基于NucleusPLUS的嵌入式系統的軟件設計

　　引言

　　現今社會(huì )，毒品走私比較猖獗，對人民的生命財產(chǎn)、社會(huì )穩定構成了一定的威脅，同時(shí)大氣監測以及對有毒氣體的監控也是刻不容緩的。所開(kāi)發(fā)的離子遷移譜儀，是一種利用IMS(離子遷移譜技術(shù))的專(zhuān)用探測儀，它在確定的溫度、氣壓、電場(chǎng)條件下，通過(guò)精確測定離子在電場(chǎng)作用下穿過(guò)固定距離的遷移時(shí)間，來(lái)認定被測可疑物質(zhì)中是否具有某些化學(xué)成分的分子，并對某些特殊的化學(xué)物質(zhì)能夠發(fā)出報警信息，從而可用來(lái)檢測毒品及有毒氣體。

　　該系統的工作原理如下：通過(guò)細節匹配，對離化后物質(zhì)的等離子圖的波峰位置(即物質(zhì)的遷移時(shí)間)的提取來(lái)鑒定物質(zhì)的具體成分。系統的原理框圖如圖1所示。

　　圖1　系統原理框圖

　　離子遷移譜儀需要讀取實(shí)時(shí)數據，并作分析、處理，要求每25ms處理1000個(gè)離子信號數據，具有一定的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，它還需對離子管內的溫度、氣壓、電壓等參數進(jìn)行讀取、控制。設備分析時(shí)，要求能迅速地判斷出物質(zhì)的成分(不超過(guò)20秒)，而此過(guò)程中，涉及到大量的實(shí)時(shí)數據處理?？梢?jiàn)離子遷移譜儀嵌入式系統對容量和速度要求較高，不僅要實(shí)時(shí)數據處理，還要對多個(gè)參數進(jìn)行控制。為了保證系統的可靠性，提高開(kāi)發(fā)效率，在離子遷移譜儀中必須引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。

　　嵌入式RTOS選擇

　　可用于嵌入式系統軟件開(kāi)發(fā)的操作系統很多，但關(guān)鍵是要選擇一個(gè)適合的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。在離子遷移譜儀實(shí)時(shí)系統的設計中，我們對嵌入式RTOS的要求如下：

　　(1)實(shí)時(shí)性

　　使用時(shí)，必須保證進(jìn)程調用和處理的快速性，因為檢測的樣品信息需及時(shí)分析處理。

　　(2)穩定性

　　作為系統設計的軟件平臺，需要具有相當的穩定性。從而保證離子遷移譜儀檢測系統即使在多變的外部環(huán)境下如氣壓、溫度等，也能夠正確執行預定的動(dòng)作。

　　(3)內核規模較小

　　由于整個(gè)系統的硬件資源有限(我們配備了2M的FLASH)，因此源代碼必須足夠的小，以便寫(xiě)入存儲器，提高運行效率。

　　綜合考慮各個(gè)因素，我們選擇了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統Nucleus PLUS。NucleusPLUS是美國著(zhù)名RTOS廠(chǎng)商ATI(AcceleratedTechnologyInc)公司，為實(shí)時(shí)嵌入式應用而設計的一個(gè)搶先式多任務(wù)操作系統內核。其95%的代碼是用ANSIC寫(xiě)成的，非常便于移植并支持大多數類(lèi)型的處理器。Nucleus PLUS是一組C函數庫，應用程序代碼與核心函數連接在一起，生成一個(gè)目標代碼，下載到目標板的RAM中或直接燒錄到目標板的ROM中執行。在典型的目標環(huán)境中，Nucleus PLUS核心代碼區一般不超過(guò)20K字節大小，內核規模非常小。

　　Nucleus PLUS的特點(diǎn)

　　Nucleus PLUS內核的系統結構

　　Nucleus PLUS的系統結構如圖2所示。Nucleus PLUS內核的主要目的是管理實(shí)時(shí)任務(wù)的競爭運行，為應用提供各種便利，快速響應外部事件，實(shí)現實(shí)時(shí)性。Nucleus PLUS為系統開(kāi)發(fā)提供以下支持：多任務(wù)管理，任務(wù)之間可以按照優(yōu)先級和時(shí)間片方式來(lái)共享CPU資源，通過(guò)郵箱、隊列和管道進(jìn)行通信，任務(wù)之間的同步和互斥通過(guò)信號量、事件組和信號進(jìn)行;NucleusP LUS提供動(dòng)態(tài)和分區內存兩種存儲器管理機制，還提供定時(shí)器來(lái)處理周期性事件及任務(wù)的睡眠和掛起超時(shí)。Nucleus PLUS將這些機制稱(chēng)之為軟件組件，它為每一個(gè)軟件組件提供了一系列的系統調用，任務(wù)與Nucleus PLUS的交互是在系統調用的界面上進(jìn)行的。

