RDS无线移动机车系统的设计与实现. - 大连理工大学硕士学位论文RDS无线.pdf

大连理工大学 硕士学位论文 RDS无线移动机车系统的设计与实现 姓名 孙洪杰 申请学位级别 硕士 专业 计算机技术 指导教师 孙效里 20081221 大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着移动无线广播的普及 越来越多的用户更加注重广播的接受质量 由于用户及 接收器处于移动的状态 无线广播系统在接受信号的时候其信号感应程度降低 在其他 频率的干扰下也有可能处于信号中断的情况 那么此时用户只能通过手动进行信号的调 节 不仅影响收听的质量也分散了用户的注意力导致同时进行的工作出现错误 并且容 易形成安全隐患 当用户处于上述状况时 无线广播跟踪系统的应用就会起到在信息接收程度低的环 境下自动接受广播的作用 在应用中系统会自动对信感度进行检测并做出判断 信感度 降低的时候 系统会立即寻找频率进行自动替换 从而使用户完整的收听到节目 无线广播自动跟踪系统是基于无线电数据即R D S 技术实现的 R D S 技术是能使用户 预先选择调频广播接收器的操作 利用F M 调频设备 使调频立体声信道的附加信道上 加载上数字信号 那么无线电使用者则可以使用R D S 扫描特定类型的程序 比如当前时 间 科学信息或者流行音乐 而不用手动操作调节 旅行中的听众可以接收特殊交通广 播 即使这个信息是来自另外一个广播站 在干扰区 R D S 能让接收器调节到此时运行 相通程序且信号比较强的机站频率 R D S 接收器也能接收并显示一些简短的文本信息 除了使用方便 R D S 还能提醒正在驾驶的用户注意路面而不是关注于无线电控制从而保 证驾驶安全 论文始终围绕移动无线广播的自动跟踪系统为陈述主体 阐述了无限跟踪系统的基 础相关技术以及实现移动无线广播跟踪系统的硬件及系统平台 进而对用户需求和行为 心理做出系统分析 针对检测 替换的自动功能和信息的接受进行模拟设计 修改并完 成最终的设计及测试 无线广播追踪系统的设计采用了音响软件的分层式系统 属驱动层 而且搭建在 R O T S 操作平台上的软件基础是作为系统中的功能模块来使用的 设计语言采用N E CV 8 5 0 系列单片机的C 语言 以R T O S 的主要驱动方式为机制 辅以 过程引擎 作为程序的 开发方式 无线广播自动追踪系统的设计与实现属于嵌入式软件开发 遵循C M M I5 体系 采 用了 迭代式 的软件开发流程 软件开发周期主要包括 需求分析 概要设计 详细 设计与实现 编码 C o d eR e v i e w 测试等 关键词 移动无线广播 自动跟踪 嵌入式 实时操作系统 无线电数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 T h eR D S D e s i g nA n d R e a l i z a t i o nF o rL o c o m o t i v eM o b i l eW i r e l e s s S y s t e m A b s t r a c t W i t ht h ep o p u l a r i t yo fm o b i l er a d i o ag r o w i n gn u m b e ro fu s e r sp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h e q u a l i t yo fb r o a d c a s t st oa c c e p t a st h eu s e ra n dt h er e c e i v e ri nt h em o b i l e w i r e l e s sr o a d c a s t i n g s y s t e mi nas i g n a lw h e nt h e s e n s o rs i g n a l st h ed e g r e eo fr e d u c t i o ni no t h e rf r e q u e n c y i n t e r f e r e n c e T h e r ea r ea l s ol i k e l yt os i g n a lab r e a k S Oa tt h i st i m eo n l yb yt h eu s e rm a n u a l l y a d ju s tt h es i g n a l n o to n l ya f f e c t st h eq u a l i t yo fl i s t e n i n gt od i v e r tt h ea t t e n t i o no fu s e r sa tt h e s a m et i m el e a dt ot h ew o r kc a r r i e do u tt ob ew r o n g a n de a s