磁場檢測儀的嵌入式軟件和硬件協(xié)同開發(fā)模式

引言

隨著電子產(chǎn)品功能日益增多、性能日益增強(qiáng)，低成本32位微處理器、多層PCB板被廣泛應(yīng)用，軟件和開發(fā)團(tuán)隊(duì)的規(guī)模隨之?dāng)U大，同時開發(fā)周期呈指數(shù)增長。因此，以往的開發(fā)方式越來越不適應(yīng)項(xiàng)目開發(fā)的需要。目前，國內(nèi)磁場檢測儀器主要集中應(yīng)用在工業(yè)用低頻強(qiáng)磁場和通信用的高頻弱磁場測量上，而中頻強(qiáng)磁場測量仍是磁場測量領(lǐng)域的一個難題?；谇度胧讲僮飨到y(tǒng)的中頻強(qiáng)磁場的測量系統(tǒng)開發(fā)中，涉及到高速硬件電路設(shè)計(jì)、多層PCB板布線、32位微處理器編程、上位機(jī)軟件編程等多項(xiàng)工作，因此，需要眾多開發(fā)人員協(xié)同開發(fā)。

通過長期的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在項(xiàng)目開發(fā)中引入開源項(xiàng)目管理平臺Redmine、嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II、仿真軟件Proteus和調(diào)試軟件Bus Hou nd，能夠有效地提升整個項(xiàng)目的協(xié)同開發(fā)能力和管理水平。采用協(xié)同開發(fā)管理模式，可以達(dá)到以下4方面的顯著效果：提高嵌入式軟件和硬件之間的協(xié)同開發(fā)效率;提高嵌入式軟件各模塊間的開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量;提高上位機(jī)和下位機(jī)軟件的開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量;有效提高整個項(xiàng)目協(xié)同開發(fā)的管理水平。

1 磁場檢測儀開發(fā)管理平臺

項(xiàng)目管理的好壞關(guān)系到項(xiàng)目開發(fā)質(zhì)量的高低，同時，對開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量也將產(chǎn)生重大的影響。目前市場上，基于Web的開源項(xiàng)目管理軟件已經(jīng)發(fā)展得很成熟，此類軟件在高校的教學(xué)和研究，以及中小企業(yè)的項(xiàng)目開發(fā)管理中，都得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)階段，在磁場檢測系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)中，由于軟硬件的開發(fā)復(fù)雜，開發(fā)人員眾多且開發(fā)人員存在著開發(fā)能力參差不齊、流動性大等特點(diǎn)，加上項(xiàng)目的開發(fā)時間跨度大等原因，使得項(xiàng)目管理變得十分困難。經(jīng)過筆者應(yīng)用分析，從軟件的成熟度、穩(wěn)定性、流行性、社區(qū)發(fā)展情況，以及安裝配置的簡易性這幾方面進(jìn)行詳細(xì)的分析比較，最終在Launchpad、Redmine和Trac這3個軟件中，選擇了Redmine。

在磁場檢測系統(tǒng)的項(xiàng)目管理平臺搭建中，首先，利用BitNami Redmine Stack提供的一鍵式安裝包，安裝好Redmine平臺，然后把中頻磁場檢測系統(tǒng)開發(fā)團(tuán)隊(duì)的成員、任務(wù)(問題)、文檔、討論、Wiki、版本管理，以及各種形式的資源整合在此平臺上，大家通過一起參與更新任務(wù)、更新文檔等來推動項(xiàng)目的進(jìn)度。同時，系統(tǒng)地利用時間線索和各種報(bào)表，動態(tài)顯示項(xiàng)目的進(jìn)度狀態(tài)。

在項(xiàng)目中引入Redmine管理平臺，界面如圖1所示。起到了立竿見影的效果：

①開發(fā)團(tuán)隊(duì)中新加入的成員通過此平臺，可以快速地了解項(xiàng)目的詳細(xì)情況，從而能夠快速地接手項(xiàng)目;

②團(tuán)隊(duì)中如有成員離開，其他成員可以快速地接手該成員原來負(fù)責(zé)的任務(wù);

③相對于以往采用客戶端TortoiseSVN訪問SVN的方式，開發(fā)成員更容易接受Redmine提供的Web訪問方式，來訪問和操作SVN版本控制器;

④為團(tuán)隊(duì)成員的內(nèi)部溝通和交流提供了高效的平臺;

⑤根據(jù)項(xiàng)目的進(jìn)展情況，可以及時地調(diào)整項(xiàng)目的進(jìn)度，從而實(shí)現(xiàn)高效的動態(tài)管理。

