基于NucleusPLUS的嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　引言

　　現(xiàn)今社會，毒品走私比較猖獗，對人民的生命財(cái)產(chǎn)、社會穩(wěn)定構(gòu)成了一定的威脅，同時(shí)大氣監(jiān)測以及對有毒氣體的監(jiān)控也是刻不容緩的。所開發(fā)的離子遷移譜儀，是一種利用IMS(離子遷移譜技術(shù))的專用探測儀，它在確定的溫度、氣壓、電場條件下，通過精確測定離子在電場作用下穿過固定距離的遷移時(shí)間，來認(rèn)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(bào)警信息，從而可用來檢測毒品及有毒氣體。

　　該系統(tǒng)的工作原理如下：通過細(xì)節(jié)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)的提取來鑒定物質(zhì)的具體成分。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

　　圖1　系統(tǒng)原理框圖

　　離子遷移譜儀需要讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并作分析、處理，要求每25ms處理1000個(gè)離子信號數(shù)據(jù)，具有一定的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，它還需對離子管內(nèi)的溫度、氣壓、電壓等參數(shù)進(jìn)行讀取、控制。設(shè)備分析時(shí)，要求能迅速地判斷出物質(zhì)的成分(不超過20秒)，而此過程中，涉及到大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理?？梢婋x子遷移譜儀嵌入式系統(tǒng)對容量和速度要求較高，不僅要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，還要對多個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制。為了保證系統(tǒng)的可靠性，提高開發(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(tǒng)。

　　嵌入式RTOS選擇

　　可用于嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的操作系統(tǒng)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(tǒng)。在離子遷移譜儀實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(diào)用和處理的快速性，因?yàn)闄z測的樣品信息需及時(shí)分析處理。

　　(2)穩(wěn)定性

　　作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件平臺，需要具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。從而保證離子遷移譜儀檢測系統(tǒng)即使在多變的外部環(huán)境下如氣壓、溫度等，也能夠正確執(zhí)行預(yù)定的動作。

　　(3)內(nèi)核規(guī)模較小

　　由于整個(gè)系統(tǒng)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，以便寫入存儲器，提高運(yùn)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(tǒng)Nucleus PLUS。NucleusPLUS是美國著名RTOS廠商ATI(AcceleratedTechnologyInc)公司，為實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。其95%的代碼是用ANSIC寫成的，非常便于移植并支持大多數(shù)類型的處理器。Nucleus PLUS是一組C函數(shù)庫，應(yīng)用程序代碼與核心函數(shù)連接在一起，生成一個(gè)目標(biāo)代碼，下載到目標(biāo)板的RAM中或直接燒錄到目標(biāo)板的ROM中執(zhí)行。在典型的目標(biāo)環(huán)境中，Nucleus PLUS核心代碼區(qū)一般不超過20K字節(jié)大小，內(nèi)核規(guī)模非常小。

　　Nucleus PLUS的特點(diǎn)

　　Nucleus PLUS內(nèi)核的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　Nucleus PLUS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。Nucleus PLUS內(nèi)核的主要目的是管理實(shí)時(shí)任務(wù)的競爭運(yùn)行，為應(yīng)用提供各種便利，快速響應(yīng)外部事件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。Nucleus PLUS為系統(tǒng)開發(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)間片方式來共享CPU資源，通過郵箱、隊(duì)列和管道進(jìn)行通信，任務(wù)之間的同步和互斥通過信號量、事件組和信號進(jìn)行;NucleusP LUS提供動態(tài)和分區(qū)內(nèi)存兩種存儲器管理機(jī)制，還提供定時(shí)器來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(jī)制稱之為軟件組件，它為每一個(gè)軟件組件提供了一系列的系統(tǒng)調(diào)用，任務(wù)與Nucleus PLUS的交互是在系統(tǒng)調(diào)用的界面上進(jìn)行的。

　　從圖2可以看出，利用Nucleus PLUS開發(fā)平臺，用戶只需編寫任務(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(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)和Nucleus PLUS的交互，由Nucleus PLUS來調(diào)度多個(gè)任務(wù)并行執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)CPU的共享。由于NucleusPLUS根據(jù)優(yōu)先級和時(shí)間片方式來共享CPU資源，所以只要任務(wù)和中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級設(shè)置得當(dāng)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就能保證。

　　圖2　Nucleus PLUS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　多任務(wù)管理

　　Nucleus PLUS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的任務(wù)(task)相當(dāng)于分時(shí)操作系統(tǒng)中的進(jìn)程。在NucleusPLUS操作系統(tǒng)中，任務(wù)可劃分為5種基本狀態(tài)：運(yùn)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、掛起狀態(tài)、終止?fàn)顟B(tài)和完成狀態(tài)，具體見表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(yùn)行狀態(tài);處于掛起狀態(tài)的任務(wù)可以被某些系統(tǒng)調(diào)用或事件激發(fā)而轉(zhuǎn)到就緒狀態(tài);處于執(zhí)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(yùn)行所需的一切資源。

