基于Linux多任務(wù)操作系統(tǒng)掃頻儀的研究

1 引言

掃頻儀是適用于測(cè)量系統(tǒng)頻率響應(yīng)的儀器。系統(tǒng)的頻率響應(yīng)包含幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)2個(gè)方面。目前，在掃頻儀的實(shí)現(xiàn)中，硬件平臺(tái)一般基于8位或16位單片機(jī)，軟件實(shí)現(xiàn)大多采用單流程循環(huán)控制方式，這種方法存在以下缺點(diǎn)：

(1)除中斷服務(wù)程序以外，各程序模塊沒有優(yōu)先級(jí)的區(qū)別，被主循環(huán)簡(jiǎn)單地輪轉(zhuǎn)調(diào)用，實(shí)時(shí)性差，響應(yīng)時(shí)間無法預(yù)料；

(2)運(yùn)算能力較差，難以完成較復(fù)雜的控制算法；

(3)硬件平臺(tái)依賴性強(qiáng)，不利于應(yīng)用軟件的開發(fā)、升級(jí)與移植；

(4)針對(duì)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，在缺乏有力的多任務(wù)調(diào)度機(jī)制的情況下，應(yīng)用軟件不僅實(shí)現(xiàn)難度大，且可靠性難以保證；

(5)分布式多任務(wù)處理能力差，網(wǎng)絡(luò)化、智能化支持難以適應(yīng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需要。

嵌入式Linux可以很好地解決上述問題。Linux不僅源代碼免費(fèi)開放和擁有世界范圍內(nèi)廣泛的技術(shù)支持，而且具備多硬件平臺(tái)支持；核心代碼效率高、代碼量??；系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性高；系統(tǒng)可根據(jù)特定需求進(jìn)行定制與組態(tài)，且易于升級(jí)等特點(diǎn)，是真正的多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)。

本文在系統(tǒng)分析掃頻儀硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)Linux的多任務(wù)并行處理的特點(diǎn)，進(jìn)行掃頻儀的軟件設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

(1)DDS信號(hào)源以高集成度頻率合成器AD9854為核心，S3C2410X通過向AD9854發(fā)送頻率控制字使其產(chǎn)生多種正弦波，然后經(jīng)過7階低通濾波、信號(hào)放大、幅度控制、輸出低雜散高穩(wěn)定度的正弦波。

(2)由于掃頻儀按鍵較多，不能按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)鍵盤電路，本文以ZLG7290芯片為基礎(chǔ)，鍵盤通過I2C總線連接CPU，這樣節(jié)省CPU的接口資源。

(3)信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電路主要用來對(duì)參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大和幅度相位檢測(cè)，然后通過低通濾波送A／D轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Linux具有內(nèi)核小、效率高、源代碼開放、內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點(diǎn)。但嵌入式系統(tǒng)的硬件資源畢竟有限，因此不能直接把Linux作為操作系統(tǒng)，需要針對(duì)具體的應(yīng)用通過配置內(nèi)核和嵌入式C庫對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定制，使整個(gè)系統(tǒng)能夠存放在容量較小的FLASH中。Linux的動(dòng)態(tài)模塊加載，使Linux的裁減極為方便，高度模塊化的部件使得添加和刪除變得非常容易?；贚inux的上述優(yōu)點(diǎn)，本文實(shí)現(xiàn)平臺(tái)使用的操作系統(tǒng)是對(duì)Linux進(jìn)行定制的arm-linux。

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

掃頻儀的軟件設(shè)計(jì)主要分為2部分：硬件驅(qū)動(dòng)程序；多任務(wù)應(yīng)用程序。掃頻儀系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中最內(nèi)層為操作系統(tǒng)層，中間層為應(yīng)用層，最外層為硬件驅(qū)動(dòng)層。當(dāng)操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先加載硬件驅(qū)動(dòng)層接口程序，然后系統(tǒng)內(nèi)核按照應(yīng)用層的各個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)及其就緒狀態(tài)在任務(wù)間切換運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)多任務(wù)設(shè)計(jì)

