（模式识别与智能系统专业论文）列车固体录音设备的设计与实现.pdf

d es i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs o l i d r e c o r d i n ge q u i p m e n to nt r a i n at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f maste ro f e n g i n e e r i n g t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gj u n t a o 一一 m a y ，2 0 1 0 62 1997 i01y 列车固体录音设备的设计与实现 摘要 随着列车运行速度的提高与城市轨道交通的日渐普及，机车行 车安全和安全系统越来越引起人们的关注。由于机车行车安全直接 关系到乘客的人身安全，因此对于事故的预防、记录等方面的仪器 研制一直是机车安全系统的研究热点。目前国内机车使用的a t p 系 统中，尚未包含机车电台通信语音记录仪，使得事故原因的判定一 直很模糊。为此，本文设计了一种基于嵌入式技术的机车无线列调录 音装置。该装置是基于机车无线电台工作的，它以嵌入式系统的形 态与原有的机车无线电台结合。它的语音记录特性给机车事故原因 判断与预防提供了新的手段。 本文将低成本a t 9 1s a m 7 s 系列处理器的方案，在机车无线列调 录音装置上进行了有益尝试，给出了基于a t 9ls a m 7 s 6 4 芯片的固体 录音系统的实现细节。本文首先介绍了录音系统的基本原理和功能， 并说明了基于a r m 的嵌入式固体录音记录仪的优点和研制技术指 标。其次对语音记录仪的硬件结构进行了详细设计。最后，在这部 分还对录音系统的工作流程进行了说明。 在硬件设计的基础上，本文充分利用了a r m 处理器和嵌入式操 作系统的特点，采用自底向上设计方法进行了操作系统移植、中断 程序编写和u s b 协议栈的设计。通过设定不同优先级的任务，在整 体系统结构设计中尽量设计为高实时性和低系统占用率的方案。 由于具体项目要求和分工合作制度的限制，在本次设计中系统 仅完成了嵌入式操作系统的移植和u s b 协议栈的设计。实验室测试 结果显示，设计结果完全符合设计要求。最后论文对主要工作进行 了总结，并指出了系统需要进一步完善和发展的方向。 关键词：固体录音，u c o s i i ，u s b 协议栈 d es i n ga n di m p l e m e n t a t i o no fso l i d r e c o r d i n ge q u i p m e n to nt r a i n a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft r a i ns p e e da n dg r o w i n gp o p u l a r i t yo fu r b a n r a i lt r a n s p o r t ，t h el o c o m o t i v e st r a f f i cs e c u r i t ya n dl o c o m o t i v e ss e c u r i t y s y s t e mh a sb e e na t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o mp u b l i c b e c a u s e t h el o c o m o t i v e ss e c u r i t yi sc l o s er e l a t e dt ot h es a f e t yo f p a s s e n g e r s ，s o t h ee q u i p m e n tw h i c hc a np r e v e n ta c c i d e n t so rr e c o r da c c i d e n t sb e c o m e s t h er e s e a r c hh o tp o i n t t h ea t ps y s t e mu s e do nl o c o m o t i v e si nc h i n a d o e s n tc o n t a i nt h el o c o m o t i v e sr a d i ov o i c er e c o r d e r ，t h i sl c a d st o p r o b l e mo fd e t e r m i n i n gt h ec a u s e so ft h ea c c i d e n t s ot h i sa r t i c