　　任務(wù)的調(diào)度

　　Nucleus PLUS對任務(wù)的調(diào)度有兩種方式，優(yōu)先級調(diào)度和時(shí)間片調(diào)度。如圖3所示。當(dāng)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(xiàn)場，并先運(yùn)行更高優(yōu)先。

　　圖3　任務(wù)調(diào)度示意圖

　　級的任務(wù)，這就是搶占。通過優(yōu)先級調(diào)度可以保障高優(yōu)先級的任務(wù)優(yōu)先運(yùn)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，用戶只需指定每一個(gè)任務(wù)的時(shí)間片大小，Nucleus PLUS通過時(shí)鐘中斷來計(jì)算任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)任務(wù)的時(shí)間片耗盡后，Nucleus PLUS會自動進(jìn)行任務(wù)切換。NucleusP LUS對任務(wù)的調(diào)度利用類似雙向鏈表數(shù)組TCD_Priority_List數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　建立BSP

　　根據(jù)RTOS的編程模型，軟件設(shè)計(jì)分兩步走，首先建立BSP。即根據(jù)目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)配置，建立板級支撐程序BSP(相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)PC的BIOS)。主要完成系統(tǒng)初始化及與硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動，引導(dǎo)目標(biāo)機(jī)硬件到一個(gè)確定的狀態(tài)。分別以Board_Init()，INTInitialize()，UARTInit()，LCDInit()等來實(shí)現(xiàn)。

　　軟件功能描述及多任務(wù)功能劃分

　　根據(jù)離子遷移譜儀的工作原理，軟件必須實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(tǒng)中的高壓電源、整機(jī)電流、整機(jī)溫度、試紙狀態(tài)等實(shí)時(shí)跟蹤和控制)、鍵盤響應(yīng)、菜單圖形顯示以及與PC機(jī)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(nèi)部的16個(gè)通道采樣數(shù)據(jù)保持同時(shí)采樣。實(shí)時(shí)要求較高。

　　b1采用CPLD每25ms開啟一次門信號，采集1000個(gè)離子信號數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)要求很高。

　　c110ms完成一次各個(gè)溫度控制規(guī)律的計(jì)算，使各個(gè)溫度維持在設(shè)定的點(diǎn)上。

　　d1用戶按下分析鍵后，幾秒內(nèi)解析館內(nèi)溫度需達(dá)到的預(yù)定點(diǎn)，并且整個(gè)分析需在20秒內(nèi)完成。

　　e1對用戶通過鍵盤下達(dá)的命令及時(shí)給與響應(yīng)，并在液晶屏上給出對應(yīng)的顯示。

　　f1對檢測到的違禁成分立即給予報(bào)警。

　　g1與PC機(jī)進(jìn)行通信，通過PC機(jī)能夠?qū)Υ嬗诖衒lash中的樣本庫、工作參數(shù)等進(jìn)行修改，或者對其存儲的樣本庫及報(bào)警結(jié)果傳送到PC機(jī)上。

　　依據(jù)DARTS設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)從主隊(duì)列中收消息，根據(jù)消息類別與其他任務(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(shù)據(jù)采集任務(wù)。

　　RCTask：對溫度的實(shí)時(shí)控制任務(wù)。

　　MVTask：數(shù)據(jù)搬移任務(wù)。

　　ANTask：分析處理任務(wù)。

　　ALTask：報(bào)警處理任務(wù)。

　　AVTask：等離子圖處理任務(wù)。

　　KBTask：鍵盤掃描任務(wù)。

　　SCTask：與PC機(jī)通訊任務(wù)。

　　以NucleusPLUS為開發(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(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制、以及分析任務(wù)用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)，鍵盤掃描用中斷實(shí)現(xiàn)。

　　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(xiàn)的難點(diǎn)之一。一個(gè)周期內(nèi)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，無法正確判斷出波峰，也就無法得到遷移時(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(jī)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(chǔ)上，再將多個(gè)由上述方法得到的y[i]值作平均。經(jīng)過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)值問題，因?yàn)楫?dāng)物質(zhì)含有多種成分時(shí)，會出現(xiàn)多個(gè)峰，根據(jù)物質(zhì)的基本性質(zhì)，其所含成分一般不超過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(rèn)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(xù)找，否則，保留第二個(gè)峰，繼續(xù)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(jié)束語

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核的多任務(wù)機(jī)制不僅可以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，而且簡化了系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)過程，可以將一個(gè)復(fù)雜的問題分解成多個(gè)子問題，用任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。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(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，任務(wù)劃分卻是一門藝術(shù)，不同的人對同一系統(tǒng)的任務(wù)劃分會不同，導(dǎo)致系統(tǒng)的性能也有所差異。究竟該如何劃分任務(wù)，也需要在實(shí)際開發(fā)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)不斷地總結(jié)。本文主要介紹了基于Nucleus PLUS的離子遷移譜儀嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在不久的將來，它將在毒品、爆炸物等探測領(lǐng)域發(fā)揮用武之地。