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1．浙江工業(yè)大學(xué)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310014
2．公安部第三研究所，上海200031
摘 要： 介紹了離子遷移譜儀嵌入式系統(tǒng)工作原理及其核心部件嵌入式處理器和操作系統(tǒng)的選擇，對(duì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件任務(wù)模塊設(shè)計(jì)作了重點(diǎn)闡述，特別是對(duì)系統(tǒng)的核心CPU處理模塊及關(guān)鍵技術(shù)作了詳細(xì)介紹。
關(guān)鍵詞： 嵌入式；波峰位置；離子信號(hào)；遷移時(shí)間
離子遷移譜儀是一種利用IMS（離子遷移譜）技術(shù)的專(zhuān)用探測(cè)儀，可用于探測(cè)樣品氣體中的微量成分，也可探測(cè)空氣中的污染物或爆炸物，以及用于麻醉品和毒品的探測(cè)。離子遷移譜技術(shù)是一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)的新型技術(shù)，以在確定的溫度、氣壓、電場(chǎng)條件下，通過(guò)精確測(cè)定離子在電場(chǎng)作用下穿過(guò)固定距離的遷移時(shí)間，來(lái)確定被測(cè)可疑物質(zhì)中是否具有某些化學(xué)成分的分子。因?yàn)椴煌镔|(zhì)的遷移率具有惟一性，所以其遷移時(shí)間也具有惟一性。IMS技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，應(yīng)用于專(zhuān)用探測(cè)儀研制是一個(gè)全新的課題。其中，對(duì)于遷移時(shí)間的精確測(cè)定要求該儀器內(nèi)部的計(jì)算機(jī)模塊具有快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度和高可靠性，涉及到對(duì)離子信號(hào)的正確提取，大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取、分析和處理，以及對(duì)系統(tǒng)中一些設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1 系統(tǒng)工作原理
在儀器的硬件結(jié)構(gòu)中，離子遷移管是離子形成和漂移的場(chǎng)所，是其中較重要的組成部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
根據(jù)IMS技術(shù)的基本原理，（見(jiàn)圖1），樣品分子在離化區(qū)里充分離化后，開(kāi)啟格柵離子門(mén)，并計(jì)時(shí)，離子同步進(jìn)入遷移區(qū)中進(jìn)行漂移，對(duì)于同一種物質(zhì)分子的離子，其到達(dá)法拉第盤(pán)的時(shí)間是相同的，并由法拉第盤(pán)把采集到的離子變成電流。因而可通過(guò)不斷測(cè)量輸出信號(hào)強(qiáng)度，即電流來(lái)判定離子遷移時(shí)間，遷移時(shí)間就是產(chǎn)生瞬時(shí)強(qiáng)電流信號(hào)的時(shí)刻。一般，在4～20 cm長(zhǎng)的遷移區(qū)域中，可獲得5～20 ms的遷移時(shí)間。在系統(tǒng)中，遷移區(qū)的長(zhǎng)度約為7 cm，每25ms開(kāi)啟離子門(mén)信號(hào)一次。因此，以25 ms為采樣周期，采樣離子輸出信號(hào)，由此可得時(shí)間／電流二維關(guān)系波形圖，稱(chēng)之為等離子圖，其時(shí)間軸長(zhǎng)度為25ms,其中必包含至少一個(gè)波峰（即強(qiáng)電流）。
由上述基本原理，該系統(tǒng)的工作原理如下：通過(guò)細(xì)節(jié)匹配，對(duì)離化后物質(zhì)的等離子圖的波峰位置（即物質(zhì)的遷移時(shí)間）的提取來(lái)鑒定物質(zhì)的具體成分。系統(tǒng)具體的原理框圖如圖2所示。
等離子圖處理：去除等離子圖中的干擾（如離子門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)電壓脈沖所造成的噪聲），主要采用濾波技術(shù)，使其顯現(xiàn)為一幅清晰的點(diǎn)線圖，從而可以正確的提取出等離子圖中的波峰位置。對(duì)等離子圖的正確處理，將直接影響到檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，具有重要意義。
數(shù)據(jù)庫(kù)的建立：就已知樣品，對(duì)其等離子圖正確處理之后，提取出它的特征點(diǎn)，即波峰位置，連同它的名稱(chēng)、峰值一并存入數(shù)據(jù)庫(kù)（存放于FLASH中），作為比對(duì)模板。
