引言

隨著IT技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、以及自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)采集就成為電子產(chǎn)品和工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展不可避免的一個(gè)環(huán)節(jié)。

本文針對高速實(shí)時(shí)多任務(wù)數(shù)據(jù)采集中的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)算法以及實(shí)時(shí)性、實(shí)效性和高速性的要求，提出了基于ARM9和μC/OSII操作系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)優(yōu)先級動態(tài)調(diào)度、系統(tǒng)工作參數(shù)動態(tài)設(shè)定、系統(tǒng)內(nèi)部軟件智能化設(shè)計(jì)，針對低速外圍設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，并提高了系統(tǒng)可靠性改善了內(nèi)部任務(wù)同步性。

1 整體電路設(shè)計(jì)

整個(gè)采集系統(tǒng)的硬件電路如圖1所示。首先利用多路調(diào)制電路對12路信號進(jìn)行調(diào)制，這部分包含相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換、抗干擾、以及初步的信號處理等，使得各路采集信號能夠達(dá)到ARM9內(nèi)核對信號采集的要求。經(jīng)多路選擇和ADC采樣后進(jìn)入ARM9內(nèi)核。為了實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，設(shè)置了上位機(jī)監(jiān)視器和現(xiàn)場顯示觸摸屏，將用戶所有要求顯示的信息在上位機(jī)顯示輸出或者在現(xiàn)場LCD同步顯示輸出。采樣按照采樣頻段分為高頻段（300~200 ksps）、中頻段（200~100 ksps）、和低頻段（小于100 ksps）3個(gè)頻段，每個(gè)頻段由4個(gè)外部采樣通道組成。ARM9內(nèi)核與上位機(jī)的通信利用UART和RS232轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)工作電源由統(tǒng)一的電源供給，在實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換后對PC機(jī)和ARM9內(nèi)核以及相應(yīng)的工作電路提供電源支持。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路

2 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)原理如圖2所示。12路采集信號經(jīng)調(diào)制電路多路選擇和ADC采樣后進(jìn)入各個(gè)采集任務(wù)內(nèi)部通道。每一路采集通道都設(shè)計(jì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)提交任務(wù)。也就是說，每一路外部采集通道都對應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)部數(shù)據(jù)通道，而且本通道數(shù)據(jù)只在本通道內(nèi)進(jìn)行存儲、處理和傳遞。各個(gè)內(nèi)部數(shù)據(jù)通道任務(wù)之間只有在系統(tǒng)調(diào)度時(shí)執(zhí)行時(shí)間上的先后關(guān)系、優(yōu)先級關(guān)系，沒有數(shù)據(jù)耦合關(guān)系。

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圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理圖

命令掃描部分由獨(dú)立的上位機(jī)和下位機(jī)掃描任務(wù)完成對上位機(jī)監(jiān)視器和下位機(jī)觸摸屏的實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦檢測到用戶命令，立即將其發(fā)送給命令解析和處理任務(wù)，由該任務(wù)對用戶命令進(jìn)行分析處理。命令處理完后將提取的結(jié)果發(fā)送給用戶要操作的采樣通道，使之按照用戶要求運(yùn)行。

各個(gè)頻段的各個(gè)通道采集任務(wù)均設(shè)置兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。雙數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為采樣任務(wù)順利存儲提供了雙重保證，使得采樣工作一旦結(jié)束就有可用緩沖區(qū)，就可立即將數(shù)據(jù)存儲而后進(jìn)行下一次采集。也使得后續(xù)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)減少數(shù)據(jù)等待時(shí)間，能迅速得到當(dāng)前采樣通道需要處理的數(shù)據(jù)，并在最短的時(shí)間內(nèi)處理發(fā)送給下一級任務(wù)。
采樣、數(shù)據(jù)顯示、命令掃描都涉及外圍設(shè)備，是整個(gè)系統(tǒng)所有任務(wù)里面運(yùn)行速度最慢的，針對采樣任務(wù)設(shè)置雙數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可以很大幅度地改善由于采樣速度慢而造成的系統(tǒng)速率下降問題，顯示和命令掃描部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)將在下文中詳細(xì)說明。

3 內(nèi)部軟件調(diào)度算法

系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)頻段命令如圖3所示。命令掃描函數(shù)捕捉到用戶命令后，對用戶命令進(jìn)行驗(yàn)證、分析、提取，而后將提取結(jié)果以廣播的方式發(fā)送至各個(gè)頻段的命令等待隊(duì)列。該隊(duì)列如得到新的命令，將用戶命令發(fā)送給本隊(duì)列下轄的各個(gè)采樣任務(wù)函數(shù)，用戶命令將立即得到執(zhí)行，包括通道切換、變換采樣周期、改變當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級、顯示特定通道數(shù)據(jù)等。如沒有得到新的命令，等待超時(shí)后采樣任務(wù)按照原有方式繼續(xù)工作。這也是一種智能化設(shè)計(jì)，以很簡單的方式實(shí)現(xiàn)了按照用戶命令隨時(shí)對任何通道的查看、監(jiān)督、操作、工作狀態(tài)切換、通道切換、由單通道到所有通道并行實(shí)時(shí)采集切換等所有功能的任意切換。