i l yf o r mas e c u r i t yr i s k m e nt h eu s e ri si nt h ea b o v e m e n t i o n e ds i t u a t i o n t h er a d i ot r a c k i n gs y s t e mw i l lb e p l a y e da tt h el O Wl e v e lo fi n f o r m a t i o nt or e c e i v et h ea u t o m a t i ca c c e p t a n c eo ft h eb r o a d c a s t i n g e n v i r o n m e n t I nt h ea p p l i c a t i o na u t o m a t i c a l l yo nt h el e t t e rs e n s i t i v i t yt e s ta n dj u d g e t h e l e t t e r sl o w e rs e n s i t i v i t y t h es y s t e mw i l la u t o m a t i c a l l ys e a r c hf o rt h er e p l a c e m e n to ff r e q u e n c y w h i c ha l l o w su s e r st ol i s t e nt ot h ec o m p l e t ep r o g r a m A u t o m a t i cr a d i ot r a c k i n gs y s t e mi Sb a s e do nt h eR D Sr a d i od a t at h a ti St h et e c h n o l o g y R D St e c h n o l o g yi St h eu s e rc a nc h o o s ep r e F Mr a d i or e c e i v e ro p e r a t i o n t h eu s eo fF M f r e q u e n c y S Ot h a tt h eF M s t e r e oc h a n n e lt h ea d d i t i o n a ll o a do nc h a n n e ld i g i t a ls i g n a l t h e n R a d i ou s e r sC a nB s et h eR D SS C a ns p e c i f i ct y p e so fp r o c e d u r e s s u c ha st h ep r e s e n tt i m e s c i e n t i f i ci n f o r m a t i o n o rp o pm u s i c i n s t e a do fm a n u a la d j u s t m e n t T r a v e l i nt h ea u d i e n c eC a n r e c e i v es p e c i a lr a d i ot r a f f i c e v e ni ft h ei n f o r m a t i o nc a m ef r o ma n o t h e rr a d i os t a t i o n I n t e r f e r e n c ei nt h ea r e a R D Sr e c e i v e rC a na d j u s tt h i st i m et or u nt h es a m ep r o g r a ma n da s t r o n gs i g n a lo ft h es t a t i o nf r e q u e n c y R D Sr e c e i v e r sC a nr e c e i v ea n dd i s p l a yan u m b e ro f s h o r tt e x tm e s s a g e s I na d d i t i o nt oe a s eo fu s e I m Sa r ea l S Or e m i n d e dm o t o r i s t st op a y a t t e n t i o nt or o a du s e r sr a t h e rt h a nf o c u so nr a d i oc o n t r o l i no r d e rt oe n s u r es a f ed r i v i n g A l w a y sp a p e ra r o u n dt h em o b i l er a d i os y s t e mf o ra u t o m a t i ct r a c k i n go ft h em a i