在將一個(gè)軟件系統(tǒng)劃分為并行任務(wù)時(shí)，首先要分析數(shù)據(jù)流圖中數(shù)據(jù)的變換，確定哪些變化可以并行，哪些變換本質(zhì)上必須順序執(zhí)行。一個(gè)變換可以成為一個(gè)任務(wù)，或者幾個(gè)變換組成一個(gè)任務(wù)。決定系統(tǒng)中任務(wù)劃分的最主要因素是系統(tǒng)中所實(shí)現(xiàn)功能間的異步關(guān)系，即任務(wù)與任務(wù)間是如何相互觸發(fā)和協(xié)調(diào)的，這可以通過任務(wù)間的通信來解決。按照并發(fā)性以及任務(wù)之間同步等特點(diǎn)和要求，對(duì)掃頻儀系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)劃分，如圖3所示。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與保護(hù)任務(wù)保證系統(tǒng)安全可靠，出現(xiàn)故障可以被自檢出來，同時(shí)能診斷出掃頻儀發(fā)生故障的部位。

數(shù)據(jù)采集任務(wù)由于掃頻儀需要不斷從A／D芯片讀取采集到的幅度和相位信號(hào)數(shù)據(jù)，否則會(huì)被后來的數(shù)據(jù)覆蓋，從而造成掉點(diǎn)，因此開辟一個(gè)數(shù)據(jù)采集進(jìn)程專門處理讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集進(jìn)程利用互斥鎖保護(hù)輸入緩沖區(qū)，避免競(jìng)爭(zhēng)；利用消息驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊進(jìn)行相應(yīng)操作。

數(shù)據(jù)處理任務(wù)首先通過數(shù)字濾波技術(shù)，濾出干擾源；然后進(jìn)行計(jì)算處理，判斷掃描頻率點(diǎn)數(shù)是否到達(dá)要求，決定掃頻是否結(jié)束，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形顯示格式；最后送顯示模塊顯示。由于數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算量較大，因此也為其開辟一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程來計(jì)算，避免影響其他模塊工作。

顯示任務(wù)圖形界面開發(fā)采用的開發(fā)工具為MiniGUI，使用MiniGUI的圖形控件資源，軟件的界面開發(fā)非常方便。顯示模塊主要負(fù)責(zé)將相位和幅度信號(hào)以圖形的方式顯示出來。由于繪圖是一件相當(dāng)耗費(fèi)資源的工作，故用一單獨(dú)的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)。

USB通訊任務(wù) 對(duì)被測(cè)物體測(cè)試完成后，進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的拷貝或打印。

3.3 多任務(wù)通信

在掃頻儀程序中引入消息概念，將進(jìn)程的執(zhí)行條件轉(zhuǎn)換為消息，由消息對(duì)相應(yīng)的進(jìn)程進(jìn)行激活，并由進(jìn)程調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)度。消息定義為：當(dāng)某進(jìn)程完成時(shí)，進(jìn)程設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志，不同的標(biāo)志代表不同的消息。消息在多進(jìn)程中的作用相當(dāng)于橋梁，使進(jìn)程間既相互獨(dú)立又有機(jī)關(guān)聯(lián)，進(jìn)程之間不能直接調(diào)用，需借助消息，由進(jìn)程調(diào)度模塊實(shí)施。例如：數(shù)據(jù)顯示模塊中有一部分內(nèi)容是將分析計(jì)算的結(jié)果打印到屏幕上，為了節(jié)省資源開銷，將其放在主進(jìn)程里，通過消息機(jī)制處理。

中斷服務(wù)程序則是通過發(fā)送信號(hào)給進(jìn)程調(diào)度模塊，說明已經(jīng)發(fā)生中斷。例如按下掃頻功能鍵，中斷處理程序產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)就退出中斷，而調(diào)度模塊則依據(jù)接收的信號(hào)，激活數(shù)設(shè)置模塊工作。

4 結(jié) 語

應(yīng)用基于Linux嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)的掃頻儀，結(jié)合S3C2410X的32位微處理器，不僅簡(jiǎn)化軟硬件設(shè)計(jì)，能夠方便地測(cè)量被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻曲線和相頻曲線，更重要的是減少掃頻響應(yīng)時(shí)間，增加數(shù)據(jù)打印和分析處理功能。利用MiniGUI開發(fā)的圖形界面友好，人機(jī)交互性強(qiáng)。基于Linux多任務(wù)操作系統(tǒng)進(jìn)行程序編寫，能減少程序設(shè)計(jì)的工作量和復(fù)雜程度，大大縮短開發(fā)周期。