由于物質(zhì)的遷移時(shí)間還受大氣壓、溫度等的影響，在實(shí)際比對(duì)過(guò)程中，還需對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中取出來(lái)的比對(duì)模板進(jìn)行校正，并就一定的匹配條件進(jìn)行比對(duì)。
2 系統(tǒng)定制
2．1 嵌入式處理器的選擇
由于系統(tǒng)工作時(shí)，處理器承擔(dān)著大量的計(jì)算分析任務(wù)，因此，對(duì)處理器的性能有較高的要求（大于50 Mbps），并須內(nèi)置一定容量的緩存。另外，處理器要與大量外設(shè)相連，要求它有豐富的片內(nèi)資源，同時(shí)內(nèi)置一些常見(jiàn)接口。比較市場(chǎng)上各個(gè)主流產(chǎn)品，選擇三星公司的S3C44B0X。該嵌入式微處理器有如下特點(diǎn)：內(nèi)核是帶有8 K緩存的ARM7TDMI，工作主頻可達(dá)66 MHz，有專(zhuān)用JTAG調(diào)試端口；內(nèi)置LCD控制器、DMA控制器、串口、定時(shí)器、10位AD轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)RTC、看門(mén)狗電路等；具有外部存儲(chǔ)器（FP／EDO／SDRAM）相連的接口，支持IIS和IIC接口；售價(jià)僅為8美元，具有較高的性?xún)r(jià)比。
2．2 嵌入式RTOS的選擇
離子遷移譜儀嵌入式系統(tǒng)，對(duì)容量和速度要求較高，不僅要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，還要對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制，單任務(wù)環(huán)境已不適應(yīng)它的需求，必須采用多任務(wù)體制來(lái)提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。為了保證系統(tǒng)的可靠性，提高開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，需要在嵌入式處理器上運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，形成完整的系統(tǒng)平臺(tái)。為此，選擇嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)NucleusPLUS。其95％的代碼是用ANSIC寫(xiě)成的，非常便于移植并支持大多數(shù)類(lèi)型的處理器。在典型的目標(biāo)環(huán)境中，Nucleus PLUS核心代碼區(qū)一般不超過(guò)20 K字節(jié)大小，內(nèi)核規(guī)模非常小。并且，Nucleus PLUS采用了軟件組件的方法，其組件包括任務(wù)控制、內(nèi)存管理、任務(wù)間通信、任務(wù)的同步與互斥、中斷管理、定時(shí)器I／O驅(qū)動(dòng)等。通過(guò)這些組件，在離子遷移譜儀系統(tǒng)中，Nucleus PLUS可以完成以下功能：建立起軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)之間的連接；響應(yīng)系統(tǒng)外部事件；協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個(gè)任務(wù)模塊之間的調(diào)度。
2．3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
�。�1）系統(tǒng)組成。如圖3所示，以5個(gè)按鍵作為輸入接口，完成查詢(xún)、信息切換、簡(jiǎn)單設(shè)置等功能，以250×160的黑白LCD屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前操作狀態(tài)、信息等。其中驅(qū)動(dòng)采樣板的主要功能是電流驅(qū)動(dòng)采樣離子遷移管的離子信號(hào)，同時(shí)對(duì)溫度傳感器、氣壓傳感器等采樣的模擬量起放大作用；高壓發(fā)生模塊通向離子遷移管，使其產(chǎn)生高壓電場(chǎng)，從而保證物質(zhì)分子充分離化。
（2）CPU主控模塊。CPU主控模塊是離子質(zhì)譜儀的心臟部分，它的組成框圖如圖4所示。CPU主控模塊主要完成下面3個(gè)任務(wù)：
1）實(shí)時(shí)地管理和監(jiān)控系統(tǒng)中的所有設(shè)備。系統(tǒng)有大量的實(shí)時(shí)控制要求，例如離子管上溫度的恒定控制；維持氣路的恒定流量；還包括對(duì)系統(tǒng)中的高壓電源、整機(jī)電流、整機(jī)溫度、試紙狀態(tài)、按鍵等實(shí)時(shí)跟蹤和控制。