n s t a t e m e n t so nt h eb a s i so fu n l i m i t e dt r a c k i n gs y s t e mt e c h n o l o g ya sw e l la sm o b i l er a d i o t r a c k i n gs y s t e ma n dh a r d w a r ep l a t f o r m a n dt h eu s e rn e e d st om a k et h ep s y c h o l o g i c a la n d b e h a v i o r a la n a l y s i s a i m e da tt e s t i n g T or e p l a c et h ea u t o m a t i cf e a t u r e sa n di n f o r m a t i o n d e s i g n e dt os i m u l a t ea c c e p t m o d i f ya n dc o m p l e t et h ef i n a ld e s i g na n dt e s t i n g R a d i ot r a c k i n gs y s t e md e s i g n e dw i t ha u d i os o f t w a r el a y e r e ds y s t e m s i sd r i v e nl a y e r a n d s e tu po p e r a t i o n si nR O T Ss o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do nt h es y s t e ma saf u n c t i o no ft h em o d u l e I I I R D S 无线移动机车系统的设计与实现 t oU S e L a n g u a g eu s e dN E CV 8 5 0s e r i e so fs i n g l e c h i pC l a n g u a g e R T O St ot h em a i nd r i v e r f o ram e c h a n i s mb yt h e p r o c e s se n g i n e a saw a yo ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s A u t o m a t i cr a d i ot r a c k i n gs y s t e mb e l o n g i n gt ot h eD e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no f e m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t C M M I5f o l l o wt h es y s t e ma d o p t e d i t e r a t i v e p r o c e s so f s o f t w a r ed e v e l o p m e n t s o f t w a r ed e v e l o p m e n tc y c l ei n c l u d e n e e d sa n a l y s i s o u t l i n ed e s i g n d e t a i l e dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc o d i n g C o d eR e v i e w t e s t i n ga n dS Oo n K e yW o r d s m o b i l er a d i o A u t oP e r s u i t tR D S R T O S I V 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果 也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文题目 鱼墨孟丛益蓟燃盘扬塑 作者签名 逸遮盔圣 日期 丛查年上月2 L 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定 在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学 允许论文被查阅和借阅 学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文题目 亟 乞蚴盘差幺宏煎选些逝 作者签名 垄 蛙 日期 2 童 年 三月 L 日 导师签名 坠塞玺里 日期 蛰罡年j 三月二上日 大连理 大学号业学位硕士学位论文 绪论 