l ed e s i g n al o c o m o t i v e sr a d i ov o i c er e c o r d e rb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m t h i s r e c o r d e rm u s tw o r kw i t ht h el o c o m o t i v e sr a d i o ，i te m b e di nl o c o m o t i v e s r a d i ow i t he m b e d d e ds y s t e mf o r m i t sf e a t u r eo fv o i c er e c o r dm a d et h e d e t e r m i n i n gt h ec a u s e so ft h ea c c i d e n te a s i l y t h er e s e a r c hm a k e sau s e f u la t t e m p to nl o c o m o t i v e sr a d i ov o i c e r e c o r d e rb yt h ep r o j e c to fl o wc o s ta t 91s a m 7 ss e r i e sc p u ，a n dg i v e s t h ed e t a i l so fs o l i dr e c o r d i n gs y s t e mb a s e do na t 91s a m 7 s 6 4 c h i p i n t h i sa r t i c l e ，t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n df u n c t i o n so fr e c o r d i n gs y s t e ma r e i n t r o d u c e da tf i r s t ，a n dt h ea d v a n t a g e sa n dt e c h n i c a li n d i c a t o r so ft h e r e c o r d i n gs y s t e mb a s e d o na r ma r ed e s c r i b e d t h es e c o n d p a r t d e s c r i b e st h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fs o l i dr e c o r d i n gs y s t e ma n dt h e s y s t e mw o r k i n gp r o c e s s b a s e do nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h er e s e a r c hu s i n gt h eb o t t o m u p d e s i g nm e t h o dt r a n s p l a n t st h ee m b e d d e ds y s t e ma n dd e s i g n st h e i n t e r r u p tp r o g r a ma n du s bp r o t o c o ls t a c kb yu s i n gt h ef e a t u r eo fa r m p r o c e s s o ra n de m b e d d e ds y s t e m b ys e t t i n gd i f f e r e n tp r i o r i t yt a s k ，t h e o v e r a l ls y s t e ma r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e dt ob ea sh i g hr e a l t i m ea n dl o w o c c u p a n c y r a t eo ft h es y s t e mp r o g r a m t h el a b o r a t o r yt e s t sa n do nt h el o c o m o t i v et r i a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ed e s i g ni sf u l lc o m p l i a n tt od e s i g nr e q u i r e m e n t s a tt h ee n do ft h e a r t i c l e ，t