基于NucleusPLUS的嵌入式系統的軟件設計

    引言

    現今社會，毒品走私比較猖獗，對民的生命財產、社會穩定構成了一定的威脅，同時大氣監測以及對有毒氣體的監控也刻不容緩的。所開發的離子遷移譜儀，是一種利用IMS(離子遷移譜技術)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間，來認定被測可疑物質中是否具有某些化學成分的分子，并對某些特殊的化學物質能夠發出報警信息，從而可用來檢測毒品及有毒氣體。

    該系統的工作原理如下：通過細節匹配，對離化后物質的等離子圖的波峰位置(即物質的遷移時間)的提取來鑒定物質的具體成分。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時數據，并作分析、處理，要求每25ms處理1000個離子信號數據，具有一定的實時性。同時，它還需對離子管內的溫度、氣壓、電壓等數進行讀取、控制。設備分析時，要求能迅速地判斷出物質的成分(不超過20秒)，而此過程中，涉及到大量的實時數據處理。可見離子遷移譜儀嵌入式系統對容量和速度要求較高，不僅要實時數據處理，還要對多個參數進行控制。為了保證系統的可靠性，提高開發效率，在離子遷移譜儀中必須引入嵌入式實時操作系統。

    嵌入式RTOS選擇

    可用于嵌入式系統軟件開發的操作系統很多，但關鍵是要選擇一個適合的嵌入式實時操作系統。在離子遷移譜儀實時系統的設計中，我們對嵌入式RTOS的要求如下：

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

     (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境下如氣壓、溫度等，也能夠正確執行預定的動作。

     (3)內核規模較小
    由于整個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，以便寫入存儲器，提高運行效率。

    綜合考慮各個因素，我們選擇了嵌入式實時操作系統Nucleus PLUS。NucleusPLUS是美著名RTOS廠商ATI(AcceleratedTechnologyInc)公司，為實時嵌入式應用而設計的一個搶先式多任務操作系統內核。其95%的代碼是用ANSIC寫成的，非常便于移植并支持大多數類型的處理器。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。在典型的目標環境中，Nucleus PLUS核心代碼區一般不超過20K字節大小，內核規模非常小。

     Nucleus PLUS的特點

     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時任務的競爭運行，為應用提供各種便利，快速響應外部事件，實現實時性。Nucleus PLUS為系統開發提供以下支持：多任務管理，任務之間可以按照優先級和時間片方式來共享CPU資源，通過郵箱、隊列和管道進行通信，任務之間的同步和互斥通過信號量、事件組和信號進行；NucleusP LUS提供動態和分區內存兩種存儲器管理機制，還提供定時器來處理周期性事件及任務的睡眠和掛起超時。Nucleus PLUS將些機制稱之為軟件組件，它為每一個軟件組件提供了一系列的系統調用，任務與Nucleus PLUS的交互是在系統調用的界面上進行的。

    從圖2可以看出，利用Nucleus PLUS開發平臺，用戶只需編寫任務代碼和中斷服務程序代碼，在任務代碼和中斷服務程序代碼中利用系統調用實現和Nucleus PLUS的交互，由Nucleus PLUS來調度多個任務并行執行，實現CPU的共享。由于NucleusPLUS根據優先級和時間片方式來共享CPU資源，所以只要任務和中斷服務程序的優先級設置得當，系統的實時性就能保證。

    圖2　Nucleus PLUS系統結構

    多任務管理
     Nucleus PLUS實時操作系統中的任務(task)相當于分時操作系統中的進程。在NucleusPLUS操作系統中，任務可劃分為5種基本狀態：運行狀態、就緒狀態、掛起狀態、終止狀態和完成狀態，具體見表1所述。

    表1　任務的五種狀態

    各個任務之中，只能有一個任務處于運行狀態；處于掛起狀態的任務可以被某些系統調用或事件激發而轉到就緒狀態；處于執行狀態的任務被高優先級搶占之后也處于就緒狀態；就緒狀態除了對CPU的控制外，該任務已經獲得了運行所需的一切資源。

    任務的調度

     Nucleus PLUS對任務的調度有兩種方式，優先級調度和時間片調度。如圖3所示。當一個更高優先級的任務就緒時，Nucleus PLUS中斷低優先級的任務，保存現場，并先運行更高優先