11 课题背景 随着信息时代的到来 各种各样的高新技术日新月异 汽车音响作为音响领域中不 可缺少的一部分 在仅仅使用汽车有限的资源的条件F 为汽车用户提供优质的声音与 视觉效果 而且功能还在不断增加 性能也日趋完美 已经完全可以同家庭音响相媲美 与汽车的结合也更加密切 汽车音响实物图如图1I 所示 图1 1 汽车音响 F i 9 1 I C 盯a u d i o 在汽车电子技术迅速发展的今天 音频系统已经成为每辆车不可缺少的部分 消费 者对音频系统的要求是 具备更好的无线广播接收效果 支持更多种类的外加音源 例 如D V D S D 卡 蓝牙 数字广播等 提供更加丰富的音效处理 例如S R S 等通常家庭 音响才可以提供的效果 削时 配件厂商和设计公司希望能够缩短开发周期 以应对音 频产品迅速更新换代的挑战 l 车载音频领域正在经历一个前所未有的技术变革 数字广播 后座娱乐 有线无线 连接都成为市场现有或潜在的需求 传统的模拟音频系统毛要通过硬件实现功能 在新 应用的挑战下已经越来越难以满足未来的市场 随着车载音频系统变得越来越多样化 个性化 软件系统也必须提供一个灵活开放的架构 以便加入客户所需的特定功能 如 图1 2 所示 是一个车载音频系统的体系结构图 在整个结构中 无线广播处理由A M M 完成 其芯片的选型将决定系统最终的音效和可提供的功能 I D s 无线移动机车系统的设计与交现 妇 血m 吐E 正鲫 H H E 2P R o h H 船H 删 一 一 D 妒 V 一R e ua 品H 叫 圈 叫 曾厂 黹十 o 鞫口一 i 圈12 午载音频系统体系结构 A 删E F i g 12S t r u c t u r eo f c a ra u d i os y s t e m R D S 广播系统是近儿年来f i l 现在无线广播领域的一项岛新技术 它利用现有的调频 设备把些非声音数掂的颓外数据同过调制后加载到调频立体声信道的附加信道上 这 样 在这些多增加的数据的基础L R D S 广播系统就拥有了如 台名显示 交通信息广 播等额外的功能 I 革于R D S 方案将会显示出越来越多的技术优越性 R D S 中最重爱的 也是R D S 广播系统设计的初衷的是 无线广播自动追踪 无线 广播自动追踪系统下可以实现 用广终端在移动过程中 如汽车 引起电台信号质量变 化 系统白动切换频率从而达到不l q 断地清晰收听同一电台的节日的效果 日前 R D S 播系统已经在双荚等地M 得到J 泛应用 而在对应的广播接收终端系统 p 对R D S 广 墨 i i 画萧i l 大连理工大学专业学位硕士学位论文 播技术的应用也已成为大势所趋 因此 作为汽车上的音频系统 汽车音响系统 对无 线广播自动追踪的实现就变得必不可少 1 2 国内外研究动态 1 9 7 4 年 联邦得过开发了一种为汽车驾驶人员服务的广播信息服务 A R I 它附加 在调频广播中 帮助识别调频广播 以解决在驾驶路途中由于调频发射机服务区比较小 而经常需要重调收音机的问题 但是功能有限 远远不能满足用户需求 1 9 8 4 年 首份正式的R D S 技术规范E B U3 2 4 4 公布 美国福特公司开始汽车R D S 收音机的研发工作 E B U E u r o p e a nB r o a d c a s t i n gU n i o n 欧洲广播联盟 随后 R D S 技术进入了快速的发展时期 1 9 8 5 年 大规模的预运作试验在德国进行 同年 E U B 确定了第一部实用R D S 接 收机面世的时间一 1 9 8 7 年 1 9 8 6 年 美国在达拉斯向全国广播工作者协会推广介绍R D S 系统 同年 国际无 线电咨询委员会 C C I R 的R D S 推荐文件正式发行 1 9 8 7 年 在柏林I F A 展览会上 出现了第一台R D S 接收机 德国V O L V O 上市全球第 一部R D S 汽车收音机 1 9 9 1 年 在香港I F A 展览会上 R D S 接收机首次向中国推介 1 9 9 2 年 美国的R D S 国家标准一R B D S R a d i oB r o a d c a s tD a t aS y s t e m 技术规范才 正式出炉 同年 R D S 欧洲标准C E N E L E CE N 5 0 0 6 7 1 9 9 2 出版发行 C E N E L E C 欧 洲电工技术标准化委员会 1 9 9 5 年 中华人民共和国国家标准 广播数据系统技术规范 出台 G B T 1 5 7 7 0 1 9 9 5 R D S 技术引入中国时 D A B 数码音频广播 技术已经成熟 本着宁超 前不滞后的原则 于是先行选择了D A B 试播 目前在珠三角地区已有D A B 香港共1 6 个广播频道 其中7 个F M 频道 除两个没有R D S 功能外 剩下的都有 3 o 1 3 研究内容与主要技术方法 本设计的主要任务是 在R D S 广播系统的前提条件下 在汽车音响系统中软件设 