(gè)線程，由當(dāng)前工作通道來(lái)決定哪個(gè)線程處于工作狀態(tài)，而備用通道工作線程處于空閑狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)接收高峰時(shí)段，相鄰兩次接收時(shí)間間隔小于1ms，當(dāng)數(shù)據(jù)接收空閑時(shí)段，相鄰兩次查詢延時(shí)設(shè)置為10ms，讓出CPU資源，保證了其他線程執(zhí)行的實(shí)時(shí)性。

CAN總線發(fā)送采用FIFO隊(duì)列模式，當(dāng)不同的線程在相臨時(shí)間間隔內(nèi)均需發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，僅需將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入發(fā)送隊(duì)列。而在數(shù)據(jù)發(fā)送線程中，以查詢方式讀取隊(duì)列緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)送函數(shù)返回值為1時(shí)，代表本次發(fā)送成功，此時(shí)才從隊(duì)列中取出下一個(gè)待發(fā)送數(shù)據(jù)；若發(fā)送失敗，則通過備用通道向總線各節(jié)點(diǎn)發(fā)送切換幀，告之各節(jié)點(diǎn)切換CAN工作通道，并將未發(fā)送成功數(shù)據(jù)重新發(fā)送。當(dāng)總線切換3次均為發(fā)送成功，則在人機(jī)交互界面彈出報(bào)警對(duì)話框，告之操作者總線通訊失敗。

如應(yīng)用局部變量實(shí)現(xiàn)線程間數(shù)據(jù)交互，如果查詢速度大于局部變量的速度，則會(huì)多次重復(fù)讀取同一數(shù)據(jù)；如果查詢速度小于局部變量的改變速度，則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)遺漏。

4、過程控制的實(shí)現(xiàn)

控制功能的實(shí)現(xiàn)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。怎樣實(shí)現(xiàn)控制流程執(zhí)行時(shí)在各個(gè)狀態(tài)中靈活切換并能及時(shí)有效響應(yīng)“停止”按鍵，不出現(xiàn)死循環(huán)或響應(yīng)不及時(shí)現(xiàn)象？通過大量實(shí)驗(yàn)，最終確定使用“生產(chǎn)者——消費(fèi)者”+“狀態(tài)機(jī)”的設(shè)計(jì)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)指令觸發(fā)響應(yīng)和控制狀態(tài)的靈活切換。

4.1生產(chǎn)者——消費(fèi)者設(shè)計(jì)

“生產(chǎn)者——消費(fèi)者”設(shè)計(jì)模式是事件處理器和隊(duì)列消息處理器相結(jié)合構(gòu)成的復(fù)合設(shè)計(jì)模式。生產(chǎn)者是指令的提供方，產(chǎn)生指令，并將指令放入隊(duì)列，由事件結(jié)構(gòu)+while循環(huán)組成;消費(fèi)者是指令的消費(fèi)方，依次從隊(duì)列中取出指令，由while循環(huán)+條件結(jié)構(gòu)處理。生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間存在一個(gè)指令緩沖區(qū)，通過隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如當(dāng)“推進(jìn)”指令按下，“推進(jìn)”指令入隊(duì)列，在消費(fèi)者循環(huán)中指令出隊(duì)列并執(zhí)行相應(yīng)流程，當(dāng)推進(jìn)過程中“停止”按下，則清空隊(duì)列，并執(zhí)行“停止”入隊(duì)列最前端，這樣在消費(fèi)者循環(huán)中就能及時(shí)切換并執(zhí)行停止流程。

具體程序結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

5.1狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

在消費(fèi)者循環(huán)中，采用“狀態(tài)機(jī)”的設(shè)計(jì)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)某個(gè)事件中各個(gè)狀態(tài)的切換，主要采用“while循環(huán)+條件分支”結(jié)構(gòu)，并利用移位寄存器來(lái)傳遞狀態(tài)。在程序執(zhí)行完任一狀態(tài)時(shí)，對(duì)狀態(tài)變量賦值并存儲(chǔ)于移位寄存器中，實(shí)現(xiàn)將下一個(gè)狀態(tài)傳遞到下一次循環(huán)判斷中。下一次執(zhí)行while循環(huán)進(jìn)行狀態(tài)判斷時(shí)，通過條件結(jié)構(gòu)對(duì)移位寄存器中存儲(chǔ)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)。這樣，就實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地改變程序執(zhí)行順序，以適應(yīng)多種控制情況的目的。具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

當(dāng)控制過程復(fù)雜時(shí)，在消費(fèi)者循環(huán)中需要運(yùn)行多層狀態(tài)機(jī)，即每一個(gè)狀態(tài)中又包含若干個(gè)子狀態(tài)。這樣，在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)就需要調(diào)用多層條件結(jié)構(gòu)，每一層條件結(jié)構(gòu)都需要有對(duì)應(yīng)的移位寄存器用來(lái)判斷本次循環(huán)條件執(zhí)行的分支。如圖3所示。這樣，就造成了程序?qū)哟芜^多，可讀性維護(hù)性差的弊端。因此，我們可分析將每一層狀態(tài)機(jī)都封裝為一個(gè)函數(shù)功能模塊，而此VI的輸入輸出參數(shù)設(shè)為本次執(zhí)行的狀態(tài)和下一次要執(zhí)行的狀態(tài)。