    圖3　任務調度示意圖

    級的任務，這就是搶占。通過優先級調度可以保障高優先級的任務優先運行。相同優先級的任務間也可以采用時間片的方式輪流使用CPU資源，用戶只需指定每一個任務的時間片大小，Nucleus PLUS通過時鐘中斷來計算任務的運行時間，當任務的時間片耗盡后，Nucleus PLUS會自動進行任務切換。NucleusP LUS對任務的調度利用類似雙向鏈表數組TCD_Priority_List數據結構實現。

    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。即根據目標環境進行系統配置，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的設備驅動，引導目標機硬件到一個確定的狀態。分別以Board_Init()，INTInitialize()，UARTInit()，LCDInit()等來實現。

    軟件功能描述及多任務功能劃分
    根據離子遷移譜儀的工作原理，軟件必須實現實時數據采集(離子信號和各通道模擬量)、實時控制(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、試紙狀態等實時跟蹤和控制)、鍵盤響應、菜單圖形顯示以及與PC機的通信接口等模塊。其中前面2個模塊的功能與時間密切相關，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個通道采樣數據保持同時采樣。實時要求較高。
     b1采用CPLD每25ms開啟一次門信號，采集1000個離子信號數據。實時要求很高。
     c110ms完成一次各個溫度控制規律的計算，使各個溫度維持在設定的點上。
     d1用戶按下分析鍵后，幾秒內解析館內溫度需達到的預定點，并且整個分析需在20秒內完成。
     e1對用戶通過鍵盤下達的命令及時給與響應，并在液晶屏上給出對應的顯示。
     1對檢測到的違禁成分立即給予報警。
     g1與PC機進行通信，通過PC機能夠對存于串行flash中的樣本庫、工作參數等進行修改，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任務：
     MainTask：主任務，負責從主隊列中收消息，根據消息類別與其他任務通信，激活不同的任務。
     UITask：圖形界面顯示任務。
     MCTask：多通道數據采集任務。
     RCTask：對溫度的實時控制任務。
     MVTask：數據搬移任務。
     ANTask：分析處理任務。
     ALTask：報警處理任務。
     AVTask：等離子圖處理任務。
     KBTask：鍵盤掃描任務。
     SCTask：與PC機通訊任務。

    以NucleusPLUS為開發平臺，首先以Application_Initialize(void*first_available_memory)為入口點，以上各個任務均在這里定義，其中的多通道數據采集、實時控制、以及分析任務用定時器來實現，鍵盤掃描用中斷實現。

    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間的提取，該部分是軟件實現的難點之一。一個周期內采樣的離子信號所產生的等離子圖，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間。為此，我們一個周期取1000個采樣點，首先采用算法平均濾波法，對多個周期的采樣信號做算術平均：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，再將多個由上述方法得到的y[i]值作平均。經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，關鍵是要找出波峰。對波峰的提取，并非找最優值問題，因為當物質含有多種成分時，會出現多個峰，根據物質的基本性質，其所含成分一般不超過20種，所以需找出最多20個波峰。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峰往往只有一個是真正的峰。為解決這一難題，我們首先找出第一個波峰，采用試探法測出這個峰的大致寬度，再找出假想的第二個峰，若兩個波峰之間的距離小于第一個波峰的寬度，則認為第二個峰只是第一個峰的一個毛刺，拋棄第二個峰，繼續找，否則，保留第二個峰，繼續找第三個波峰，此時以與第三個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：

    ……
     if(PeakPosition[maxm-1]>PeakPosition)
　     {low=PeakPosition;high=PeakPosition[maxm-1];}
     else
    　{low=PeakPosition[maxm-1];high=PeakPosition;}
     for(m=low;m<=hight;m++)
    　　　if(SignalStrength[m]>=Pvalue)
　　     Pinstant=SignalStrength[m];
     if(Pinstant==Pvalue)
　     {
　    　maxm-=1;
　    　Pwidth+=10;∥波峰的寬度增加
　    　width=Pwidth;　}
    ……
    找出了波峰、波峰位置后遷移時間也就容易獲得了。

    結束語

    實時操作系統內核的多任務機制不僅可以滿足應用系統的實時性要求，而且簡化了系統的開發設計過程，可以將一個復雜的問題分解成多個子問題，用任務來實現。在一定程度上保證了離子遷移譜儀的實時性和可靠性。但在實時多任務系統設計時，任務劃分卻是一門藝術，不同的人對同一系統的任務劃分會不同，導致系統的性能也有所差異。究竟該如何劃分任務，也需要在實際開發實時系統時不斷地總結。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，它將在毒品、爆炸物等探測領域發揮用武之地。