2）人機(jī)操作界面。CPU要完成大量的菜單圖形顯示任務(wù)，并根據(jù)用戶(hù)所下達(dá)的指令，完成相應(yīng)的操作任務(wù)，同時(shí)將結(jié)果、狀態(tài)顯示于屏上。
3）完成對(duì)離子信號(hào)的采樣、等離子圖顯示和計(jì)算分析任務(wù)。
（3）離子信號(hào)采樣。離子信號(hào)的采集是系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，經(jīng)濾波整形后的離子信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化，被處理器存儲(chǔ)到SDRAM中。然而，對(duì)離子信號(hào)的數(shù)字化除了在量化精度、模數(shù)轉(zhuǎn)化時(shí)間方面有較高要求外，同時(shí)還對(duì)采樣的時(shí)間間隔有著嚴(yán)格要求，這利用處理器內(nèi)部的通用定時(shí)器是無(wú)法完成的，往往需要特定的邏輯器件來(lái)完成這部分功能，這部分電路由可編程器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，離子信號(hào)采樣量較大，在被采樣到SDRAM的過(guò)程中，需要處理器頻繁地讀取A／D數(shù)據(jù)，這對(duì)處理器是個(gè)不小的負(fù)擔(dān)，為此，利用單片機(jī)內(nèi)部的DMA控制器，用A／D轉(zhuǎn)換器的Busy信號(hào)觸發(fā)DMA控制器讀A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并存到SDRAM中，從而大大地減少了處理器的負(fù)擔(dān)。
2．4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
�。�1）軟件設(shè)計(jì)要求。根據(jù)離子遷移譜儀的工作原理，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要讓系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)各個(gè)管道（tube管、校準(zhǔn)管、注入管）進(jìn)行加熱，并將它們的溫度控制在某一個(gè)定點(diǎn)，與此同時(shí)，不斷讀取離子管內(nèi)的信號(hào)，并以等離子圖的形式顯示在LCD屏上。在滿(mǎn)足離子管工作分析條件后，控制馬達(dá)，以及離子管內(nèi)的泵、閥等，同時(shí)加熱解析管溫度到一定點(diǎn)，此時(shí)可以對(duì)樣品進(jìn)行分析。最終，在LCD屏上，分別以狀態(tài)、等離子圖、結(jié)果等分屏顯示，通過(guò)5個(gè)按鍵在各個(gè)屏之間切換。
（2）建立BSP。根據(jù)RTOS的編程模型，軟件設(shè)計(jì)分兩步走，首先建立BSP。即根據(jù)目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)配置，建立板級(jí)支撐程序BSP（相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)PC的BIOS）。主要完成系統(tǒng)初始化及與硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)目標(biāo)機(jī)硬件到一個(gè)確定的狀態(tài)。分別以Board＿Init（），INT＿Initialize（），UARTInit（），LCDInit（）等來(lái)實(shí)現(xiàn)。其次，關(guān)鍵的是任務(wù)的正確劃分和實(shí)現(xiàn)。
�。�3）任務(wù)模塊設(shè)計(jì)。依據(jù)DARTS［1］設(shè)計(jì)方法，在離子遷移譜系統(tǒng)中主要?jiǎng)澐殖梢韵氯蝿?wù)模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：
·溫度數(shù)據(jù)采集任務(wù) 以160 ms為采樣周期，采集試管、校準(zhǔn)管、注入管等的溫度，該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)最高，數(shù)據(jù)采集的速度相對(duì)較快，每個(gè)采樣周期中剩余的時(shí)間留給其他任務(wù)使用。
·離子信號(hào)數(shù)據(jù)采集任務(wù) 以25 ms為一采樣周期，采集離子管內(nèi)離子輸出信號(hào)，并作數(shù)據(jù)保存。它與上一任務(wù)有相同的優(yōu)先級(jí)。
·控制任務(wù) 根據(jù)采樣所得到的溫度值與設(shè)定的溫度值比較，對(duì)試管、校準(zhǔn)管、注入管溫度通過(guò)不同的調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。它的優(yōu)先級(jí)也設(shè)為最高。