　　從圖2可以看出，利用Nucleus PLUS開(kāi)發(fā)平臺，用戶(hù)只需編寫(xiě)任務(wù)代碼和中斷服務(wù)程序代碼，在任務(wù)代碼和中斷服務(wù)程序代碼中利用系統調用實(shí)現和Nucleus PLUS的交互，由Nucleus PLUS來(lái)調度多個(gè)任務(wù)并行執行，實(shí)現CPU的共享。由于NucleusPLUS根據優(yōu)先級和時(shí)間片方式來(lái)共享CPU資源，所以只要任務(wù)和中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級設置得當，系統的實(shí)時(shí)性就能保證。

　　圖2　Nucleus PLUS系統結構

　　多任務(wù)管理

　　Nucleus PLUS實(shí)時(shí)操作系統中的任務(wù)(task)相當于分時(shí)操作系統中的進(jìn)程。在NucleusPLUS操作系統中，任務(wù)可劃分為5種基本狀態(tài)：運行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、掛起狀態(tài)、終止狀態(tài)和完成狀態(tài)，具體見(jiàn)表1所述。

　　表1　任務(wù)的五種狀態(tài)

　　各個(gè)任務(wù)之中，只能有一個(gè)任務(wù)處于運行狀態(tài);處于掛起狀態(tài)的任務(wù)可以被某些系統調用或事件激發(fā)而轉到就緒狀態(tài);處于執行狀態(tài)的任務(wù)被高優(yōu)先級搶占之后也處于就緒狀態(tài);就緒狀態(tài)除了對CPU的控制外，該任務(wù)已經(jīng)獲得了運行所需的一切資源。

　　任務(wù)的調度

　　Nucleus PLUS對任務(wù)的調度有兩種方式，優(yōu)先級調度和時(shí)間片調度。如圖3所示。當一個(gè)更高優(yōu)先級的任務(wù)就緒時(shí)，Nucleus PLUS中斷低優(yōu)先級的任務(wù)，保存現場(chǎng)，并先運行更高優(yōu)先。

　　圖3　任務(wù)調度示意圖

　　級的任務(wù)，這就是搶占。通過(guò)優(yōu)先級調度可以保障高優(yōu)先級的任務(wù)優(yōu)先運行。相同優(yōu)先級的任務(wù)間也可以采用時(shí)間片的方式輪流使用CPU資源，用戶(hù)只需指定每一個(gè)任務(wù)的時(shí)間片大小，Nucleus PLUS通過(guò)時(shí)鐘中斷來(lái)計算任務(wù)的運行時(shí)間，當任務(wù)的時(shí)間片耗盡后，Nucleus PLUS會(huì )自動(dòng)進(jìn)行任務(wù)切換。NucleusP LUS對任務(wù)的調度利用類(lèi)似雙向鏈表數組TCD_Priority_List數據結構實(shí)現。

　　系統軟件設計

　　建立BSP

　　根據RTOS的編程模型，軟件設計分兩步走，首先建立BSP。即根據目標環(huán)境進(jìn)行系統配置，建立板級支撐程序BSP(相當于標準PC的BIOS)。主要完成系統初始化及與硬件相關(guān)的設備驅動(dòng)，引導目標機硬件到一個(gè)確定的狀態(tài)。分別以Board_Init()，INTInitialize()，UARTInit()，LCDInit()等來(lái)實(shí)現。

　　軟件功能描述及多任務(wù)功能劃分

　　根據離子遷移譜儀的工作原理，軟件必須實(shí)現實(shí)時(shí)數據采集(離子信號和各通道模擬量)、實(shí)時(shí)控制(離子管上溫度的恒定控制、維持氣路的恒定流量、還包括對系統中的高壓電源、整機電流、整機溫度、試紙狀態(tài)等實(shí)時(shí)跟蹤和控制)、鍵盤(pán)響應、菜單圖形顯示以及與PC機的通信接口等模塊。其中前面2個(gè)模塊的功能與時(shí)間密切相關(guān)，下面將功能具體化：

　　a1每10ms完成一次串行A/D采樣，對內部的16個(gè)通道采樣數據保持同時(shí)采樣。實(shí)時(shí)要求較高。

　　b1采用CPLD每25ms開(kāi)啟一次門(mén)信號，采集1000個(gè)離子信號數據。實(shí)時(shí)要求很高。

　　c110ms完成一次各個(gè)溫度控制規律的計算，使各個(gè)溫度維持在設定的點(diǎn)上。

　　d1用戶(hù)按下分析鍵后，幾秒內解析館內溫度需達到的預定點(diǎn)，并且整個(gè)分析需在20秒內完成。

　　e1對用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)下達的命令及時(shí)給與響應，并在液晶屏上給出對應的顯示。

　　f1對檢測到的違禁成分立即給予報警。

　　g1與PC機進(jìn)行通信，通過(guò)PC機能夠對存于串行flash中的樣本庫、工作參數等進(jìn)行修改，或者對其存儲的樣本庫及報警結果傳送到PC機上。

