摘　要：本文介紹了離子遷移譜儀的工作機理、軟件系統(tǒng)設計以及嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)Nucleus PLUS，重點介紹后者在離子遷移譜儀中的具體實現(xiàn)。
關鍵詞：嵌入式；實時操作系統(tǒng)；任務；遷移時間

    引言

    現(xiàn)今社會，毒品走私比較猖獗，對人民的生命財產(chǎn)、社會穩(wěn)定構成了一定的威脅，同時大氣監(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)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(fā)出報警信息，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：通過細節(jié)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(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

    離子遷移譜儀需要讀取實時數(shù)據(jù)，并作分析、處理，要求每25ms處理1000個離子信號數(shù)據(jù)，具有一定的實時性。同時，它還需對離子管內的溫度、氣壓、電壓等參數(shù)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(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，不僅要實時數(shù)據(jù)處理，還要對多個參數(shù)進行控制。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時操作系統(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，但關鍵是要選擇一個適合的嵌入式實時操作系統(tǒng)。在離子遷移譜儀實時系統(tǒng)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(wěn)定性
    作為系統(tǒng)設計的軟件平臺，需要具有相當?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)行預定的動作。

     (3)內核規(guī)模較小
    由于整個系統(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(tǒng)Nucleus PLUS。NucleusPLUS是美國著名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(tǒng)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(shù)類型的處理器。Nucleus PLUS是一組C函數(shù)庫，應用程序代碼與核心函數(shù)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(zhí)行。在典型的目標環(huán)境中，Nucleus PLUS核心代碼區(qū)一般不超過20K字節(jié)大小，內核規(guī)模非常小。

     Nucleus PLUS的特點

     Nucleus PLUS內核的系統(tǒng)結構
Nucleus PLUS的系統(tǒng)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(xiàn)實時性。Nucleus PLUS為系統(tǒng)開發(fā)提供以下支持：多任務管理，任務之間可以按照優(yōu)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(tài)和分區(qū)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將這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(tǒng)調用，任務與Nucleus PLUS的交互是在系統(tǒng)調用的界面上進行的。

    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(tǒng)調用實現(xiàn)和Nucleus PLUS的交互，由Nucleus PLUS來調度多個任務并行執(zhí)行，實現(xiàn)CPU的共享。由于NucleusPLUS根據(jù)優(yōu)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(yōu)先級設置得當，系統(tǒng)的實時性就能保證。

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    多任務管理
     Nucleus PLUS實時操作系統(tǒng)中的任務(task)相當于分時操作系統(tǒng)中的進程。在NucleusPLUS操作系統(tǒng)中，任務可劃分為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)，具體見表1所述。

    各個任務之中，只能有一個任務處于運行狀態(tài)；處于掛起狀態(tài)的任務可以被某些系統(tǒng)調用或事件激發(fā)而轉到就緒狀態(tài)；處于執(zhí)行狀態(tài)的任務被高優(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，該任務已經(jīng)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(yōu)先級調度和時間片調度。如圖3所示。當一個更高優(yōu)先級的任務就緒時，Nucleus PLUS中斷低優(yōu)先級的任務，保存現(xiàn)場，并先運行更高優(yōu)先

    級的任務，這就是搶占。通過優(yōu)先級調度可以保障高優(yōu)先級的任務優(yōu)先運行。相同優(yōu)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(shù)組TCD_Priority_List數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)。

    系統(tǒng)軟件設計

    建立BSP
    根據(jù)RTOS的編程模型，軟件設計分兩步走，首先建立BSP。即根據(jù)目標環(huán)境進行系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)。分別以Board_Init()，INTInitialize()，UARTInit()，LCDInit()等來實現(xiàn)。

    軟件功能描述及多任務功能劃分
    根據(jù)離子遷移譜儀的工作原理，軟件必須實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)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(tǒng)中的高壓電源、整機電流、整機溫度、試紙狀態(tài)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。實時要求很高。
     c110ms完成一次各個溫度控制規(guī)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(shù)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(jù)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(jù)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(shù)據(jù)采集任務。
     RCTask：對溫度的實時控制任務。
     MVTask：數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)采集、實時控制、以及分析任務用定時器來實現(xiàn)，鍵盤掃描用中斷實現(xiàn)。

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    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(xiàn)的難點之一。一個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(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，關鍵是要找出波峰。對波峰的提取，并非找最優(yōu)值問題，因為當物質含有多種成分時，會出現(xiàn)多個峰，根據(jù)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(xù)找，否則，保留第二個峰，繼續(xù)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[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、波峰位置后遷移時間也就容易獲得了。

    結束語

    實時操作系統(tǒng)內核的多任務機制不僅可以滿足應用系統(tǒng)的實時性要求，而且簡化了系統(tǒng)的開發(fā)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(xiàn)。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(tǒng)設計時，任務劃分卻是一門藝術，不同的人對同一系統(tǒng)的任務劃分會不同，導致系統(tǒng)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(fā)實時系統(tǒng)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(tǒng)的設計，在不久的將來，它將在毒品、爆炸物等探測領域發(fā)揮用武之地。