毕业论文：基于NucleusPLUS的嵌入式系统的软件设计（终稿）.doc

基于NucleusPLUS的嵌入式系统的软件设计 摘　要：本文介绍了离子迁移谱仪的工作机理、软件系统设计以及嵌入式实时多任务操作系统(RTOS)Nucleus PLUS，重点介绍后者在离子迁移谱仪中的具体实现。关键词：嵌入式；实时操作系统；任务；迁移时间 ??? 引言 ??? 现今社会，毒品走私比较猖獗，对人民的生命财产、社会稳定构成了一定的威胁，同时大气监测以及对有毒气体的监控也是刻不容缓的。所开发的离子迁移谱仪，是一种利用IMS(离子迁移谱技术)的专用探测仪，它在确定的温度、气压、电场条件下，通过精确测定离子在电场作用下穿过固定距离的迁移时间，来认定被测可疑物质中是否具有某些化学成分的分子，并对某些特殊的化学物质能够发出报警信息，从而可用来检测毒品及有毒气体。 ??? 该系统的工作原理如下：通过细节匹配，对离化后物质的等离子图的波峰位置(即物质的迁移时间)的提取来鉴定物质的具体成分。系统的原理框图如图1所示。 ??? ??? 图1　系统原理框图 ??? 离子迁移谱仪需要读取实时数据，并作分析、处理，要求每25ms处理1000个离子信号数据，具有一定的实时性。同时，它还需对离子管内的温度、气压、电压等参数进行读取、控制。设备分析时，要求能迅速地判断出物质的成分(不超过20秒)，而此过程中，涉及到大量的实时数据处理。可见离子迁移谱仪嵌入式系统对容量和速度要求较高，不仅要实时数据处理，还要对多个参数进行控制。为了保证系统的可靠性，提高开发效率，在离子迁移谱仪中必须引入嵌入式实时操作系统。 ??? 嵌入式RTOS选择 ??? 可用于嵌入式系统软件开发的操作系统很多，但关键是要选择一个适合的嵌入式实时操作系统。在离子迁移谱仪实时系统的设计中，我们对嵌入式RTOS的要求如下： ???? (1)实时性??? 使用时，必须保证进程调用和处理的快速性，因为检测的样品信息需及时分析处理。 ???? (2)稳定性??? 作为系统设计的软件平台，需要具有相当的稳定性。从而保证离子迁移谱仪检测系统即使在多变的外部环境下如气压、温度等，也能够正确执行预定的动作。 ???? (3)内核规模较小??? 由于整个系统的硬件资源有限(我们配备了2M的FLASH)，因此源代码必须足够的小，以便写入存储器，提高运行效率。 ??? 综合考虑各个因素，我们选择了嵌入式实时操作系统Nucleus PLUS。NucleusPLUS是美国著名RTOS厂商ATI(AcceleratedTechnologyInc)公司，为实时嵌入式应用而设计的一个抢先式多任务操作系统内核。其95%的代码是用ANSIC写成的，非常便于移植并支持大多数类型的处理器。Nucleus PLUS是一组C函数库，应用程序代码与核心函数连接在一起，生成一个目标代码，下载到目标板的RAM中或直接烧录到目标板的ROM中执行。在典型的目标环境中，Nucleus PLUS核心代码区一般不超过20K字节大小，内核规模非常小。 ???? Nucleus PLUS的特点 ???? Nucleus PLUS内核的系统结构Nucleus PLUS的系统结构如图2所示。Nucleus PLUS内核的主要目的是管理实时任务的竞争运行，为应用提供各种便利，快速响应外部事件，实现实时性。Nucleus PLUS为系统开发提供以下支持：多任务管理，任务之间可以按照优先级和时间片方式来共享CPU资源，通过邮箱、队列和管道进行通信，任务之间的同步和互斥通过信号量、事件组和信号进行；NucleusP LUS提供动态和分区内存两种存储器管理机制，还提供定时器来处理周期性事件及任务的睡眠和挂起超时。Nucleus PLUS将这些机制称之为软件组件，它为每一个软件组件提供了一系列的系统调用，任务与Nucleus PLUS的交互是在系统调用的界面上进行的。 ??? 从图2可以看出，利用Nucleus PLUS开发平台，用户只需编写任务代码和中断服务程序代码，在任务代码和中断服务程序代码中利用系统调用实现和Nucleus PLUS的交互，由Nucleus PLUS来调度多个任务并行执行，实现CPU的共享。由于NucleusPLUS根据优先级和时间片方式来共享CPU资源，所以只要任务和中断服务程序的优先级设置得当，系统的实时性就能保证。 ??????? ??? 图2　Nucleus PLUS系统结构 ??? 多任务管理???? Nucleus PLUS实时操作系统中的任务(task)相当于分时操作系统中的进程。在NucleusPLUS操作系统中，任务可划分为5种基本状态：运行状态、就绪状态、挂起状态、终止状态和完成状态，具体见表1所述。 ??? ??? 表1　任务的五种状态 ??? 各个任务之中，只能有一个任务处于运行状态；处