计与实现无线广播的自动追踪 因此研究的主要内容及主要技术方法有 1 R D S 广播系统信号中的数据 2 汽车音响系统的基本架构 3 基于I T R O N 的R T O S 软件系统平台下的软件设计 4 P E 过程引擎 的使用 5 广播信号效果的实时检测 R D S 无线移动机车系统的设计与实现 6 同电台下替换频率的快速查找 7 交通信息接收优先处理 1 4 开发无线广播自动追踪系统的意义 在常规非无线广播自动追踪的广播终端环境下 汽车用户想要收听某个电台 如果 它恰好从一个地区移动到另一个地区 则用户就必须手动把设备调节到此无线广播在当 地的频率点去接收 这一过程存在三个缺点 1 汽车用户在汽车驾驶过程中还需要分精力来手动调节设备 2 用户不一定知道要收听的电台在当地的播放频率 3 用户手动调节设备切换频率需要时间 用户对电台节目的收听就被中断了 影 响收听效果 在无线广播自动追踪系统的支持下 以上问题就迎刃而解了 用户将不用再为切换 频率而烦恼 而且无线广播自动追踪过程对用户是完全透明的 频率切换过程也不影响 用户正常收听节目 汽车正逐渐变成大众产品 随着汽车数量和质量的快速发展 人们对汽车音响系统 的要求也会越来越高 无线广播自动追踪系统在其中的份量将会变得越来越重 1 5 论文结构 论文主要章节的内容如下 第1 章是绪论 概要介绍课题背景 研究内容 主要技术方法及研究意义 第2 章是相关知识与技术的介绍 包括无线广播自动追踪系统实现的基础 I m S 广播系统技术 软件建立的系统平台 R T O S 使用的主要辅助技术P E 等 第3 章从系统的可行性分析入手 对从用户和系统角度的需求做了分析 并进一步 对个需求间的关系也做了分析 第4 章是目标软件系统的概要设计部分 针对无线广播自动追踪子系统进行程序结 构和基本实现方案的设计 第5 章叙述目标软件系统的详细设计与实现的相关内容 按照已完成的概要设计框 架进行具体的软件实现 第6 章为系统的测试部分 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 相关知识与技术介绍 2 1 R D S 广播系统介绍 1 R D S 广播信号 无线广播自动追踪的实现要以R D S 数据源即R D S 广播数据为背景条件 也就是需 要当地广播系统的支持 R D S 接收机的调频波段在8 7 5 1 0 8 0M H z 范围 相邻电台波段间隔至少1 0 0k H z 在5 7k H z 上加载副载波数据 数据内容包括电台类型 节目类型 交通公告 标准时 间 天气预告等 同时提供了开放式接口 为特殊用户提供数据文本应用通道 4 1 广播 数据系统多工信号频谱如图2 1 所示 1 0 0 2 0 4 0 0 图2 1广播数据系统多工信号频谱示意图 F i g 2 1 R D Sm u l t i s i g n a ls p e c t r a R D S 广播技术的实质是利用调频立体声 F M 广播的副载波携带数据信息的一种工 作方式 R D S 数据经过F S K 调制 成为载波为5 7 K H Z 的R D S 数据信号 这个声音人 的耳朵是听不到的 R D S 的数据信号和电台本身播放的声音信号混合 成为复合信号 然后经过F M 调制 进行发送 广播数据系统发送端信号如图2 2 所示 R D S 源数据 形成 R D S 信号产生 成形滤波 5 7 k H z D B S 调制 信号层 i 基带层 调制层 图2 2 广播数据系统发送端 F i g 2 2 R D St r a n s m i t i o ns i d e 一翟誓 I 一 载波层 R D S 无线移动机车系统的设计与实现 接收的过程正好相反 经过解调得到的复合信号 经过R D S 解码 把复合信号分 成两路 一路是声音信号送到音频回路 另一路通过I I C 总线 把解码的R D S 数据给 M a i nC P U 广播数据系统接收端信号如图2 3 所示 璺H 鲨H 垂H 鲨 H 鐾H 鎏 载波层 调制层 基带层 信号层 2 R D S 主要数据项 P I P r o g r a m m eI d e n t i f i c a t i o n 广播台识别c o d e 共1 6b i t 由国家c o d e 4b i t 区域c o d e 4b i t 广播台c o d e 8b i t 构成 这是鉴别两个频率点播放电台是不是同一电台的唯一标识 P S P r o g r a m m eS e r v i c en a m e 广播台名 最大为8 个字符 通过R D SR e c e i v e 显示出来 告诉用户是哪个节目提 供商正在进行广播 A F A l t e r n a t i v eF r e q u e n c i e sl i s t 放送同一节目的广播台的可替换的频率列表 通常每个信号发送台在其发送的R D S 广播信号中都包含播放同一无线广播的若干其它频率 P S 通常相同 P I 一定相同 