　　依據DARTS設計方法，對這些功能要求，我們總共劃分以下十個(gè)任務(wù)：

　　MainTask：主任務(wù)，負責從主隊列中收消息，根據消息類(lèi)別與其他任務(wù)通信，激活不同的任務(wù)。

　　UITask：圖形界面顯示任務(wù)。

　　MCTask：多通道數據采集任務(wù)。

　　RCTask：對溫度的實(shí)時(shí)控制任務(wù)。

　　MVTask：數據搬移任務(wù)。

　　ANTask：分析處理任務(wù)。

　　ALTask：報警處理任務(wù)。

　　AVTask：等離子圖處理任務(wù)。

　　KBTask：鍵盤(pán)掃描任務(wù)。

　　SCTask：與PC機通訊任務(wù)。

　　以NucleusPLUS為開(kāi)發(fā)平臺，首先以ApplICation_Initialize(void*first_available_memory)為入口點(diǎn)，以上各個(gè)任務(wù)均在這里定義，其中的多通道數據采集、實(shí)時(shí)控制、以及分析任務(wù)用定時(shí)器來(lái)實(shí)現，鍵盤(pán)掃描用中斷實(shí)現。

　　等離子圖處理及波峰位置提取算法

　　對等離子圖處理將直接影響遷移時(shí)間的提取，該部分是軟件實(shí)現的難點(diǎn)之一。一個(gè)周期內采樣的離子信號所產(chǎn)生的等離子圖，往往具有干擾，含有許多毛刺，無(wú)法正確判斷出波峰，也就無(wú)法得到遷移時(shí)間。為此，我們一個(gè)周期取1000個(gè)采樣點(diǎn)，首先采用算法平均濾波法，對多個(gè)周期的采樣信號做算術(shù)平均：y[i]=(y1[i]+y2[i]+?+yn[i])/n，去除隨機干擾信號;而后，采用橫向平均濾波法：y[i]=(y[i+1]+y[i+2]+?+y[i+m])/m，減少等離子圖上的毛刺;在此基礎上，再將多個(gè)由上述方法得到的y[i]值作平均。經(jīng)過(guò)采樣值的多次處理后，可得到相對清晰的等離子圖。而要正確提取波峰位置，關(guān)鍵是要找出波峰。對波峰的提取，并非找最優(yōu)值問(wèn)題，因為當物質(zhì)含有多種成分時(shí)，會(huì )出現多個(gè)峰，根據物質(zhì)的基本性質(zhì)，其所含成分一般不超過(guò)20種，所以需找出最多20個(gè)波峰。另外，處理后的等離子圖也不是毫無(wú)毛刺，相距幾十微秒的兩個(gè)峰往往只有一個(gè)是真正的峰。為解決這一難題，我們首先找出第一個(gè)波峰，采用試探法測出這個(gè)峰的大致寬度，再找出假想的第二個(gè)峰，若兩個(gè)波峰之間的距離小于第一個(gè)波峰的寬度，則認為第二個(gè)峰只是第一個(gè)峰的一個(gè)毛刺，拋棄第二個(gè)峰，繼續找，否則，保留第二個(gè)峰，繼續找第三個(gè)波峰，此時(shí)以與第三個(gè)峰相鄰的峰的寬度作為比較對象;依此類(lèi)推，直到找完所有的波峰為止。其中，用試探法測波峰寬的程序部分如下：

　　找出了波峰、波峰位置后遷移時(shí)間也就容易獲得了。

　　結束語(yǔ)

　　實(shí)時(shí)操作系統內核的多任務(wù)機制不僅可以滿(mǎn)足應用系統的實(shí)時(shí)性要求，而且簡(jiǎn)化了系統的開(kāi)發(fā)設計過(guò)程，可以將一個(gè)復雜的問(wèn)題分解成多個(gè)子問(wèn)題，用任務(wù)來(lái)實(shí)現。在一定程度上保證了離子遷移譜儀的實(shí)時(shí)性和可靠性。但在實(shí)時(shí)多任務(wù)系統設計時(shí)，任務(wù)劃分卻是一門(mén)藝術(shù)，不同的人對同一系統的任務(wù)劃分會(huì )不同，導致系統的性能也有所差異。究竟該如何劃分任務(wù)，也需要在實(shí)際開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)系統時(shí)不斷地總結。本文主要介紹了基于Nucleus PLUS的離子遷移譜儀嵌入式系統的設計，在不久的將來(lái)，它將在毒品、爆炸物等探測領(lǐng)域發(fā)揮用武之地。