h em a jo rw o r ki ss u m m a r i z e da n dp o i n t e do u tt h ed i r e c t i o no f t h es y s t e mn e e d e df o rf u r t h e rr e f i n e m e n ta n dd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：s o l i dv o i c er e c o r d ，u c 0 s i i ，u s bp r o t o c o ls t a c k i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i l 绪论l 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 列车行车安全系统发展现状一2 1 2 1 国内发展现状2 1 2 2 国外发展现状3 1 2 3 发展趋势6 1 3 所做工作与章节安排6 2 固体录音系统总体设计方案7 2 1 系统性能要求与指标7 2 2 硬件系统设计7 2 2 1a t 9 1 s a m 7 s 6 4 系列微控制器7 2 2 2k 9 g 8 g 0 8 u o mn a n df l a s h 存储器8 2 2 3u d a l 3 4 1 t s 全双工音频a d 芯片8 2 3 软件系统工作流程8 2 4 系统录音任务的实时性分析10 2 4 1 任务调度的耗时分析1 0 2 4 2 中断处理的耗时分析1 1 2 5 本章小结1 1 3 软件系统的设计1 3 3 1 启动代码的设计1 3 3 1 1a r m 处理器的工作模式1 3 3 1 2 初始配置程序的设计1 5 3 2u c o s i i 操作系统的移植设计1 6 3 2 1 修改o sc p u h 18 3 2 2 修改o sc p uc c 1 9 3 2 3 修改o sc p ua s m a s m 2 1 3 3 中断与时钟节拍的实现2 3 3 3 1a t 9 1s a m 7 s 6 4 的中断管理2 4 3 3 2 时钟节拍服务程序设计2 5 3 4 系统测试2 7 3 5 本章小结2 8 4u s b 协议栈的设计2 9 4 1u s b 协议分析2 9 4 1 1u s b 的拓扑结构与电气特性2 9 4 1 2u s b 的设备检测方式3 0 4 1 3u s b 协议描述符一3 2 4 1 4u s b 的设备枚举3 2 4 1 5u s b 的包结构及其传输过程3 3 4 2a t 9 1 s a m 7 s 6 4 的u s b 方案设计3 4 4 2 1u s b 事务3 4 4 2 2 批量传输与控制传输3 5 4 2 3a t 9 1s a m 7 s 6 4 的u s b 控制器特性3 6 4 2 4a t 9 1s a m 7 s 6 4 的u s b 用户接口3 7 4 3a t 9 1 s a m 7 s 6 4 的u s b 协议栈设计3 7 4 3 1u s b 协议栈的硬件层设计3 8 4 3 2u s b 协议栈的a p i 函数层设计4 3 4 4 本章小结4 8 5 音频系统设计4 9 5 1u d a l 3 4 1 t s 语音芯片的硬件i o 连接4 9 5 2s s c 中断服务程序设计5 2 5 3a m r 语音编码算法简介5 3 5 4 小结5 4 6 结论5 5 6 1 论文工作总结5 5 6 2 展望5 5 致谢5 7 参考文献5 9 i 村录a 6 3 攻读学位期间发表的学术论文目录6 9 原创性声明7 0 1 1 列车固体录音设备的设计与实现 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着列车行驶速度的提高以及对行驶安全问题重视程度的增加，铁路安全 行车对列车通话语音记录设备的需求也日益紧迫。目前采用固体录音技术进行 语音记录已经逐渐成为一种趋势。而要实现固体存储语音记录，一个重要环节 就是使用合适的m c u 与底层驱动程序对固态存储器进行操作，以完成语音的存 储、传输等要求。 目前，m c u 微控制器与固态存储器的技术已经相当成熟，应用极为广泛， 例如51 系列单片机，广泛用于u 盘和存储卡的n a n df l a s h 存储器等。一般情况 下，采用这些方案设计的录音设备，均使用5 1 芯片，软件处于前后台工作方式， 使用专用编码芯片进行编码。这种系统通常存在工作速度慢，性能不可靠等缺 点。若置于列车上运行，在较强的电磁干扰、不同列车较大的温差环境下，前 后台运行的录音设备经常会发生死机、反复复位、录音实时性不好等不利情况。 这对于列车事故原因判断是极为不利的。 