Режим реального времени

Что значит работать в режиме реального времени?

  Это примерно означает, что два объекта ведут как бы диалог между собой без задержки между сообщениями, причем скорость этого «общения» соизмерима со скоростью процессов, протекающих в самих объектах. Хотя понятно, что хоть небольшая, но задержка всегда есть. Поэтому для того, чтобы система действительно была «системой реального времени», она должна удовлетворять определенным скоростным характеристикам.

 

В качестве наглядного примера системы, работающей в режиме реального времени, можно привести процесс игры человека в стратегию реального времени. На допустимые действия человека в игре сразу (для нашего восприятия) происходят изменения. С другой стороны, изменения в игре часто требуют немедленной реакции человека.

 

Обычно в системах реального времени выделяют управляемый объект (тот, который совершает какие-либо действия) и управляющий объект (тот, кто следит за событиями и «командует» при возникновении тех или иных изменений). В качестве первого объекта может быть что угодно: робот, промышленная установка, космический корабль. В качестве управленца обычно выступает миникомпьютер. Данные об изменении показателей управляемого объекта передаются в компьютер, быстро оцениваются там, и затем, также очень быстро, управляемому объекту передаются сигналы на изменение тех или иных процессов. Например, компьютер может контролировать изменение температуры в какой-нибудь промышленной печи. Если температура превышает определенное значение, то включаются системы охлаждения. Когда температура принимает нормальное для данного производства значение, то управляющая программа выключает охлаждение.

            Из сказанного выше понятно, что системы реального времени неоценимы в автоматизации производства. Контроль за производством может осуществлять вычислительная машина, а не человек. Вторым плюсом является скорость работы таких систем. Не всегда скорости реакции человек достаточно, чтобы он смог стать частью определенной системы реального времени.

 

Работа в режиме реального времени

      В случае большинства систем машинного зрения требуется, чтобы захват, передача и оценка изображений осуществлялись в пределах заданного интервала времени. Такая функциональность получила название «работа в режиме реального времени». Этот термин применим к системе, ее компонентам и программному обеспечению, которое используется для передачи данных между ними.

 

Работа в режиме реального времени как функция камеры особенно востребована в областях применения, где скорость является критически важным фактором, например на производственных площадках, в системах контроля скорости дорожного движения, а также при необходимости синхронизации работы камеры с другими компонентами системы, например осветительными приборами. В этих случаях используются либо промышленные камеры, либо сетевые (IP-камеры).

 

Требования к максимальному приемлемому времени срабатывания между сигналом триггера и захватом изображения различаются в зависимости от области применения — время срабатывания может варьироваться от микросекунд до секунд.

 

Работа в режиме реального времени — промышленные камеры

 

В промышленных камерах возможность передачи изображений в режиме реального времени является обязательным условием. К примеру, при осуществлении технического контроля деталей в производственном процессе они транспортируются конвейерами с высокой скоростью. Для повышения точности контроля камера должна захватывать изображения быстро, по мере перемещения деталей. Точный расчет времени в этом случае обуславливает необходимость сведения к минимуму времени задержки, то есть периода времени между моментом получения сигнала триггера и моментом захвата изображения.

Кроме того, это время задержки не должно меняться, а в момент захвата изображения должно быть исключено любое дрожание. В областях применения с высокой частотой кадров (например, 300 изображений в секунду) требуемое время задержки может составлять микросекунды.

        Промышленные камеры Basler работают в режиме реального времени и гарантируют минимальное время задержки и дрожание.

         Воспользуйтесь нашим удобным средством выбора камеры и узнайте обо всех камерах Basler, включая матричные камеры и линейные камеры. В средстве выбора камеры также можно задать такие дополнительные характеристики, как разрешение, датчик и оптический размер, чтобы подобрать камеру, наиболее точно отвечающую вашим потребностям.

 

     Работа в режиме реального времени — IP-камеры

Как правило, большинство систем видеонаблюдения, как, например, те, что установлены в банках для мониторинга помещений, используются в режиме автоматического захвата и передачи изображений для получения непрерывного видеопотока, без необходимости срабатывания по триггеру. Если камера настроена на частоту 30 кадров (изображений) в секунду, она самостоятельно будет генерировать сигналы для захвата изображений с интервалом 1/30 секунды.

 

В некоторых же случаях требуется, чтобы камера осуществляла захват изображения по внешнему сигналу (триггеру) в определенный момент времени. Так, систему мониторинга дорожного движения, скорее всего, потребуется будет настроить на захват изображения сразу после пересечения автомобилем линии расположения датчика на шоссе. В IP-камерах Basler предусмотрена функция срабатывания по триггеру реального времени, которая гарантирует захват изображения немедленно по получении сигнала триггера. В случае нормальной частоты кадров требуемая задержка времени составляет буквально миллисекунды. IP-камера передает сжатые изображения (MJPEG/MPEG-4/H.264), в отличие от изображений с промышленных камер, а значит, для их передачи требуется меньшая пропускная способность.

 

В IP-камерах Basler предусмотрена функция срабатывания по триггеру реального времени и обеспечивается передача изображений в режиме реального времени со скоростью до 30 кадров в секунду.

 

Чтобы подобрать сетевую камеру, соответствующую вашим потребностям, также можно воспользоваться средством выбора камеры.

 

77.ОС Windows. Режим реального времени

 

В разряд многозадачных ОС, наряду с пакетными системами и системами разделения времени, включаются также системы реального времени, не упоминавшиеся до сих пор.

 

Они используются для управления различными техническими объектами или технологическими процессами. Такие системы характеризуются предельно допустимым временем реакции на внешнее событие, в течение которого должна быть выполнена программа, управляющая объектом. Система должна обрабатывать поступающие данные быстрее, чем те могут поступать, причем от нескольких источников одновременно.