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圖3 各個(gè)頻段內(nèi)部命令

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3.1 任務(wù)優(yōu)先級設(shè)置及采樣任務(wù)優(yōu)先級動態(tài)調(diào)度

μC/OSII操作系統(tǒng)是基于優(yōu)先級的搶占式操作系統(tǒng)，所有任務(wù)必須有各自獨(dú)立且唯一的優(yōu)先級[1]。命令掃描和數(shù)據(jù)顯示分別設(shè)置為最高優(yōu)先級和最低優(yōu)先級。掃描函數(shù)的最高優(yōu)先級可以確保隨時(shí)對用戶命令進(jìn)行響應(yīng)，而顯示任務(wù)由于其運(yùn)行速速慢，將其設(shè)置為最低優(yōu)先級。只要系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，適當(dāng)避免低優(yōu)先級任務(wù)的饑餓現(xiàn)象，即可實(shí)現(xiàn)將用戶有效信息顯示輸出。

內(nèi)部優(yōu)先級設(shè)置規(guī)則是，低頻段、中頻段、高頻段3個(gè)頻段的任務(wù)之間優(yōu)先級依次遞減。低頻段的采樣周期明顯比高頻段長，在低頻段數(shù)據(jù)采集的空閑時(shí)間里系統(tǒng)可以順利地將CPU使用權(quán)切換給其他任務(wù)，使其他任務(wù)得到CPU使用權(quán)并執(zhí)行。每個(gè)頻段內(nèi)部的各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級從采樣到數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)提交依次遞減。
為了使得整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級動態(tài)調(diào)度也可以修改其他采樣參數(shù)，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將所有頻段采樣任務(wù)的優(yōu)先級、采樣周期以全局變量的形式在進(jìn)入操作系統(tǒng)之前進(jìn)行設(shè)置，并將其定義為volatile格式分配獨(dú)立的變量存儲地址。而后設(shè)立獨(dú)立的掃描任務(wù)，來專門完成這些參數(shù)的判斷、修改、存儲和動態(tài)更新。這樣便使得系統(tǒng)除了可以按照根據(jù)采樣周期設(shè)計(jì)的初始化優(yōu)先級和初始化參數(shù)運(yùn)行外，還可以依據(jù)用戶自身需要對各個(gè)頻段、各個(gè)通道的采樣任務(wù)優(yōu)先級以及采樣頻率進(jìn)行設(shè)置和修改。修改完并確認(rèn)后，修改任務(wù)會保存、更新當(dāng)前系統(tǒng)工作參數(shù)并退出操作系統(tǒng)，而后重新啟動并初始化，整個(gè)采集系統(tǒng)將按照全新的狀態(tài)開始工作。當(dāng)然，在這里用戶優(yōu)先級和采樣周期設(shè)置是受限的，必須符合上文提及的優(yōu)先級規(guī)則及各個(gè)頻段對采樣周期的要求。

3.2 任務(wù)時(shí)限設(shè)置

為了對整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，首先說明幾個(gè)內(nèi)部工作時(shí)間。i386體系和Linux2.5內(nèi)核中操作系統(tǒng)節(jié)拍率都設(shè)置為1000 Hz[2]。在這里將μC/OSII操作系統(tǒng)調(diào)度時(shí)間OS_TICKS_PER_SEC也設(shè)置為1000，也就是說操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度以ms為單位。ARM9內(nèi)核CPU工作頻率設(shè)置為400 MHz，即CPU機(jī)械周期以ns為單位。外設(shè)包括上位機(jī)命令掃描和上位機(jī)、下位機(jī)顯示部分工作都以s為單位。μC/OSII系統(tǒng)中任務(wù)切換、調(diào)度及延時(shí)都以系統(tǒng)節(jié)拍率為單位，而內(nèi)部代碼的運(yùn)行是以機(jī)械周期為單位。內(nèi)部任務(wù)時(shí)限可以以節(jié)拍律為單位，也可以以實(shí)時(shí)時(shí)間為基準(zhǔn)，獲得一個(gè)絕對時(shí)間差。