综上所述，一个可用于列车通话语音记录的设备，必须至少达到以下三点 要求： ( 1 ) 由于列车的行驶时间短则几十分钟，长则数天甚至十几天，因此， 相比于飞机上使用的黑匣子一般几小时至十几小时的录音时长，列车用固体录 音设备的可记录时间必须至少能达到3 0 个小时及以上； ( 2 ) 由于机车数量庞大，考虑到成本的因素，又不能全面安装大容量的 f l a s h 存储器和高速的微处理器。 ( 3 ) 工作可靠，性能稳定。 基于以上几点，必须使用一种新的软件技术来设计列车用通话语音记录 仪，以满足列车安全行驶的需要。 嵌入式系统是建立在微机原理、数字电路、软件工程基础上的一门新兴交 叉技术。它以软件工程、数据结构为基础，将传统的前后台技术完全抛弃，引 入微内核嵌入式操作系统，对运行于微处理器上的软件任务进行有效管理；同 时，对系统存储器的存储资源，引入文件系统，进行统合管理，提供函数接口， 方便应用开发。应用了嵌入式操作系统的工程设计，具有工作可靠，稳定度高， 可持续开发性强等特点。但是，如果应用到语音记录设备上，受到处理器运行 速度与存储容量的限制，必须适当选择合适的编码算法，以适应实际设计中的 陕西科技大学硕士学位论文 微处理器运行速度与存储容量。 实际在录音设备中应用的语音编码算法，主要有p c m 编码的w a v 格式、 基于第二心理声学模型编码方式的m p 3 格式与用于移动通信的a m r 编码格 式。这三种格式各有利弊，w a v 格式保存的音频信号最丰富，音质最好，占 用的存储容量也最大，目前已很少使用；m p 3 由于采用了心理声学模型，音质 相比于w a v 并未下降太多，但是存储容量占用较少而获得广泛应用；a m r 编 码格式对话音保存的相对清晰，虽然其他频段音质较差，但是对存储容量和传 输带宽要求的最小，因此在移动通信、手机通信的领域获得广泛应用。 由于在本设计中主要对通话的人声语音进行录制，根据上述各个编码算法 的特点，在本研究中最终采用了a m r 语音编码算法作为录音编码算法。 本研究试图将嵌入式操作系统与语音编码算法相结合，设计一款实时列车 通话语音录音系统。系统设计过程中，研究了如何移植微内核u c o s i i 操作系 统，编写配套的u s b 接口驱动程序与音频系统的驱动程序，以及如何将它们 灵活联合起来，以解决列车语音通信录音系统的工作稳定性与实时性问题。将 这种固体录音系统应用于高速机车、高速地铁等城际交通或公共交通领域，将 极大的提升司乘人员的安全意识，并为事故原因的查找与处理带来极大的便 利。同时，还能为交通部门有效的降低人力成本与意外事故开支。本课题的研 究成果还可以扩展应用于电话答录机、语音窃听器等民事或军事等其他需要实 时录音监测的场合，具有重要的现实意义。 1 2 列车行车安全系统发展现状 1 2 1 国内发展现状 我国列车安全与速度控制技术开发是从上世纪8 0 年代末9 0 年代初开始 的。当时，功能和性能不同的列车安全控制装置有数种之多，其中j k 2 h 型监 控装置在较大范围内得到使用，同时也得到了较好的评价，成为了第一代列车 安全控制装置。根据列控装置需要改进的情况，19 9 3 年铁道部制定了l k j 9 3 型列车安全控制装置的技术要求并组织联合研制。l k j 9 3 型于1 9 9 5 年研制成 功并开始投入使用，成为了第二代装置。也由于l k j 9 3 型的研制，自19 9 3 年 开始，我国列车安全控制设备走进了技术统一、规范并且系列化发展的道路。 到2 0 0 2 年底，第三代列车安全控制装置的安装保有总数超过了15 0 0 0 台；运 行范围遍及所有运营线路。 列车安全控制装置的推广使用，在保障铁路列车行车安全和促进行车机务 规范管理两方面产生了明显的效果：由于列车安全控制装置的使用，列车行车 2 列车固体录音设备的设计与实现 责任事故大幅度下降，列车冒进信号险性质的事故明显减少，“九五 期间的 事故比率比“八五”期间下降了8 7 。 列车安全控制装置及其记录数据分析处理系统的使用：也为其周边相关技 术的发展提供了良好基础。从2 0 0 1 年起，上述列车安全控制系统逐渐为电气 化铁路接触网监测系统、列车车次号识别系统( a t i s ) 、铁路行车调度管理信 息系统( d m i s ) 、轨道动态监测装置、机车轴温报警装置、机车统计计算机软 件系统和机车无线列调录音装置等实现了系统和数据信息的支持平台。 2 0 0 5 年，中国铁路通信信号总公司提出了国产a t p 安全系统的立项报告， 并随后获得了国家计委与铁道部的批准。目前该系统已经在城市轨道交通与动 车组中取得广泛应用，彻底实现了a t p 系统的国产化，降低了成本的同时也使 得维护更为方便。 1 2 2 国外发展现状 列车控制系统的目的是保证列车安全、可靠和高效率地运行。