以對(duì)中控制為例，對(duì)中的控制過程復(fù)雜，存在多個(gè)控制狀態(tài)，狀態(tài)切換圖如圖4所示。如對(duì)中控制過程分為“左右粗對(duì)中”、“上下粗對(duì)中”、“左右平行”、“左右對(duì)中”、“上下平行”、“上下對(duì)中”6個(gè)順序執(zhí)行階段，每個(gè)控制階段中多次對(duì)油缸進(jìn)行控制，油缸有上下左右四個(gè)運(yùn)動(dòng)方向。油缸控制存在11種狀態(tài)切換，所以將油缸控制編寫為controlMotor.vi模塊，此VI的輸入輸出參數(shù)為本次油缸執(zhí)行狀態(tài)、和下次油缸執(zhí)行狀態(tài)。每次調(diào)用controlMotor.vi時(shí)只執(zhí)行一種狀態(tài)，通過外層循環(huán)的移位寄存器改變狀態(tài)值來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換，這樣簡(jiǎn)化了程序結(jié)構(gòu)，也避免了與主VI無(wú)法實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的問題。程序框圖如圖5所示。

10、仿真及桌面聯(lián)調(diào)

各項(xiàng)控制功能調(diào)試：水平裝填車電控系統(tǒng)在實(shí)際大型試驗(yàn)應(yīng)用中，能夠正確執(zhí)行自動(dòng)對(duì)中、抓彈、放彈、裝填、退彈等控制功能，能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)停止操作，并能夠正確恢復(fù)繼續(xù)執(zhí)行，各故障狀態(tài)能夠及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警。

CAN總線通信功能及性能：總線上各節(jié)點(diǎn)給控制單元發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)總線負(fù)載率為100%時(shí)，CAN數(shù)據(jù)接收線程仍能夠正常接收數(shù)據(jù)，未出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象；水平裝填車電控系統(tǒng)信息傳輸?shù)恼_性、協(xié)調(diào)性，即水平裝填車電控系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備間軟件接口正確，所有指令、數(shù)據(jù)收發(fā)正確。在運(yùn)行期間CPU為43%內(nèi)存使用為256M，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)總內(nèi)存。在執(zhí)行控制流程或用戶對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行操作時(shí)，數(shù)據(jù)處理能夠正常收發(fā)，未出現(xiàn)丟數(shù)死機(jī)等異?，F(xiàn)象。

11、程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

11.1多線程的同步執(zhí)行

多線程的同步執(zhí)行，應(yīng)合理分配CPU資源，優(yōu)先級(jí)高的線程。如總線數(shù)據(jù)接收線程，應(yīng)避免使用延時(shí)函數(shù)，以保證數(shù)據(jù)接收的及時(shí)性?？偩€數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)接收的最小周期來(lái)設(shè)定循環(huán)的周期，做到不占用過多的CPU資源，保證其他線程的執(zhí)行，又不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)遺漏。

11.2內(nèi)存泄漏的避免

程序中打開了某些資源（文件、引用等），在程序退出之前，不論是否有異常出現(xiàn)，都一定要把資源關(guān)閉。若打開的資源不關(guān)閉，則一直駐留在內(nèi)存中。但程序關(guān)閉后再無(wú)法訪問這些資源，這就造成了內(nèi)存泄漏。不論在過程中是否有錯(cuò)，打開的文件都應(yīng)當(dāng)在程序結(jié)束前被關(guān)閉。

11.3狀態(tài)機(jī)的使用

狀態(tài)機(jī)的應(yīng)用重點(diǎn)是移位寄存器的靈活使用，移位寄存器會(huì)動(dòng)態(tài)地將狀態(tài)變量存在一個(gè)內(nèi)置的緩沖區(qū)中，不能通過局部變量或全局變量在其他線程中賦值來(lái)更改狀態(tài)執(zhí)行步驟。

11.4文件存儲(chǔ)過大問題

用TDMS文件將總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)線程的執(zhí)行周期如果過小，會(huì)造成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件過大，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)索引文件過大的問題，會(huì)大大影響硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)效率。所以，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)線程的周期要根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生周期而定，當(dāng)數(shù)據(jù)以1幀/ms的速率進(jìn)行入隊(duì)列操作時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的周期要大于等于1s。

12結(jié)束語(yǔ)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于多線程協(xié)同工作的設(shè)計(jì)思想，以及處理人機(jī)交互式控制的編程框架。以Labview2011為集成開發(fā)環(huán)境，以水平裝填車控制系統(tǒng)軟件為例，對(duì)多功能控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，各功能模塊運(yùn)行良好，對(duì)外界觸發(fā)響應(yīng)及時(shí)，線程間數(shù)據(jù)交互準(zhǔn)確無(wú)誤。程序中使用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，程序方便修改，具有較大的靈活性。很好地保證了系統(tǒng)的可視化操作和應(yīng)用實(shí)施的通用性。

參考文獻(xiàn)：

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[2]我和Labview:一個(gè)NI工程師的十年編程經(jīng)驗(yàn)/阮奇楨編著.—北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.9