Real-time Linux multichannel hardware-software data analyzer/filter for electrical systems

Abstract

Uma vasta parte dos sistemas embebidos de hoje são considerados real-time porque apresentam como requisito o tempo de resposta a um determinado evento, onde o determinismo e latência são duas métricas de elevada importância. A falha no cumprimento do deadline da execução de uma determi nada tarefa implica a falha de todo o sistema de controlo ou numa anomalia temporária. A inclusão do Linux nos sistemas embebidos acrescenta um vasto conjunto de bibliotecas de software que permitem ao utilizador-programador desenvolver uma aplicação específica para um determinado domínio, respon dendo a cada uma das restrições do sistema a desenvolver. De modo a incrementar o determinismo do sistema e diminuir o tempo de latência de resposta a um determinado evento, algumas porções de software são substituídas por aceleradores em hardware. Estas implementações permitem melhorar o desempenho do sistema. A utilização das atuais plataformas multi-core, com processamento para lelo em hardware dedicado, é uma opção viável à utilização deste tipo de sistemas em ambiente Linux e a sua utilização conjunta pode contribuir para satisfazer os requisitos da aplicação. Para além disto, algumas aplicações exigem capacidades de processamento que devido aos custos, desempenho, con sumos energéticos, restrições de memória (footprint), determinismo e requisitos real-time, são melhor mapeadas em hardware dedicado. Assim, esta dissertação consiste no desenvolvimento de um sistema embebido baseado em Linux, com requisitos tempo-real, capaz de adquirir oito canais analógicos em simultâneo, que permita visualizar grandezas físicas de um sistema eléctrico, possibilitando o registo e deteção de eventos relacionados com problemas de qualidade de energia. Esta solução deverá ser assistida por aceleradores de hardware e gerir os recursos hardware e software disponíveis para melhorar o desempenho e eficiência do sistema.

Several embedded systems are nowadays considered real-time because they have as a requirement the response time to a given event where determinism and latency are two very important metrics. If there is a failure in meeting the deadline of a certain task, this implies the failure of the entire control system or a temporary anomaly. With the inclusion of Linux in embedded systems, due to the availability of source code and possibility to develop a customized Linux distribution, a large set of software libraries become available to the user-programmer. This enables the development of specific applications able to respond to the constraints of specific projects. To increase the systems’ determinism and decrease latency time response to a given event, some portions of software are replaced by hardware accelerators. These implementations allow the improvement of the systems’ performance. The use of modern multi core platforms, with parallel processing dedicated hardware, is a viable option to use this type of systems in Linux environment and their combined use can contribute to meet the applications’ requirements. Furthermore, some applications require processing capabilities that due to costs, performance, energy consumption, memory restrictions (footprint), determinism and real-time requirements, are best mapped on dedicated hardware. In conclusion, this dissertation consists in the development of an embedded Linux-based system, with real-time requirements, capable of acquiring eight analog channels simultaneously, allowing the visualiza tion of physical quantities of an electrical system, enabling the registration and detection of events related to quality power problems. This solution is assisted by hardware accelerators and manages the hardware and software resources available in order to increase the system’s performance and efficiency.