在以车站联 锁设备为核心的传统列车控制系统中，控制命令由调度中心发出，经过车站联 锁设备对其正确性进行检查后，然后排列所需通路，进行必要的安全防护。为 了实现这种安全防护，要对相关的道岔进行闭锁，防止发生侧面行车冲突。随 后，地面信号显示系统通过车站联锁设备接收到调度员的行车指令以及进路的 允许速度，并通过光信号传达给列车。列车司机通过了望等手段，得到从发出 的行车命令。因此，综上所述，列车运行的安全与否将由车站联锁设备和列车 司机共同承担。如果司机未注意到地面信号，或当列车高速运行时对地面信号 发生误判，就会造成车毁人亡的可怕后果。 列车控制系统是安装于列车之上，保障列车安全运行的系统。在日本铁路 中，相关系统是指“自动列车停止装置”a t s ( a u t o m a t i ct r a i ns t o p ) 和“自 动列车控制装置”a t c ( a u t o m a t i ct r a i nc o n t r 0 1 ) ，将a t s 与a t c 两者分开。 但在欧美国家则相反，他们多采用把二者都包含在内的“自动列车防护装置” a t p ( a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ) 和欧洲列车控制系统e t c s ( e u r o p e a nt r a i n c o n t r o ls y s t e m ) 。 ( 1 ) 欧洲列车安全控制系统的发展 自上世纪8 0 至9 0 年代开始，欧洲各国铁路纷纷不约而同的开发出多种不 同性能的速度控制系统或列车安全控制系统。由于欧洲各国铁路采用不同的信 号制式与多种列车控制系统，因此过境运输列车必须在机车上装备多套设备， 以便适应不同的信号制式。这种不兼容的状态，导致了列车运行速度受到极大 限制，也给司机增加了操作困难，对于欧洲铁路网的统一产生了极大的影响。 陕西科技大学硕士学位论文 为此，欧洲铁路业界希望进行标准化系统改进，以实现欧洲铁路互联互通的运 营。为此，一个基于铁路专用移动通信网g s m r ( g l o b a ls y s t e mm o b i l e d e v o t e dt or a i l w a y ) 平台的，以欧洲点式应答器为列车定位手段的欧洲列车 控制系统( e t c s ，e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) ，己经取得了标准化操作的 决定性进展。一些欧洲国家已经相继成功地进行了e t c s 试验，为欧洲铁路网 配置统一的欧洲列车控制系统做好了准备。 e t c s 是欧洲铁路运输管理系统( e r t m s ，e u r o p e a nr a i l w a yt r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e m ) 的技术核心。e t c s 包括成系列的可操作技术文件、标准、 规范和概念，范围从地面服务设备到车载服务设备，从功能需求到系统需求， 从运营到接口，从通信协议的制定到信息码的通信格式，囊括了信号安全和列 车控制的各个方面。e t c s 系统采用模块化结构设计，能根据功能需要和运营 条件进行系统的灵活配置。 欧洲列车控制系列标准分为1 3 级。e t c s 各级是向下兼容的，即3 级可 以用于2 级，而2 级可以则用于1 级。e t c s 还可通过特定的通信传输模块读 取现有的设备信息，实现与现有列车控制系统的无缝兼容，最终实现同一列车 在不同级别铁路上的跨国运输。 ( 2 ) 日本新干线列车安全控制系统的发展 日本新干线将a t c 系统作为列车高速安全与准点运行的重要保障系统。 这个系统是自上世纪6 0 年代，东海道新干线开业以来逐渐发展的。与汽车的 制动距离相比，列车由开始制动到停车，需要更长的距离。在新干线，从时速 2 6 0 k m h 到完全停车，制动距离大约在3 k m 左右，司机根本不能靠目视信号来 进行制动距离与列车速度的控制与判断。因此，新干线在线路旁不铺设信号机， 而是采用在司机室操作台以数码显示容许速度的方式进行控制。当有减速要求 时，司机无须进行操作，列车会自动实施制动。a t c 系统分别地面设备和车载 设备构成，列车容许速度的信号便是由地面设备发送到车上设备的。列车与前 方列车越近，容许速度就会自动降低。列车a t c 系统接收到比运行速度低的 速度信号，便自动实施制动动作。 但是由于这种安全制动控制系统在乘车的舒适度和运输效率等方面存在 许多问题，因此需要进一步进行改进。而且，新干线的a t c 系统从开始配置 到今天己连续使用了几十年，需要进行技术的更新换代。为此，日本铁路部门 使用了开发新技术与解决存在的问题同时进行的政策，开发出了应用了最新技 术的数字传送一段式制动控制系统。