서론

Xenomai는 실시간 성능을 필요로 하는 다양한 산업 애플리케이션에 널리 사용되는 실시간 프레임워크이다. 이 장에서는 Xenomai를 활용하여 실시간 데이터 수집 및 제어 시스템을 구현하는 사례 연구를 통해 산업 제어 시스템의 구조와 동작 방법을 상세히 설명한다.

시스템 개요

시스템 설계 요구사항

산업 제어 시스템은 여러 센서와 액추에이터를 제어하면서 안정적인 실시간 응답을 제공해야 한다. 주요 설계 요구사항은 다음과 같다: - 실시간 응답성 - 높은 신뢰성 및 내구성 - 확장성 - 유지보수 용이성

아키텍처 개요

하드웨어 구성

산업 제어 시스템의 하드웨어 구성 요소는 다음과 같다: - 중앙 처리 장치(CPU): 시스템의 두뇌로, 실시간 연산을 수행한다. - 센서: 다양한 데이터를 수집한다. 예를 들어 온도, 압력, 습도 등을 측정한다. - 액추에이터: 특정 작업을 수행한다. 예를 들어 모터를 회전시키는 역할을 한다. - 네트워크 인터페이스: 다른 시스템과의 통신을 위한 네트워크 연결

소프트웨어 구성

시스템 소프트웨어는 주로 Xenomai를 기반으로 구성되어 있다: - 핵심 Xenomai 라이브러리: 실시간 작업 스케줄링을 담당한다. - 실시간 태스크: 특정 주기마다 실행되는 작업, 센서 데이터 수집 및 제어 명령 전송 등을 수행한다. - IPC(Inter-process Communication): 데이터 공유 및 동기화를 위한 통신 메커니즘

Xenomai 기반 실시간 태스크 설계

실시간 태스크의 분류

실시간 태스크는 각기 다른 우선순위를 가지고 다음과 같이 분류된다: - 고우선 태스크: 짧은 주기로 자주 발생하는 긴급 작업. 예를 들어, 시스템 안정성 모니터링 - 저우선 태스크: 긴 주기로 발생하거나, 긴급하지 않은 작업. 예를 들어 데이터 로깅 및 보고서 생성

실행 주기 및 스케줄링

실시간 태스크는 실행 주기와 우선순위를 기반으로 스케줄링된다. 다음은 주요 설정 변수이다: - 실행 주기 (T): 태스크가 주기적으로 실행되는 주기, 예를 들어 10ms - 우선순위 (P): 태스크가 시스템 내 다른 작업에 비해 얼마나 중요한지를 나타낸다.

수식을 통해 스케줄링을 설명하면 다음과 같다:

여기서, $T_i$는 i번째 태스크의 실행 주기이고, $f_i$는 태스크의 실행 빈도이다.

코드 예제

아래는 주기적으로 실행되는 실시간 태스크의 코드 예제이다:

#include <xenomai/init.h>
#include <xenomai/native/task.h>

RT_TASK my_task;

void my_task_proc(void *arg) {
    while (1) {
        rt_printf("실시간 태스크 실행 중...\n");
        rt_task_sleep(rt_timer_ns2ticks(10000000)); // 10ms 주기
    }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    rt_task_create(&my_task, "MyTask", 0, 99, 0);
    rt_task_start(&my_task, &my_task_proc, NULL);

    pause();
    return 0;
}

센서 데이터 수집 및 처리

데이터 수집 메커니즘

센서 데이터는 주기적으로 수집되며, 각 센서는 고유의 인터페이스를 통해 데이터를 보내게 된다: - 폴링 방식: 주기적으로 센서 상태를 확인하여 데이터를 읽는 방식 - 인터럽트 방식: 센서에서 신호를 보내 데이터를 즉시 읽어들이는 방식

데이터 전처리

수집된 데이터는 원시 상태로 사용하기 전에 전처리가 필요하다: - 필터링: 노이즈 제거 - 변환: 센서 출력값을 의미 있는 단위로 변환 - 평균화: 일관된 값을 얻기 위해 여러 샘플의 평균값 계산

코드 예제

아래는 주기적으로 센서 데이터를 수집하고 전처리하는 예제 코드이다:

#include <stdio.h>
#include <xenomai/native/task.h>

#define NUM_SENSORS 3
#define DATA_LENGTH 100

RT_TASK data_collect_task;

int sensor_data[NUM_SENSORS][DATA_LENGTH];

void data_collect_proc(void *arg) {
    int sensor_idx;
    while (1) {
        for (sensor_idx = 0; sensor_idx < NUM_SENSORS; sensor_idx++) {
            sensor_data[sensor_idx][0] = read_sensor(sensor_idx);
            filter_data(sensor_data[sensor_idx]);
            convert_data(sensor_data[sensor_idx]);
            store_data(sensor_data[sensor_idx]);
        }
        rt_task_sleep(rt_timer_ns2ticks(5000000)); // 5ms 주기
    }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    rt_task_create(&data_collect_task, "DataCollectTask", 0, 99, 0);
    rt_task_start(&data_collect_task, &data_collect_proc, NULL);

    pause();
    return 0;
}

액추에이터 제어

제어 명령 생성 및 전송

액추에이터 제어는 실시간으로 생성된 제어 명령을 액추에이터에 전달함으로써 수행된다: - PID 제어: Proportional-Integral-Derivative 컨트롤러를 사용하여 시스템을 안정화하고 원하는 상태로 유지 - 상태 피드백 제어: 현재 상태를 피드백 받아 제어 시스템을 최적화

명령 전송 메커니즘

명령 전송은 다음과 같은 방식으로 이루어진다: - Direct Memory Access (DMA): 대량 데이터 전송시 효율적으로 사용 - 직렬 통신 (UART, I2C, SPI): 특정 장치에 명령을 전송할 때 사용 - 이더넷 통신: 원거리 장치 제어 시 사용

코드 예제

아래는 주기적으로 액추에이터를 제어하는 예제 코드이다:

#include <xenomai/native/task.h>

RT_TASK control_task;

void control_proc(void *arg) {
    int control_cmd;
    while (1) {
        control_cmd = generate_control_cmd();
        send_control_cmd(control_cmd);
        rt_task_sleep(rt_timer_ns2ticks(10000000)); // 10ms 주기
    }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    rt_task_create(&control_task, "ControlTask", 0, 99, 0);
    rt_task_start(&control_task, &control_proc, NULL);

    pause();
    return 0;
}

데이터 통신 및 동기화

IPC (Inter-process Communication) 기법

다수의 실시간 태스크가 동시에 실행되면서 데이터를 공유하고 통신하기 위해 IPC 기법이 사용된다. 주요 IPC 기법은 다음과 같다: - 파이프(pipe) - 큐(queue) - 공유 메모리(shared memory)

동기화 메커니즘

동기화는 경쟁 조건을 방지하고 데이터 일관성을 유지하기 위해 매우 중요하다. 주요 동기화 메커니즘은 다음과 같다: - 뮤텍스(Mutex) - 세마포어(Semaphore) - 이벤트(Event)FLAGS

코드 예제

아래는 큐를 사용해 데이터 통신을 구현하는 예제 코드이다:

#include <xenomai/native/task.h>
#include <xenomai/native/queue.h>

RT_QUEUE my_queue;

RT_TASK producer_task;
RT_TASK consumer_task;

void producer_proc(void *arg) {
    while (1) {
        int data = generate_data();
        rt_queue_write(&my_queue, &data, sizeof(data), Q_NORMAL);
        rt_task_sleep(rt_timer_ns2ticks(1000000)); // 1ms 주기
    }
}

void consumer_proc(void *arg) {
    int data;
    while (1) {
        if (rt_queue_read(&my_queue, &data, sizeof(data), TM_INFINITE) > 0) {
            process_data(data);
        }
    }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    rt_queue_create(&my_queue, "MyQueue", 10 * sizeof(int), Q_FIFO);

    rt_task_create(&producer_task, "ProducerTask", 0, 99, 0);
    rt_task_start(&producer_task, &producer_proc, NULL);

    rt_task_create(&consumer_task, "ConsumerTask", 0, 99, 0);
    rt_task_start(&consumer_task, &consumer_proc, NULL);

    pause();
    return 0;
}

Xenomai를 활용한 산업 제어 시스템은 높은 신뢰성과 실시간 응답성을 제공하여 다양한 산업 애플리케이션에 적합한다.