2 嵌入式軟件和硬件協(xié)同開發(fā)

Proteus可以實(shí)現(xiàn)原理圖設(shè)計(jì)、PCB布板以及微處理器與外圍電路的協(xié)同仿真。Proteus微處理器模型支持8051、PIC、MSP430、AVR、ARM 7和HC11等系列微處理器。其中，2011年推出的Proteus7.10版本，增加了對ARM Correx-M3系列處理器的支持。

電子產(chǎn)品從芯片的選型、電路設(shè)計(jì)、PCB布板到樣板焊接調(diào)試，這中間一般需要幾個月的時間，這段時間對整個項(xiàng)目開發(fā)來說，是非常關(guān)鍵的。在磁場檢測儀樣板制作的同時，嵌入式軟件開發(fā)人員在Proteus中繪制基本原理圖后，就可著手在Proteus的ARM Cortex-M3微處理器模型上編寫程序。

由于采用Proteus和IAR聯(lián)調(diào)，即在IAR集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行代碼調(diào)試，運(yùn)行和調(diào)試結(jié)果直接在Proteus中顯示，因此不用等到樣板制作完畢再開始嵌入式軟件的調(diào)試，從而做到嵌入式軟件和硬件的同步開發(fā)。

另外，相對于直接在樣板上調(diào)試，Proteus更容易判斷出某個功能不能實(shí)現(xiàn)的具體原因，是由于硬件的故障還是軟件的編程問題引起的，從而避免了誤將硬件故障認(rèn)為是軟件編程問題的情況發(fā)生，大大提高開發(fā)效率。另一方面，在磁場檢測儀LCD顯示驅(qū)動程序的調(diào)試中，利用Proteus提供的邏輯分析儀虛擬儀器測量LCD驅(qū)動時序，可以非常直觀地調(diào)試LCD的驅(qū)動程序，快速地完成LCD驅(qū)動程序的編程和調(diào)試。

由于磁場檢測儀中每一版本的PCB都只焊接制作了3塊樣板，大部分調(diào)試都在Proteus上完成。所以，用Proteus代替實(shí)際樣板調(diào)試，可以很大程度地減少元件的購置，減少樣板的制作;同時，也大大減少了JTAG仿真器、示波器、邏輯分析儀等調(diào)試設(shè)備的購置。為磁場檢測系統(tǒng)開發(fā)節(jié)約大量的資金和寶貴的開發(fā)時間。

3 嵌入式軟件各模塊協(xié)同開發(fā)

3.1 引入嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任務(wù)分解

現(xiàn)在，國內(nèi)低端手機(jī)設(shè)計(jì)上廣泛使用聯(lián)發(fā)科技MTK的方案，將手機(jī)芯片和手機(jī)軟件平臺預(yù)先整合到一起。MTK的整套軟件系統(tǒng)十分龐大且復(fù)雜，但其架構(gòu)是引入Nucleus嵌入式操作系統(tǒng)，將手機(jī)軟件分解成多個任務(wù)并行開發(fā)。

MTK使用了Nucleus實(shí)時操作系統(tǒng)，但在其上做了內(nèi)核抽象層的封裝，以適應(yīng)最終生產(chǎn)廠商選擇其他實(shí)時操作系統(tǒng)的需要(如選擇替換為ThreadX)。Nucleus、ThreadX和μC/OS-II這3個嵌入式操作系統(tǒng)功能上很類似，但商用license是不一樣的。其中μC/OS-II應(yīng)用在市場上銷售的產(chǎn)品，是需要購買license的;而針對高校的教學(xué)和研究，是免費(fèi)的。這也是μC/OS-II廣泛被高校教師和學(xué)生認(rèn)知的一個重要原因，同時這也是我們優(yōu)先采用μC/OS-II作為磁場檢測儀的嵌入式操作系統(tǒng)的一個重要原因。

目前，ARM程序的規(guī)模一般都很大，需要多人協(xié)同開發(fā)。由于不帶嵌人式操作系統(tǒng)的程序，僅依靠全局變量和函數(shù)傳遞信息，程序耦合度十分高，很難實(shí)現(xiàn)多人的協(xié)同開發(fā)。引入嵌入式操作系統(tǒng)后，各個任務(wù)間通過消息郵箱、消息隊(duì)列或信號量同步，大大降低程序的耦合度，極大地提高團(tuán)隊(duì)協(xié)同開發(fā)的效率。

引入嵌入式操作系統(tǒng)后，一般將程序分成幾個任務(wù)(線程)，分別由專人負(fù)責(zé)。嵌入式軟件開發(fā)流程中，首先是對電路板和嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接著創(chuàng)建若干任務(wù)，剩下的工作就是編寫每個任務(wù)或中斷處理的程序代碼。圖2為磁場檢測儀的中斷和任務(wù)間的同步關(guān)系框架圖.[!--empirenews.page--]

