摘　要：本文介紹了離子遷移譜儀的工作機(jī)理、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)Nucleus PLUS，重點(diǎn)介紹后者在離子遷移譜儀中的具體實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：嵌入式；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；任務(wù)；遷移時(shí)間

    引言

    現(xiàn)今社會(huì)，毒品走私比較猖獗，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)、社會(huì)穩(wěn)定構(gòu)成了一定的威脅，同時(shí)大氣監(jiān)測(cè)以及對(duì)有毒氣體的監(jiān)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))的專用探測(cè)儀，它在確定的溫度、氣壓、電場(chǎng)條件下，通過(guò)精確測(cè)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(rèn)定被測(cè)可疑物質(zhì)中是否具有某些化學(xué)成分的分子，并對(duì)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(lái)檢測(cè)毒品及有毒氣體。

    該系統(tǒng)的工作原理如下：通過(guò)細(xì)節(jié)匹配，對(duì)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(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

    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(hào)數(shù)據(jù)，具有一定的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，它還需對(duì)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(guò)20秒)，而此過(guò)程中，涉及到大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理?？梢?jiàn)離子遷移譜儀嵌入式系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(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(tǒng)。

    嵌入式RTOS選擇

    可用于嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)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(duì)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(cè)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(tái)，需要具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。從而保證離子遷移譜儀檢測(cè)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(dòng)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(xiě)入存儲(chǔ)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(guó)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(xiě)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(kù)，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(guò)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(jìng)爭(zhēng)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(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(jí)和時(shí)間片方式來(lái)共享CPU資源，通過(guò)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(guò)信號(hào)量、事件組和信號(hào)進(jìn)行；NucleusP LUS提供動(dòng)態(tài)和分區(qū)內(nèi)存兩種存儲(chǔ)器管理機(jī)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(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(kāi)發(fā)平臺(tái)，用戶只需編寫(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(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)和Nucleus PLUS的交互，由Nucleus PLUS來(lái)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(jí)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(jí)設(shè)置得當(dāng)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就能保證。

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    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(jiàn)表1所述。

    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(jí)搶占之后也處于就緒狀態(tài)；就緒狀態(tài)除了對(duì)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(duì)任務(wù)的調(diào)度有兩種方式，優(yōu)先級(jí)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(jí)的任務(wù)就緒時(shí)，Nucleus PLUS中斷低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，保存現(xiàn)場(chǎng)，并先運(yùn)行更高優(yōu)先

    級(jí)的任務(wù)，這就是搶占。通過(guò)優(yōu)先級(jí)調(diào)度可以保障高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)優(yōu)先運(yùn)行。相同優(yōu)先級(jí)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(guò)時(shí)鐘中斷來(lái)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(huì)自動(dòng)進(jìn)行任務(wù)切換。NucleusP LUS對(duì)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(jí)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(dòng)，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(lái)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(hào)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(duì)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(pán)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(duì)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(kāi)啟一次門(mén)信號(hào)，采集1000個(gè)離子信號(hào)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(duì)用戶通過(guò)鍵盤(pán)下達(dá)的命令及時(shí)給與響應(yīng)，并在液晶屏上給出對(duì)應(yīng)的顯示。
     1對(duì)檢測(cè)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(guò)PC機(jī)能夠?qū)Υ嬗诖衒lash中的樣本庫(kù)、工作參數(shù)等進(jìn)行修改，或者對(duì)其存儲(chǔ)的樣本庫(kù)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(duì)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(duì)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(pán)掃描任務(wù)。
     SCTask：與PC機(jī)通訊任務(wù)。

    以NucleusPLUS為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(lái)實(shí)現(xiàn)，鍵盤(pán)掃描用中斷實(shí)現(xiàn)。

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    等離子圖處理及波峰位置提取算法

    對(duì)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(hào)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(duì)多個(gè)周期的采樣信號(hào)做算術(shù)平均：y[i]=(y1[i]+y2[i]+⋯+yn[i])/n，去除隨機(jī)干擾信號(hào)；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(guò)采樣值的多次處理后，可得到相對(duì)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(duì)波峰的提取，并非找最優(yōu)值問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)物質(zhì)含有多種成分時(shí)，會(huì)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(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(cè)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(duì)象；依此類推，直到找完所有的波峰為止。其中，用試探法測(cè)波峰寬的程序部分如下：

    ……
     if(PeakPosition[maxm-1]>PeakPosition[nearest])
　     {low=PeakPosition[nearest];high=PeakPosition[maxm-1];}
     else
    　{low=PeakPosition[maxm-1];high=PeakPosition[nearest];}
     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[nearest]=Pwidth;　}
    ……
    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(yǔ)

    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(jiǎn)化了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程，可以將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解成多個(gè)子問(wèn)題，用任務(wù)來(lái)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(mén)藝術(shù)，不同的人對(duì)同一系統(tǒng)的任務(wù)劃分會(huì)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(kāi)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(lái)，它將在毒品、爆炸物等探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮用武之地。