單個(gè)采樣任務(wù)通道內(nèi)部只有采樣任務(wù)需要時(shí)限設(shè)置。為了達(dá)到智能化，用消息隊(duì)列的等待延時(shí)替代了采樣任務(wù)時(shí)限，而該延時(shí)便是本通道的采樣周期。其他的后續(xù)任務(wù)包括內(nèi)存開辟、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送，都依次等待上一級任務(wù)消息，受上一級任務(wù)鉗制不設(shè)置任務(wù)時(shí)限。顯示任務(wù)時(shí)限按ms設(shè)置為絕對時(shí)間差。

3.3 針對外設(shè)的時(shí)間優(yōu)化

針對命令掃描和解析任務(wù)，將其設(shè)置為中斷方式，在檢測到有用戶命令輸入時(shí)發(fā)生中斷，在中斷里對用戶命令進(jìn)行解析、分析、提取和處理。在中斷下半部分對命令進(jìn)行廣播式發(fā)布，發(fā)布到各個(gè)采樣任務(wù)函數(shù)使其立即刷新執(zhí)行。因?yàn)橛脩艄ぷ鞣绞礁淖?，命令刷新頻率并不高而且任務(wù)量不大，所以完全可以利用中斷的快速處理來實(shí)現(xiàn)這種功能。

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圖4 顯示任務(wù)工作原理圖

在處理完命令掃描和采樣任務(wù)之后，影響整個(gè)系統(tǒng)性能的就剩下上位機(jī)和下位機(jī)顯示部分了。顯示任務(wù)工作原理如圖4所示，利用μC/OSII系統(tǒng)提供的消息隊(duì)列對顯示部分進(jìn)行改善。分別建立兩個(gè)長度為16的消息隊(duì)列和內(nèi)存塊鏈表，數(shù)據(jù)提交任務(wù)從空閑內(nèi)存池中得到可用內(nèi)存塊之后將本任務(wù)要顯示的數(shù)據(jù)存入該內(nèi)存塊，此時(shí)該內(nèi)存就變成了帶有數(shù)據(jù)的待顯示數(shù)據(jù)塊。而后將該內(nèi)存塊的地址以消息的形式注冊在顯示消息隊(duì)列上。消息隊(duì)列的長度設(shè)置為16，雖然這里只有12個(gè)任務(wù)會發(fā)送消息給消息隊(duì)列，但在實(shí)時(shí)多任務(wù)程序中，各個(gè)任務(wù)的運(yùn)行是隨機(jī)的，消息隊(duì)列在一段時(shí)間內(nèi)得到的消息個(gè)數(shù)是個(gè)不定值，所以留出4個(gè)空位作為裕度。而且設(shè)置初始值為16的計(jì)數(shù)信號量來保護(hù)消息隊(duì)列，數(shù)據(jù)提交任務(wù)在提交數(shù)據(jù)之前先檢測該信號量，如該信號量有效就可以發(fā)送信號，如信號量無效則需等待，直到有可用信號位時(shí)方可將信號發(fā)出。在外部硬件操作端，由外部發(fā)送任務(wù)將消息隊(duì)列中的消息按照固定速率發(fā)送到外部信號線上。

這樣設(shè)計(jì)，消息隊(duì)列就相當(dāng)于一個(gè)緩沖區(qū)，使得所有提交任務(wù)都可以向這個(gè)緩沖區(qū)發(fā)送待顯示數(shù)據(jù)，有效地避免了多個(gè)任務(wù)爭用一個(gè)外圍設(shè)備而引起的死鎖、競爭冒險(xiǎn)等問題。同時(shí)減少了任務(wù)數(shù)量，減少了任務(wù)切換的次數(shù)，充分利用了系統(tǒng)時(shí)間，提高了系統(tǒng)性能。

3.4 關(guān)鍵區(qū)保護(hù)

多任務(wù)設(shè)計(jì)中每個(gè)任務(wù)在任何時(shí)刻都可能被其他任務(wù)打斷，必須充分考慮代碼的安全性、可重入性、可靠性、饑餓、互鎖、死鎖等情況。[3]

為了避免上述情況，任務(wù)間消息發(fā)送和傳遞時(shí)以及在數(shù)據(jù)采樣時(shí)對相應(yīng)函數(shù)體進(jìn)行關(guān)鍵區(qū)保護(hù)，在這些函數(shù)運(yùn)行的時(shí)候禁止中斷和任務(wù)調(diào)度，以保證數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)采樣的絕對正確性和系統(tǒng)運(yùn)行的絕對安全性。

4 極限頻率測定及總結(jié)

上位機(jī)超級終端接收到的極限頻率測試結(jié)果如圖5所示。

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圖5 極限頻率測量結(jié)果

分別測試了高頻段、中頻段和低頻段的極限頻率，結(jié)果在CPU使用率80%~90%的情況下測定。該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了智能化設(shè)計(jì)和優(yōu)先級動態(tài)調(diào)度、系統(tǒng)參數(shù)動態(tài)設(shè)置等功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。