3.2 引入版本控制器實(shí)現(xiàn)代碼合并

引入嵌入式操作系統(tǒng)后，每個嵌入式軟件開發(fā)人員只需負(fù)責(zé)一個或若干任務(wù)。通過引入源代碼控制軟件，可以實(shí)現(xiàn)嵌入式軟件代碼的整合和集中備份。其中，SVN是BitNami Redmine Stack一鍵式安裝模式中默認(rèn)安裝的版本控制器。通過SVN的使用，開發(fā)人員每天回到實(shí)驗(yàn)室，通過SVN更新整個項(xiàng)目代碼，然后用Source Insight開始一天的代碼編寫工作。下班前，使用IAR編譯平臺進(jìn)行代碼編譯，確認(rèn)沒有編譯錯誤后，再把自己修改過的代碼上傳到SVN中。上傳代碼時，SVN會自動檢測代碼是否存在沖突(如果兩個或多個開發(fā)人員都改動了某一文件的同一地方，SVN會提示存在沖突)。如果存在沖突，開發(fā)人員可根據(jù)實(shí)際需要，協(xié)調(diào)解決沖突。

引入SVN后，每次代碼上傳到SVN后都會自動更新生成一個版本號。當(dāng)磁場檢測儀的嵌入式軟件各模塊聯(lián)調(diào)出現(xiàn)新問題時，通過比較類軟件(如beyond compare)，比較兩個版本代碼之間的差別，很多時候能夠快速找出問題的關(guān)鍵所在。

4 下位機(jī)和上位機(jī)的協(xié)同開發(fā)

Bus Hound可以用來分析USB總線數(shù)據(jù)協(xié)議、捕獲I/O動作等。同時，也可以傳送用戶編寫的命令，實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的控制和調(diào)試。雖然上位機(jī)軟件還沒有完成，但定義好上位機(jī)和下位機(jī)的通信協(xié)議后，可以用Bus Hound模擬上位機(jī)軟件接收下位機(jī)軟件發(fā)送的USB數(shù)據(jù)，或發(fā)送USB數(shù)據(jù)給下位機(jī)軟件，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)軟件的并行開發(fā)。

在磁場檢測儀中，使用南京沁恒電子有限公司生產(chǎn)的CH375作為USB主控芯片，實(shí)現(xiàn)ARM和上位機(jī)的USB通信。實(shí)際編程中，使用了CH375的3個端點(diǎn)，端點(diǎn)0用于控制傳輸，實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的枚舉;端點(diǎn)2 IN用于USB數(shù)據(jù)從下位機(jī)到PC的Bulk傳輸(一次最多64字節(jié));端點(diǎn)2 OUT用于USB數(shù)據(jù)從PC到下位機(jī)的Bulk傳輸(一次最多64字節(jié))。Bus Hound接收32字節(jié)磁場測量數(shù)據(jù)如圖3所示，利用Bus Hound控制CH373的USB端點(diǎn)2OUT，分32次控制接收下位機(jī)回傳1 KB的磁場點(diǎn)采集信號數(shù)據(jù)，最終通過PC的中頻磁場分析軟件實(shí)現(xiàn)中頻磁場的單點(diǎn)、平面和空間的磁場模擬分布顯示。

另外，端點(diǎn)1 IN用于USB數(shù)據(jù)從下位機(jī)到PC的中斷傳輸，端點(diǎn)2 OUT用于USB數(shù)據(jù)從PC到下位機(jī)的BULK傳輸(一次最多8字節(jié))。在磁場檢測儀嵌入式軟件的調(diào)試中，利用端點(diǎn)1 IN發(fā)送調(diào)試指令和接收調(diào)試數(shù)據(jù)。

結(jié)語

Redmine、Proteus、μC/OS-II、SVN和Bus Hound的使用，提高了磁場檢測系統(tǒng)的開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量，為磁場檢測系統(tǒng)高效、高質(zhì)量地完成開發(fā)任務(wù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在實(shí)際使用該協(xié)同開發(fā)模式中，高校或中小企業(yè)可以根據(jù)自身的實(shí)際需要進(jìn)行改動，如μC/OS-II換成μCl inux等其他嵌入式操作系統(tǒng)，SVN換成GIT等其他版本管理器，Proteus換成SkyEye等其他仿真平臺。最終，有效提高了高校研究生課程的教學(xué)效果以及高校和企業(yè)的項(xiàng)目開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量。