 

Столь жесткие ограничения сказываются на архитектуре систем реального времени, например, в них может отсутствовать виртуальная память, поддержка которой дает непредсказуемые задержки в выполнении программ  от времени, за которое эти вычисления производятся.

Для событий, происходящих в такой системе, важно время, когда эти события происходят, и их логическая корректность.

 

           Система работает в реальном времени, если ее быстродействие адекватно скорости протекания физических процессов на объектах контроля или управления (имеются в виду процессы, непосредственно связанные с функциями, выполняемыми конкретной системой реального времени). Система управления должна собрать данные, произвести их обработку по заданным алгоритмам и выдать управляющее воздействие за такой промежуток времени, который обеспечивает успешное выполнение поставленных задач.

 

Основные требования к СРВ:

• возможность параллельного выполнения нескольких задач;
• предсказуемость;
• важно максимальное (не среднее) время отклика на событие;
• особые требования в вопросах безопасности;
• возможность безотказной работы в течение длительного времени.

 

Общие характеристики СРВ:

• большие и сложные системы;
• распределенные системы;
• жесткое взаимодействие с аппаратурой;
• выполнение задач зависит от времени;
• сложность тестирования.

 

СРВ должны реагировать на различные типы внутренних и внешних событий (периодических и непериодических). Необходимо отметить, что принадлежность системы к классу СРВ никак не связана с ее быстродействием. Исходные требования к времени реакции системы и другим временным параметрам определяются или техническим заданием на систему, или просто логикой ее функционирования. Интуитивно понятно, что быстродействие СРВ должно быть тем больше, чем больше скорость протекания процессов на объекте контроля и управления.

Принято различать системы жесткого и мягкого реального времени.

Системой жесткого реального времени называется система, где неспособность обеспечить реакцию на какие-либо события в заданное время является отказом и ведет к невозможности решения поставленной задачи. Многие теоретики ставят здесь точку, из чего следует, что время реакции в жестких системах может составлять и секунды, и часы, и недели. Однако большинство практиков считают, что время реакции в системах жесткого реального времени должно быть все-таки минимальным. Большинство систем жесткого реального времени являются системами контроля и управления. Такие СРВ сложны в реализации, так как к ним предъявляются особые требования в вопросах безопасности.

Точного определения мягкого реального времени не существует, поэтому можно отнести сюда все СРВ, не подпадающие в категорию жестких. Так, система мягкого реального времени может не успевать все делать в заданное время, поэтому возникает проблема определения критериев успешности (нормальности) ее функционирования.

Кроме того, СРВ можно разделить на системы специализированные и универсальные. Специализированная СРВ – система, где конкретные временные требования априори определены. Такая система должна быть специально спроектирована для удовлетворения этих требований.

Универсальная СРВ должна уметь выполнять произвольные (заранее неопределенные) временные задачи без применения специальной техники. Разработка таких систем является самой сложной задачей, хотя обычно требования, предъявляемые к таким системам мягче, чем требования к специализированным системам.

Таким образом, если рассматривать IXP1200 как систему реального времени, можно сказать о том, что процессор является универсальной СРВ, так как он, будучи спроектирован только для решения более или менее конкретных задач, но диапазон его применения довольно широк.

 

Для более детального рассмотрения возможностей ОСРВ представлены ориентировочные цифры, дающее представление о порядке времен реакции и подходящих операционных системах (см. таблицу). Данная таблица сформирована на основании экспериментальных данных, полученных на базе вычислительных комплексов, построенных на основе процессоров Intel 80486DX. Безусловно, данный процессор на сегодняшний день является устаревшим, но можно сделать выводы об уровне реакции на внешние события раз-личных ОСРВ.

 

Время реакции

 

Использованные ОС

 

Менее 10 мкс

 

Только ОСРВ, но даже они могут быть бессильны – это граница выбора между схемным и программным решениями

 

10 – 100 мкс

 

Операционные системы реального времени

 

100 мкс – 1 мс

 

ОСРВ, RTAI, RT LINUX, расширения

 

реального времени для Windows NT, CE 1 мс

 

Можно пытаться делать что-то с Linux и Windows NT, но не для систем, где опоздания

 

реакции могут привести к тяжелым последствиям

 

Таким образом, видно, что временные рамки ОСРВ достаточно жесткие. Среди современных операционных систем есть класс продуктов, разработанных специально для построения систем жесткого реального времени – VxWorks, OS9, QNX, LynxOS, OSE и другие. Эти системы содержат необходимый набор инструментов и в некоторых случаях являются единственным выбором – на него приходится идти, невзирая на затраты. Однако достаточно часто требования к реальному времени (полная предсказуемость времени реакции) допускают компромиссы, например, необходимо добиться только нужной средней производительности.

 

Иногда достаточно жестко контролировать только одно из событий, допуская при этом задержки реакций на остальные. В подобных случаях возможности выбора расширяются и желаемых результатов можно достичь, используя такие широко распространенные операционные системы как LINUX, Windows NT, Windows CE, дополняя их расширениями реального времени (RTAI, RT LINUX, RTX).

 

Системы реального времени применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью. Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

 

 

Linux реального времени

До недавнего времени для решения задач автоматизации в основном использовались операционные системы (ОС) реального времени (РВ). Это компактные системы, основанные на микроядерной архитектуре, - такие так VxWorks, OS-9, PSOS, QNX, LynxOS. Эти системы обладают быстрым временем реакции на события и прерывания, компактностью кода, хорошей встраиваемостью и другими преимуществами, характерными для операционных систем с микроядерной архитектурой.