该系统就是日本铁路公司自2 0 0 3 年1 2 月在部分铁路开始采用的数字a t c 的列车控制系统。相比老式的a t c 系统是 4 列车固体录音设备的设计与实现 以地面设备为主体的控制系统，新型的a t c 则是以车载设备为主体的控制系 统。 ( 3 ) 北美铁路的列车控制系统的发展 上世纪8 0 年代起，以美国铁路为代表的北美铁路开始研究不使用轨道电 路和信号机，而是采用无线技术与计算机技术，通过人造卫星和雷达控制铁路 行车的先进列车控制系统( a t c s ) 。首先由列车检测自身位置，再通过无线通 信将列车的实时位置信息传送到地面中心，地面中心则根据列车的实时位置和 站内进路状态等信息，确定列车可以安全运行的区间和速度，并通过无线通信 报告列车。列车再根据来自地面的数据计算出安全运行的速度。 在北美铁道协会的组织下，在a t c s 研发中成立了体系结构、通信、车 载设备、调度中心等数十个委员会，以行车安全和效率为中心，制定出了控制 系统的整体结构，划分了各自的功能模块，并制定出了各个接口标准和通信协 议。经2 0 多年的努力和创新，a t c s 发展成为了一个分布式、模块化、开放的 系统。它根据复杂程度，分成l0 级、2 0 级、3 0 级和4 0 级的4 个功能级，用 户可根据自身情况和运输体系的效能配置合适级别的系统。 与此同时，a t c s 的强力竞争者，将通信与信号结合的列车控制系统c b t c 也在北美蓬勃发展。上世纪8 0 年代末，北美铁路成立的航空无线股份有限公 司开始了基于无线的列车控制技术( c b t c ) 的研究，同时为先进列车控制系 统制定了工业标准和通信协议。上世纪9 0 年代，先进列车控制系统开始上车 运行，并起到了精确的控制效果。 而在同时，美国联合道岔信号公司u s s 设计了铁路卫星通信系统 ( s a t e l l i n k ) ，以卫星为基础为列车提供定位和速度监控服务，并且可以实时 将监控数据上传至控制中心。系统中囊括了工作站和一个通过s a t e l l i n k 信息 管理设备与卫星与车载终端交换信息的终端。操作人员通过工作站终端收集和 整理信息，并通过卫星将信息传送至车载终端或遥控设备。信息首先通过电话 线路或专用网络传送到信息管理设备，再发送至卫星，由卫星覆盖区域内的遥 控装置接收。这个系统目前覆盖范围包括美国本土和加拿大南部。 而洛克希德马丁公司开发了一款将全球定位系统g p s 和传感定位技术结 合的列车定位系统。具有这种定位通信技术的列车，可以有效防止超速和追尾 事故的发生。同时能够改进列车性能，提高列车运行准点率、减少联发列车间 隔，并且能够实时准确了解列车所在位置。 综上所述，在北美市场，列车安全控制系统正在蓬勃发展，具有多种实用 型系统：精确列车控制系统( p t o ) 、精确列车定位系统( p t s ) 、列车自动控 5 方法。 第四章对u s bm a s ss t o r a g e 通信协议以及对应的文件系统进行了介绍，并 对实际的u s b 的枚举过程与数据传输过程进行了详细说明。之后，对文件系 统的程序编制方案进行了详细说明。 第五章对a m r 编码算法的工作方式进行了介绍。由于使用的是a m r 官 方的算法，具体的工作方式就未作详述。 第六章对该课题当前的工作进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 6 列车固体录音设备的设计与实现 2 固体录音系统总体设计方案 本章主要介绍基于n a n df l a s h 固体存储器的列车通话语音录音设备的总 体设计方案，包括系统各部分构成，要求达到的性能参数以及设计时必须要解 决的技术难点等内容。 2 1 系统性能要求与指标 随时采集、编码存储语音信号，从触发录音到开始录音延迟时间不得超过 1 0 0 m s ； 存储容量1 2 g b ； 输入语音信号类型：0 5 v ； n a n df l a s h 存储； 允许使用t x t 文件更改系统时间。 2 2 硬件系统设计 依据系统设计要求，并根据实际设计限制，本设计采用a t m e l 公司7 生产 的a t 9 1s a m 7 s 6 4 微处理器的系统解决方案。存储器采用三星k 9 g 8 g 0 8 u o m n a n df l a s h ，录音部分采用飞利浦公司生产的u d a l 3 4 1 t s 芯片进行语音信号 模一数转换。系统硬件系统设计示意图如图2 1 所示。 。d s l 3 0 7 b g p l 0k = 0 l ，淼b s s c a t 91s a m 7 s 6 4u s bt u s b 叫接口 lk 。8 9 u g 。s m g 降 g p i o l 0 8 u o m l 丫。