这些频率作为用户的备选接收频率 这些被选频率就是当前接收频率的A F 数据 5 T P T r a f f i cP r o g r a m m ei d e n t i f i c a t i o n 交通信息放送局的识别 表示播放的节目中是否携带了交通信息 T A T r a f f i ca n n o u n c e m e n ti d e n t i f i c a t i o n 表示交通信息是否正在播放 P T Y P r o g r a m m eT Y p e 节目内容识别c o d e P P T Y P r i o r i t yP r o g r a mT y p ec o d e 这是A L P I N E 自己规定的一个标准 R D S 技术规范中并没有这一项 用户希望收听 的P T Y 类型可以优先接收 可以中断 的功能 即使在T U N E R 以外的模式也可以进行的 动作 动作进行时切换到F M 方式 6 R T R a d i o T e x t 大连理工大学专业学位硕士学位论文 和当前正在播放的节目相关的信息 例如当前歌曲的歌名 演唱者等等 有些象 C D M P 3 的t a g 信息 3 R D S 数据的格式 R D S 信号发送是遵循一种内部协议的 该协议规定了R D S 数据的具体格式及其相 应的含义 从信号发送角度 每8 个字节的数据被称为一个数据包 它是信号发送的最 基本单位 一种类型的数据包称之为一种g r o u p g r o u p 类型有g r o u p0 A g r o u p0 B g r o u p 1 A g r o u p1 B g r o u p1 5 A g r o u p1 5 B 共3 2 种 1g r o u p24b l o c k 1 0 4b i t lb l o c k 1 6b i td a t a 1 0b i t 校验位 从数据内容含义角度 R D S 数据被成套分组分节的组织在一起 每组数据与发送角 度的数据包概念相对应 也是由8 个字节数据组成 但一套R D S 数据中每组数据都各 不相同 内容上各自有不同的特定含义 再往下 每组R D S 数据内有分为4 个节的数 据 每节占两个字节 不同节也有各自不相同的特定含义 一定数量组的R D S 数据结 合在一起 形成一套完整的R D S 数据 随着时间的推移 播放节目的跟进 相邻套R D S 数据的具体内容可能会有所变化 但内容性质都是固定而统一不变 7 oR D S 数据格式如 图2 4 所示 1 g r o u p 21 0 4 b i t b l o c k1 b l o c k 2b l o c k 3b l o c k 4 1 6 b i t 1 0b i t 1 6 b i t 1 0 b i t 1 6 b i t1 0 b i t1 6 b i t1 0 b i t P Ic o d e 校验码 o f f s e t校验码 o f f s e t 校验码 o f f s e t校验码 o f f s e t 一 I4b i tlb i t1b i t5b i t5b i t g r o u pc o d eg r o u pt y p e T PP T Yo t h e r O 1 50 A0 3 1 1 B 图2 4R D S 数据格式 F i g 2 4 R D Sd a t a 2 2 相关硬件平台 无线广播自动追踪功能的实现需要硬件与软件的共同协作 在硬件上需要如下的支 持 P D S 无线移动机车系统的设计与实现 1 M a i nC P U 相关数据的接收 处理与发送 负责整个系统实现的控制 2 T u n e rC h i p 接收 解析广播信号 把R D S 数据信号和广播声音信号分离 8 3 R D SD e c o d e r 接收T u n e rC h i p 发送的R D S 数据信号 将其数字化 对其进行 解析分组 并通过I I C B U S 发送给M a i nC P U 进行进一步的处理 4 E V o l u m e 芯片 接收T u n e rC h i p 发送的广播信号 进行声音的播放处理 9 提供这些支持的汽车音响系统硬件平台的结构如图2 5 所示 丫涨铺号 I A 仆f C P U J I1 1 JS C LI A N T I F M A M IT US D Al lT u n e rC h i p JL IS Dl IS M e t e rI IS T E R E Ol lP A N Tl II FM U T El R D S lR D SS C Ll 一 D e c o d e r r lR D S S D A E V b l r ID A 厂N IM u l t i P a t h 图2 5 硬件平台结构图 F i g 2 5 H a r d w a r ep l a t f o r ms t r u c t u r e 2 3 软件平台 基于JT R O N 的R