1 引言

掃頻儀是適用于測量系統(tǒng)頻率響應的儀器。系統(tǒng)的頻率響應包含幅頻響應和相頻響應2個方面。目前，在掃頻儀的實現(xiàn)中，硬件平臺一般基于8位或16位單片機，軟件實現(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：

(1)除中斷服務程序以外，各程序模塊沒有優(yōu)先級的區(qū)別，被主循環(huán)簡單地輪轉(zhuǎn)調(diào)用，實時性差，響應時間無法預料；

(2)運算能力較差，難以完成較復雜的控制算法；

(3)硬件平臺依賴性強，不利于應用軟件的開發(fā)、升級與移植；

(4)針對較復雜的控制系統(tǒng)，在缺乏有力的多任務調(diào)度機制的情況下，應用軟件不僅實現(xiàn)難度大，且可靠性難以保證；

(5)分布式多任務處理能力差，網(wǎng)絡化、智能化支持難以適應長遠發(fā)展需要。

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

本文在系統(tǒng)分析掃頻儀硬件結(jié)構基礎上，根據(jù)Linux的多任務并行處理的特點，進行掃頻儀的軟件設計。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的硬件設計方案，如圖1所示。

(1)DDS信號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)的設計方式設計鍵盤電路，本文以ZLG7290芯片為基礎，鍵盤通過I2C總線連接CPU，這樣節(jié)省CPU的接口資源。

(3)信號檢測調(diào)理電路主要用來對參考信號和被測信號進行放大和幅度相位檢測，然后通過低通濾波送A／D轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設計

Linux具有內(nèi)核小、效率高、源代碼開放、內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡支持等優(yōu)點。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)，需要針對具體的應用通過配置內(nèi)核和嵌入式C庫對系統(tǒng)進行定制，使整個系統(tǒng)能夠存放在容量較小的FLASH中。Linux的動態(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，本文實現(xiàn)平臺使用的操作系統(tǒng)是對Linux進行定制的arm-linux。

3.1 軟件總體設計

掃頻儀的軟件設計主要分為2部分：硬件驅(qū)動程序；多任務應用程序。掃頻儀系統(tǒng)軟件結(jié)構圖如圖2所示，其中最內(nèi)層為操作系統(tǒng)層，中間層為應用層，最外層為硬件驅(qū)動層。當操作系統(tǒng)啟動后，首先加載硬件驅(qū)動層接口程序，然后系統(tǒng)內(nèi)核按照應用層的各個任務優(yōu)先級及其就緒狀態(tài)在任務間切換運行。

3.2 系統(tǒng)多任務設計

在將一個軟件系統(tǒng)劃分為并行任務時，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。一個變換可以成為一個任務，或者幾個變換組成一個任務。決定系統(tǒng)中任務劃分的最主要因素是系統(tǒng)中所實現(xiàn)功能間的異步關系，即任務與任務間是如何相互觸發(fā)和協(xié)調(diào)的，這可以通過任務間的通信來解決。按照并發(fā)性以及任務之間同步等特點和要求，對掃頻儀系統(tǒng)進行任務劃分，如圖3所示。

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

數(shù)據(jù)采集任務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數(shù)據(jù)，否則會被后來的數(shù)據(jù)覆蓋，從而造成掉點，因此開辟一個數(shù)據(jù)采集進程專門處理讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集進程利用互斥鎖保護輸入緩沖區(qū)，避免競爭；利用消息驅(qū)動數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊進行相應操作。

數(shù)據(jù)處理任務首先通過數(shù)字濾波技術，濾出干擾源；然后進行計算處理，判斷掃描頻率點數(shù)是否到達要求，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)處理模塊計算量較大，因此也為其開辟一個單獨的進程來計算，避免影響其他模塊工作。

顯示任務圖形界面開發(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。顯示模塊主要負責將相位和幅度信號以圖形的方式顯示出來。由于繪圖是一件相當耗費資源的工作，故用一單獨的進程實現(xiàn)。

USB通訊任務 對被測物體測試完成后，進行測試數(shù)據(jù)的拷貝或打印。

3.3 多任務通信

在掃頻儀程序中引入消息概念，將進程的執(zhí)行條件轉(zhuǎn)換為消息，由消息對相應的進程進行激活，并由進程調(diào)度模塊實現(xiàn)調(diào)度。消息定義為：當某進程完成時，進程設置相應標志，不同的標志代表不同的消息。消息在多進程中的作用相當于橋梁，使進程間既相互獨立又有機關聯(lián)，進程之間不能直接調(diào)用，需借助消息，由進程調(diào)度模塊實施。例如：數(shù)據(jù)顯示模塊中有一部分內(nèi)容是將分析計算的結(jié)果打印到屏幕上，為了節(jié)省資源開銷，將其放在主進程里，通過消息機制處理。

中斷服務程序則是通過發(fā)送信號給進程調(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)生一個信號就退出中斷，而調(diào)度模塊則依據(jù)接收的信號，激活數(shù)設置模塊工作。

4 結(jié) 語

應用基于Linux嵌入式多任務操作系統(tǒng)的掃頻儀，結(jié)合S3C2410X的32位微處理器，不僅簡化軟硬件設計，能夠方便地測量被測網(wǎng)絡的幅頻曲線和相頻曲線，更重要的是減少掃頻響應時間，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，人機交互性強。基于Linux多任務操作系統(tǒng)進行程序編寫，能減少程序設計的工作量和復雜程度，大大縮短開發(fā)周期。