·報(bào)警任務(wù) 報(bào)警任務(wù)并不經(jīng)常發(fā)生，但當(dāng)它通過(guò)提取等離子圖中的波峰位置，檢測(cè)到任何違禁品時(shí)，必須及時(shí)處理，所以其任務(wù)優(yōu)先級(jí)也設(shè)為最高，并在前臺(tái)執(zhí)行。
·顯示任務(wù) 對(duì)各個(gè)狀態(tài)（如管道溫度、環(huán)境溫度、電壓、大氣壓等）、等離子圖、檢測(cè)結(jié)果等的顯示，可隨時(shí)觀察任意部分的變化情況。這個(gè)任務(wù)不是臨界的，所以其優(yōu)先級(jí)相對(duì)上幾個(gè)任務(wù)要低。
·等離子圖處理任務(wù) 去除等離子圖中的干擾、毛刺，利于波峰位置的判別。其優(yōu)先級(jí)同上一任務(wù)。
·參數(shù)整定任務(wù) 其功能是通過(guò)按鍵在線設(shè)定等離子圖上的一些控制參數(shù)，即調(diào)整光標(biāo)位置、電壓幅度、時(shí)間寬度等值，它的執(zhí)行不影響其他任務(wù)的臨界時(shí)間，其優(yōu)先級(jí)也較低。
·數(shù)據(jù)記錄任務(wù) 把已知樣品所測(cè)得的波峰位置記錄與存放在FLASH的數(shù)據(jù)庫(kù)中。同樣，它的執(zhí)行也不是臨界的，優(yōu)先級(jí)較低。
以上各個(gè)任務(wù)均在Application＿Initialize（void＊fist—available—memory）中定義，根據(jù)軟件設(shè)計(jì)要求，其中溫度數(shù)據(jù)采集任務(wù)、離子信號(hào)數(shù)據(jù)采集任務(wù)、控制任務(wù)、顯示任務(wù)作為系統(tǒng)的主任務(wù)程序，即一旦系統(tǒng)啟動(dòng)，就啟動(dòng)了這幾個(gè)任務(wù)。
�。�4）等離子圖處理及波峰位置提取算法。對(duì)等離子圖處理將直接影響遷移時(shí)間的提取，該部分是軟件實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)之一。一個(gè)周期內(nèi)采樣的離子信號(hào)所產(chǎn)生的等離子圖，往往具有干擾，含有許多毛刺，無(wú)法正確判斷出波峰，也就無(wú)法得到遷移時(shí)間。為此，一個(gè)周期取1 000個(gè)采樣點(diǎn)，首先采用算術(shù)平均濾波法，對(duì)多個(gè)周期的采樣信號(hào)做算術(shù)平均：y［i］＝（y1［i］＋y2［i］＋……＋yn［i］）／n，去除隨機(jī)干擾信號(hào)；而后，采用橫向平均濾波法：y［i］＝（y［i＋1］＋y［i＋2］＋……＋y［i＋m］）／m，減少等離子圖上的毛刺；在此基礎(chǔ)上，再將多個(gè)由上述方法得到的y［i］值作平均。經(jīng)過(guò)采樣值的多次處理后，可得到相對(duì)清晰的等離子圖。而要正確提取波峰位置，關(guān)鍵是要找出波峰。對(duì)波峰的提取，并非找最大值問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)物質(zhì)含有多種成分時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰，根據(jù)物質(zhì)的基本性質(zhì)，其所含成分一般不超過(guò)20種，所以可找出最多20個(gè)波峰。另外，處理后的等離子圖也不是毫無(wú)毛刺，相距幾十微秒的兩個(gè)峰往往只有一個(gè)是真正的峰。為解決這一難題，首先找出第一個(gè)波峰，采用試探法測(cè)出這個(gè)峰的大致寬度，再找出假想的第二個(gè)峰，若兩個(gè)波峰之間的距離小于第一個(gè)波峰的寬度，則拋棄第二個(gè)峰，繼續(xù)找，否則，保留第二個(gè)峰，繼續(xù)找第三個(gè)波峰，此時(shí)以與第三個(gè)峰相鄰的峰的寬度作為比較對(duì)象；以此類(lèi)推，直到找完所有的波峰為止。找出了波峰，波峰位置即遷移時(shí)間也就容易獲得了。
3 結(jié)束語(yǔ)
IMS技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，把它與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的研制，是一新的較前沿的研究領(lǐng)域。文中主要介紹了采用IMS技術(shù)，基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的離子遷移譜儀嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在不久的將來(lái)，它將在毒品、爆炸物等探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮用武之地。
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摘自《工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置》
