Windriver实时操作系统在交通控制系统的应用

随着城市的发展以及更多的车辆涌向街道，交通问题困扰着开车的人，步行的人以及城市规划的人。由于新型交通管理系统常常造价昂贵，开发这些系统的人们必须找到提升系统性能的新途径，同时还要保护以前在交通管理系统方面的投资。
Signalbau Huber公司是德国博施（Bosch）集团的附属公司，为从事交通管理系统研制的国际化大公司。通过使用VxWorks实时操作系统进行生产线改造，Signalbau Huber公司能够轻松地提升生产能力并为未来的性能增强打下了良好的基础。到目前为止，Signalbau Huber公司已经在全球销售了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统。

■交通控制系统
交通控制系统无所不在。但是，你是否考虑过驱动交通信号网络所使用的庞大计算技术呢？下一次你焦急地等待绿灯时，不要忘了交通信号灯只是巨大实时网络的一小部分，这个实时网络需要确定的控制框架以及对时间要求苛刻的反应。所以说，尽管看起来要一直等待，但是绿灯会在设计的时间燃亮——严格按照实时系统要求的时间工作，既不能早，也不能晚。实时系统是一种有苛刻要求的系统——反应迟钝，即使正确，也是不能接受的。其实，这不是反应的速度，而是确定的速度。确定的速度是一个实时系统不同于其它系统的关键指标。比如，对于工厂自动化应用来说，可能需要微秒级的反应时间，但对另一个系统来说，比如交通控制系统，可能只需要300到500毫秒的反应时间。不管怎么说，这两个系统都需要运行应用的操作系统具有确定性以及能够保证的反应。
交通控制系统，如位于德国Unterensingen的Signalbau Huber公司生产的那些产品，都是实时系统，要求能够保证的反应时间。Deuschle是Signalbau Huber公司从事开发工作的一位工程师。他说：“当信号灯出问题时，例如某人撞到了杆子上，在300毫秒内，整个系统需要安全并且稳定——每次都必须这样。否则，就会造成交通混乱！” 做为德国博施（Bosch）集团的附属公司以及为从事交通管理系统研制的国际化专业公司，Signalbau Huber公司最近改造了位于Unterensingen的系统，以满足越来越多开车人的需要。

■三层的系统结构
Signalbau Huber公司生产的交通控制系统由三层构成，从上向下分别为运行计算机，区域计算机服务器以及交叉路口控制节点计算机。运行计算机目前使用的是惠普公司基于700 UNIX系列的工作站，负责整个系统的管理，包括收集，分析以及分发来自/送往区域计算机的数据与系统命令。
UNIX系统具有快速磁盘存取能力以及友好的用户接口，是为运行计算机选用的操作系统。不过，该交通控制系统下面的两个层次需要确定的反应并使用实时的操作系统，保证反应的时间。
交叉路口控制节点位于控制架构的最低层次上。正如其名称所提示的那样，这些计算机位于每一个交叉路口，收集实时数据并将实时数据反馈给区域服务器。该信息可能包括行人等待穿越马路的信息，或者交通信号杆损坏的信息。每一个区域服务器均可连接最多256个控制节点，成为整个系统的主要通信装置，向运行计算机以及相应的交叉路口控制节点发送并反馈数据、命令。每一个区域服务器大约有两个基于68030的中央处理单元。一个CPU负责到运行计算机的连接，另一个负责与控制节点进行通信。通过将这些功能分开，Signalbau Huber公司的工程师们就可以放心：对于来自控制节点数据快速并且准确反应的能力将永远不会被系统管理功能所忽视。换句话来说，区域服务器以及控制节点的反应时间不会出错。
Signalbau Huber公司最初的交叉路口微型控制器MTC30/300/3000s，主板为定制的，选用德州仪器公司生产的9995处理器。不过，随着时间的推移，这些控制节点计算机显然需要更换核心处理器，提高处理能力并改善存储容量。Unterensingen的交通计算机开发人员希望这种变化要快一些并且轻松一些。Deuschle说：“主板要尽量少做改动，这是重要的一点。我们要从头开始重新制造计算机的话，没有那么多的时间，费用也承担不起。更重要地是，主板设计没有问题——我们所需要的只是一个功能更强大的处理器。”

■用于交叉路口控制的硬件与软件
决定使用68020处理器后，Signalbau Huber公司把注意力转向寻找新的实时操作系统，以便运行应用软件。Signalbau Huber公司对三种商业化的系统进行了大量的测试工作，最后选择了Wind River公司的VxWorks实时操作系统。使用该操作系统做为新的MTC40/200/4000交叉路口计算机的心脏，后来，也用做区域服务器的心脏。象Deuschle说的那样，选择VxWorks实时操作系统的决定性因素是因为VxWorks具有业界领先的组网能力以及Wind River公司将开发工具与运行环境完美地结合在一起。Deuschle说：“VxWorks支持远端程序调用，这样就能够从RTOS上直接执行UNIX程序，整个交通系统效率更高。说到组网能力，VxWorks是真正的领先者。”
用于交叉路口计算机的定制板卡设计要求Signalbau Huber公司工程师们使用SLIP协议（串行TCP/IP协议），进行开发系统与68020目标系统的通信。在这种情况下，串行调试以及测试工作是可以接受的。
但是，Deuschle希望他的工作组开始建造交叉路口控制节点时，能够使用Wind River的目标调试代理工具。他说：“对于拥有有限资源的开发人员来说，Wind River的目标代理工具是理想的。它需要更大系统的更少的存储空间以及更少的测试帮助，使得紧密嵌入式系统的调试工作不那么费力，也不用花费那么多时间。”后来，Signalbau Huber公司将区域计算机的实时操作系统切换到VxWorks时，目标代理工具已经做好了准备，等候启用。

■主机与目标系统之间的协调
Signalbau Huber公司的软件开发小组对Wind River的开发环境非常喜欢——尤其是它符合业界标准并且UNIX类似。Deuschle说：“它满足了我们最大的期望值”。
使用VxWorks开发工具，在Sun主机工作站上面进行交通系统软件的开发，之后通过基于SLIP协议的终端服务器下载到目标系统。由于Wind River包括了标准的SLIP协议，具有核心的VxWorks组网能力，终端服务器能够识别SLIP，因此，目标板卡上不需要额外的以太网控制器。Deuschle说：“在目标系统上增加以太网控制器将显著地增加造价。VxWorks支持SLIP协议，这给我们省了不少钱。”
对于Signalbau Huber公司的工程师们来说，VxWorks的移动能力是另一个好处。对他们来说，节省开发时间是一个关键的成功因素。象Deuschle说的那样，将VxWorks移植到其它计算机板卡以及CPU比较简单。他说：“使用Wind River的板卡支持套件以及移动开发工具，具有UNIX开发经验的任何软件开发人员都可以独立完成——因此，可以有更多的时间进行应用开发。甚至添加新的驱动器也很简单。”

■交通管理更方便
随着更多的开车族上路，越来越需要有效的交通管理系统。对于全球的交通管理系统来说，VxWorks酷似UNIX操作系统并且有确定的反应时间，这是个大好事。使用Signalbau Huber公司等性能改善的新型系统，实时交通信号灯的时代已经来临。所以，下一次轻松地通过完美定时的绿灯时，可以问问你自己是什么在驱动着这个交通控制系统——答案很可能就是Wind River的VxWorks实时操作系统。