y 图2 1 系统硬件系统设计示意图 f i 9 2 1s y s t e mh a r d w a r ed e s i g nf l o wg r a p h 2 2 1a t 9 1 s a m 7 s 6 4 系列微控制器 a t 9 1 s a m 7 s 6 4 是a t m e l 公司3 2 位a r mr i s c 处理器小引脚数f l a s h 微 处理器家族a t 9 1 s a m 7 s x 中的一员。它拥有6 4 k 字节可3 0 m h z 单周期访问的 7 语音放大、滤波、采样、a d 和d a 转换等功能于一体，并且能进行数字语音 处理。本设计使用a t 9 1 s a m 7 s 6 4 处理器具有一个i i s 音频接口，此接口采用 d m a 方式传输数据。在该方式下，由d m a 控制器取代c p u 获得总线控制权， 从而实现内存和外设间大量数据快速传输。使用d m a 接口传输数据不仅可以 降低c p u 负担，还可以节省系统软件设计时间，降低编程难度。而u d a l3 4 1 t s 支持i i s 总线格式，并且具有数字语音处理特性，由此决定了u d a l3 4 1 t s 和 a t 9 1 s a m 7 s 6 4 处理器电路连接比较简单，并且能实现语音a d 和d a 等预处 理而不需要再额外增加专门a d 和d a 器件。 2 3 软件系统工作流程 软件系统中，u c o s i i 嵌入式操作系统作为整个系统的软件平台，是软件 系统的核心部分1 1 1 。u c o s i i 操作系统是u c o s 操作系统的进阶版本，而后者 由美国工程师j e a nl a b r o s s e 设计研发，并予l9 9 2 年发表在嵌入式系统编程 杂志上。 u c o s i i 由其代码量小和实时性好而著名。它的特点是代码公开，执行效 率高且空间占用少，非常适用于小型的实时控制系统。由于j e a nl a b r o s s e 先生 提供了p c 端的完整代码包，因此开发时可以先使用通用p c 机编写程序进行 仿真，仿真无误后即可直接移植到目标c p u 开发板上，可以大幅减少程序调 8 列车固体录音设备的设计与实现 试成本与开发周期。对于学习者也是极为有用的训练程序。 u c o s i i 是基于优先级的可抢占的实时内核，并在此内核之上实现了信号 量、消息邮箱、消息队列、内存管理及中断管理等基础系统服务【l 】。在任务管 理中，系统最多支持6 4 个任务( 2 8 3 版实现了2 5 6 个任务) ，分别对应优先级 o 6 3 ，优先级根据数字增长依次降低。系统保留了最高的4 个优先级和最低 的4 个优先级，因此用户可使用的优先级为5 6 个。 任务同步和通信中，u c o s i i 提供了信号量、消息邮箱和队列、事件标志 等用于任务间同步与通信和控制临界资源访问的数据结构。 u c o s i i 的缺点也是较为明显的。对于资源丰富的中大型系统来说， u c o s i i 的管理能力不足，对于内存管理比较粗糙【t 】；系统本身不包含文件系 统，因此不具备对大容量存储器的管理能力：驱动程序的没有一整套可以使用 的标准开发方式，只能以用户各自的理解自己开发。 幸运的是，u c o s i i 的扩展性能很好。因此m i c r i u m 公司提供了各种可扩 展系统性能的软件包如u c f s ( 基于f a t 文件系统的嵌入式文件系统) 、 u c t c p i p ( t c p i p 协议栈软件包) 、u c u s b d e v i c e ( u s b 设备协议栈) 等等， 用于扩展系统性能。 本文之中，软件系统工作于u c o s i i 平台之上。但是在操作系统工作之前， 需要做一些初始化工作，如图2 2 所示。首先，对c p u 进行初始配置，设置好 c p u 的工作主频；其次，对各模式堆栈进行分配，合理使用内存空间；再次， 初始化各个将要使用的外设，配置好对应的中断服务程序和时钟，并启动它们； 最后，初始化各个即将进行工作的任务及其堆栈，为系统的启动做准备。一切 就绪后初始化系统，启动后就可正常工作。 固体录音系统在u c o s i i 平台工作时主要涉及三个部分，如图2 2 所示的 系统任务结构。任务结构可分为三个部分：录音软件部分、u s b 通信部分和系 统时间部分。录音软件部分主要进行音频数据的采集和编码等数据处理工作， 以完成系统的主要任务；u s b 通信部分对连接了p c 机后的通信进行处理，并 使p c 机可以访问系统的n a n df l a s h ，以便进行文件的拷贝和系统时间的修 改；系统时间部分利用d s l3 0 7 通用时间芯片进行日期与时间的运转并通过人 工设置一个存储于n a n df l a s h 内的t x t 文件与外界实际时间保持一致，以便 准确记录每个录音文件的具体时间，这对事故原因的准确判断是必不可少的。 