T O S 操作系统概述 计算机系统与其它硬件共同组成整套电子设备 该设备的功能并不是以计算机的软 件功能为依据 计算机在其中所起的作用只是局部的控制或数据分析等 这样的计算机 系统称为嵌入式系统 E m b e d d e dS y s t e m i 0 J 在嵌入式软件运行的操作系统平台 称为嵌入式操作系统 它是运行在嵌入式芯片 环境中 对整个芯片以及它所操作 控制的各种部件装置等等资源进行统一协调 调度 大连理工大学专业学位硕士学位论文 指挥和控制的系统软件 由于嵌入式产品的多样化 针对自身的功能需求和单片机标准 各厂商定制或选择了自己的嵌入式操作系统 这导致嵌入式系统的硬件的依赖性比较大 l l o I T R O N I n d u s t r i a lt h eR e a l T i m eO p e r a t i o nS y s t e mN u c l e u s 工业实时操作系统中心 是一种实时多任务系统规范 R T O S R e a lT i m eO p e r a t i n gS y s t e m 是一种实时操作系统 基于I T R O N 的R T O S 操作系统即是同时具有符合I T R O N 规范 实现多任务处理和多任 务支持 具有很高的通用性及设计紧凑特性的嵌入式操作系统 其管理主要包括任务管 理 同步管理 中断管理 时钟管理和内存管理 与外部交互通过接口库来完成 在本汽车音响软件系统的设计中 就是采用这样的软件运行平台 基于I T R O N 的 R T O S 操作系统体系结构如图2 6 所示 软件 J I J 一 基本调用中断支持应用扩展 图2 6 基于I T R O N 的R T O S 体系结构图 F i g 2 6 R T O Ss t r u c t u r ep i c t u r ew i t hi t r o n 它的运行机制主要表现为以下几点 1 基于优先级的多任务资源分配 任务是R T O S 管理 实行和终了C P U 资源分配的最小单位 每个任务都事先分配 有优先权 系统调度会根据任务的优先级 从R e a d y 队列中找到优先级最高的任务让其 运行 当有更高任务处于就绪态时 系统内核就会立即保存当前任务的上下文 切换到 更高优先级的任务 如图2 7 所示 R D S 无线移动机车系统的设计与实现 2 通过邮箱实现通信管理 I T R O N 通过邮箱来实现任务间的通信功能 在I T R O N 中系统为每个任务都提供了 一个邮箱 当其他T A S K 给该任务发送M S G 后 这些M S G 就会被保存在邮箱的M S G 队列中 等待该任务取得 当一个任务执行发送原语时 有两种可能 一种是接受者已经处于等待状态 另外 一种就是信息发送时 接受者没有处于等待接收状态 下面是这两种情况下的说明 消息先于收信人到达的情况 如图2 7 所示 这种情况下 信件被放入信箱后就 被缓存起来 收信人来取得信件后 便根据信件的内容进行作业 收信人先于发信人到达的等待方式 这时收信人处于W a i t 状态 当发信人将 M S G 发送到信箱后 收信人就被激活 从W a i t 状态迁移到R e a d y 状态 准备获得运 行权作业 局 低 优 先 级 图2 7 基于优先级的任务管理 F i g 2 7 T a s km a n a g e m e n tw i t hp r i o r i t y 3 中断管理 中断是硬件机制 它向C P U 发信号 表示外部异步事件发生 异步事件是指无一定 时序关系的随机发生的事件 如外部设备完成数据传输 实时控制设备出现异常情况等 对于一些R T O S 系统如V x W o r k s 等来说 当中断发生是 由硬件控制将系统直接 转移到中断处理程序 软件不参与 但是对于I T R O N 内核提供了进行中断的通知 并将控制权转移给中断处理程序的功能 1 2 H 时钟管理 大连理工大学专业学位硕士学位论文 实时系统中 时间是操作任务过程中最基础的要素 在内核中的周期唤醒 延迟唤 醒 T i m eO u t 等的操作都以它来作为基础 这些方法和调用可以解决系统开发中需要的 定时功能 5 E v e n t 驱动 的程序设计思想 软件系统中任何动作的执行都要以一定的条件为基础 通常称引起动作的条件为 T r i g g e r 触发 在I T R O N 中引入了E v e n t 事件 的概念 以其作为模块间的通信的 主要载体 E v e n t 的本质是一个 条件触发 的信息 发送这个信息的目的就是通知信息的接 收者去执行一个指定的任务 因此E v e n t 的发送和接收就成为了决定整个系统任务执行 的动力和原因 映射到具体的程序实现中 E v e n t 可以一个结构体的形式表示出来 这 个结构体定义如下 s t r u c tm E v e n t D e f I N T 8 US r c M o d u l e M B X S r c M o d u l e l D E v