Xenomai는 실시간 성능을 제공하는 리눅스 커널 확장을 이용해 고성능, 고신뢰도의 실시간 신호 처리 시스템을 구축할 수 있다. 실시간 시스템에서는 데이터 수집과 제어 사이클이 매우 짧고, 일정한 주기로 처리되는 것이 매우 중요하다. 이 절에서는 Xenomai를 이용하여 실시간 신호 처리 시스템을 구현하는 방법에 대해 알아보겠다.

실시간 신호 처리 개요

실시간 신호 처리는 디지털 신호 처리(DSP)의 일종으로 거의 지연 없이 데이터를 수집하고 처리하여 즉시 결과를 사용하는 것을 목표로 한다. 주요 적용 분야로는 제어 시스템, 통신 시스템, 오디오 및 비디오 처리, 의료 장비 등이 있다.

Xenomai 실시간 태스크

Xenomai는 리얼타임 태스크를 작성할 수 있도록 여러 API를 제공한다. rt_task_create, rt_task_start 등을 통해 실시간 태스크를 생성하고 실행할 수 있다.

다음은 기본적인 실시간 태스크 생성 예제이다:

#include <native/task.h>
#include <native/timer.h>
#include <rtdk.h>

RT_TASK my_task;

void task_func(void *arg) {
    // 실시간 신호 처리 루프
    while(1) {
        // 신호 처리 코드
        rt_printf("Processing signal...\n");
        rt_task_sleep(1000000); // 1ms 대기
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    // Real-time task creation
    rt_task_create(&my_task, "SignalTask", 0, 50, T_JOINABLE);
    rt_task_start(&my_task, &task_func, NULL);

    // Main task sleeps, allowing other tasks to run
    rt_task_sleep(10000000); // 10ms 대기

    // Cleaning up
    rt_task_delete(&my_task);

    return 0;
}

주파수 도메인 변환

많은 신호 처리 시스템에서 주파수 도메인으로의 변환이 요구된다. Xenomai 환경에서 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 주파수 도메인 분석을 할 수 있다. FFTW 라이브러리 등 다수의 라이브러리를 활용할 수 있다.

다음은 FFTW 라이브러리를 이용한 예제이다:

#include <fftw3.h>
#include <native/task.h>
#include <native/timer.h>
#include <rtdk.h>
#include <math.h>

RT_TASK fft_task;

void fft_func(void *arg) {
    int N = 1024; // 샘플 수
    double *in = (double*)fftw_malloc(sizeof(double) * N);
    fftw_complex *out = (fftw_complex*)fftw_malloc(sizeof(fftw_complex) * (N/2 + 1));
    fftw_plan p = fftw_plan_dft_r2c_1d(N, in, out, FFTW_MEASURE);

    // 입력 신호 생성 (예: 크기 N의 사인파)
    for (int i = 0; i < N; ++i) {
        in[i] = sin(2.0 * M_PI * i / N);
    }

    // FFT 수행
    fftw_execute(p);

    // 결과 출력
    for (int i = 0; i < N/2 + 1; ++i) {
        rt_printf("%d: %f %f\n", i, out[i][0], out[i][1]);
    }

    // 메모리 해제
    fftw_destroy_plan(p);
    fftw_free(in);
    fftw_free(out);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    rt_task_create(&fft_task, "FFTTask", 0, 50, T_JOINABLE);
    rt_task_start(&fft_task, &fft_func, NULL);

    rt_task_sleep(10000000); // 10ms 대기

    rt_task_delete(&fft_task);

    return 0;
}

ADC와 DAC

아날로그 데이터의 수집과 출력을 위해 ADC (Analog to Digital Converter)와 DAC (Digital to Analog Converter)를 사용한다. 이런 장치는 보통 SPI, I2C, 또는 기타 하드웨어 인터페이스를 통해 제어한다.

Xenomai 환경에서는 comedi와 같은 라이브러리를 통해 다양한 AD/DA 보드와 통신할 수 있다. 다음은 간단한 Comedi 예제이다:

#include <comedilib.h>
#include <native/task.h>
#include <native/timer.h>
#include <rtdk.h>

RT_TASK adc_task;

void adc_func(void *arg) {
    comedi_t *device = comedi_open("/dev/comedi0");
    unsigned int channel = 0;
    lsampl_t data;

    if (device == NULL) {
        rt_printf("Failed to open comedi device.\n");
        return;
    }

    while (1) {
        comedi_data_read(device, 0, channel, 0, AREF_GROUND, &data);
        rt_printf("Analog value: %d\n", data);
        rt_task_sleep(1000000); // 1ms 대기
    }

    comedi_close(device);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    rt_task_create(&adc_task, "ADCTask", 0, 50, T_JOINABLE);
    rt_task_start(&adc_task, &adc_func, NULL);

    rt_task_sleep(10000000); // 10ms 대기

    rt_task_delete(&adc_task);

    return 0;
}

각 예제는 특수한 운영 환경과 하드웨어 설정에 맞춰 수정이 필요하다. 실시간 환경에서의 신호 처리는 트레이드오프와 제한사항을 염두에 두고 신중하게 설계해야 한다.