三个软件结构运行时间均为互斥，即一个部分在运行时其他部分不运行。具体 的运行方式详见第三章介绍。 9 陕西科技大学硕士学位论文 开始 一 f 初始化中 断向量表 广一 初始化各 模式堆栈 t _ 主 初始化中 断入口 弋一 主 初始化电 源管理器 配置系统 主频 t 初始化外 设 工 配置各任 务堆栈 系 统 初 始 化 系统时钟任务 录音任务 u s b 通信任务 图2 - 2 系统软件结构示意图 f i 9 2 2s y s t e ms o f t w a r ed e s i g nf l o wg r a p h 2 4 系统录音任务的实时性分析 根据设计要求，从触发按键任务到开始录音之间的时差不能超过l o o m s ， 这就对系统的实时性提出了要求。因此，必须对必要部分的响应实时性做出足 够细致的分析，以保证系统达到了设计要求。 2 4 1 任务调度的耗时分析 u c o s i i 嵌入式操作系统内的任务调度时的方式，类似于前后台系统的中 断处理方式【引。 首先将当前任务的所有寄存器入栈，保存现场；随后根据即将要运行的任 务的优先级查找到该任务的堆栈，将该任务的所有寄存器恢复；最后，执行中 断返回指令，使c p u 恢复正常工作状态。任务调度就完成了。 在u c o s i i 嵌入式操作系统内，任务调度所花费的时间是固定不变的，并 且与建立的任务总数无关【：】。计算任务调度所用的时间，必须计算所执行的指 令数。 根据计算，核心任务调度函数执行了5 5 条指令，调用核心任务调度函数 前的准备工作约执行了5 0 条指令。由于a r m 核是r i s c 架构，而本设计中使 用的a t 9 1s a m 7 s 6 4 运行在5 0 m h z 的工作频率下，单条指令的执行时间为 2 0 n s ，因此任务调度总用时为2 1 u s 。 任务调度的另一个固定耗时是在于时钟节拍。一个高优先级任务就绪后， 1 0 一一一一一 列车固体录音设备的设计与实现 必须由调度器确认才能开始调度。而调度器的工作是由系统的时钟节拍控制 的，也就是说，每隔多久调度器检查一次任务的就绪情况。因此，时钟节拍的 快慢也会影响任务的实时性。在本设计中，时钟节拍由周期性间隔定时器( p i t ) 硬件计数，确定为1 0 m s 。 因此，一次任务调度的耗时为：1 0 m s + 2 1 u s = 1 0 0 0 2 1 m s 。 2 4 2 中断处理的耗时分析 在实时嵌入式操作系统内，中断处理也是影响实时性的一个重要因素【z 】。 由于中断处理的代码数目不定，因此无法明确计算出需要多少时间。但是，正 是由于中断的实时性不确定j 因此，本设计中为了保证实时性，采取了以下两 种措施： ( 1 ) 在中断中均使用信号量，使用信号量触发任务调度，来完成对应的 功能。这样可以极大的减少中断运行的时间，提高实时性能。 ( 2 ) 禁止中断嵌套，使每次中断的时间得以缩短。 在以上两种措施保证下，中断的耗时可以控制在10 m s 之内。 经过以上两种耗时分析，可知，系统的实时性完全满足设计要求。 2 5 本章小结 本章以固体录音系统为研究对象出发，介绍了该系统的整体设计与各个部 分组成，并从系统硬件结构、软件处理流程两个方面详细说明了该测量技术的 实现方法。由于系统中的实时性问题严重影响到系统指标，因而对系统的实时 响应从两方面进行了分析，并根据分析结果设计了系统任务，使系统的实时响 应时间完全满足设计要求。 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 列车固体录音设备的设计与实现 3 软件系统的设计 在本设计中，所有的任务均运行在u c o s i i 操作系统上，因此，在实现任 何功能之前，必须先将u c o s i i 操作系统平台搭建在目标，c p u 上。软件系统 的设计过程中，涉及到的主要部分包括启动代码的设计、软件中断的实现、重 写底层函数与实现时钟节拍中断服务等。上述工作均在a d s l 2 编译环境下进 行。 3 1 启动代码的设计 每种具体的a r m 核处理器都有自己的启动配置方式。在a t 9 1 s a m 7 s 系 列处理器中，启动配置的主要步骤分为：配置启动程序入口、配置中断向量表、 配置各模式堆栈、编写中断入口程序和配置电源管理控制器这五个部分组成。 下文主要从a r m 处理器的各个模式开始叙述，说明如何对a t 9 1s a m 7 s 系列 处理器进行初始启动配置。 3 1 1a r m 处理器的工作模式 a r m 7 处理器核有7 种工作模式：用户、系统、管理、中止、未定义、中 断和快速中断。其中管理、中止、未定义、中断和快速中断这5 种模式与异常 处理相关，一般不作为正常程序执行时的模式。而系统模式除了具有特权之外， 与用户模式再无任何差别。因此