e n t 发送者 源M o d u l eI D I N T 8 UD e s t M o d u l e M B X D e s t M o d u l e I D E v e n t 接受者 目标M o d u l eI D I N T l6 U O p t i o n l I N T l6 U O p t i o n 2 I N T l6 U O p t i o n 3 I N T l6 U O p t i o n 4 附件的信息1 附件的信息2 附件的信息3 附件的信息4 2 4 汽车音响的软件结构 和其它嵌入式系统一样 汽车音响系统功能的实现也是通过软件对M a i nC P U 等硬 件资源进行控制 最终通过硬件回路来完成的 对于相应的软件实现来说 首先要对已 经明确的系统功能需求进行分解 直至每个被分解的节点可以通过软件实现 再对其中 相似相关的功能点进行综合 由此形成一系列 功能集群 被称为 模块 D 3 根据 该软件模块是否对应系统的具体功能 可以将其划分为功能模块和非功能模块 汽车音 响软件中主要的功能模块纠1 4 1 显示管理模块 显示系统传送的数据信息 2 P o w e r 模块 负责系统电源控制管理 3 D V D C D 模块 D V D C D M E C H 控制与管理 4 无线广播自动追踪模块 F M 电台的跟踪 5 K e y R e m o c o n 模块 按键 遥控器输入管理 R D S 无线移动机车系统的设计与实现 软件系统的功能实现需要各个模块相互配合动作 因此要系统要引入协调控制机 制 这部分功能的实现是由一些非功能性模块实现的 主要的非功能模块有I 1 S M M 模块 S y s t e mM a n a g e m e n tM o d u l e 系统的核心模块 通知 以e v e n t 的形式 其它的模块来完成各自的动作 接收其它模块的e v e n t 经过m o d ec h e c k 生 成o u t e v e n t 发送给其它模块 2 D M M 模块 D a t eM a n a g e m e n tM o d u l e 数据管理模块 汽车音响软件系统的 模块化 结构如图2 8 所示 图2 8 汽车音响软件模块化结构图 F i g 2 8 C As o f t w a r em o d u l es t u c t u r e 无线广播自动追踪作为整个系统中的一部分功能 其软件实现同样遵循上述的机 制 即 通过软件实现相关硬件信息的接收处理和反馈 最终得以实现 同时 无线广 播自动追踪作为S M M 和M M M 控制下的一个普通模块 要和其它模块争夺资源 因此 在汽车音响中要实现无线广播自动追踪功能 就要综合考虑具体的硬件平台 以及其提 供的系统平台等各方面的要求 2 5 辅助设计工具一P E 过程引擎 1 P E 的设计初衷 在基于I T R O N 的R T O S 平台的汽车音响软件系统中 由于多任务处理需要多个线 程支持 时序处理决定了系统的性能指标 任务执行后需要主动的进行C P U 释放 因 大连理工大学专业学位硕士学位论文 此每个任务执行所占用系统时间最大不能超过l m s 经验值 以保证系统的 实时性 当任务处理过程大于l m s 时 那么就要把它分割成更小单位的集合 这样既保持了处理 过程的完整性 又保证了系统的正常运作 此外 出于系统版本升级考虑 希望设计时 考虑系统的更改与代码重用等问题 P E P r o c e s sE n g i n e 就是针对这一点需求进行设 计的软件实现的辅助工具 1 5 总的来说 P E 的主要作用有 使系统的设计与实现更容易 系统更改 代码重用更方便 有利于复杂时序的控制 2 P E 的实现方式 通常任务的执行时间不会超过毫秒级 使用P E 来辅助设计主要是针对内部动作之 间存在延时 各动作之间要一定的时间间隔 要求的任务 P E 在整个过程中起到的作 用是 在任务内部定义的时间间隔内进行C P U 使用权的释放 在指定的时间间隔后继 续指定的下一个动作的执行 P E 的内部定义一些特定的术语 具体解释如下 P r o c e s s 整个过程的P E 定义 S u b P r o c e s s 子过程的P E 定义 s u b r o u t i n e 具体功能实现函数 s t a g e 具体动作的定义 可以是一个S u b P r o c e s s 或是一个s u b r o u t i n e 以s t a g e l D 作为具体动作 软件流程 的标识码 P E 实现的核心数据结构是 s t r u c tn s t P r o c C T Bs t 其构成如图2 9 所示 该结构体中的各主要字段含义如下 R e q O f E x e c u t i o n P E 当前是否正在执行中 T R U E F A L S E 表示 N u m O f A c t i v e B u f P E 当前执行P r o c e s s B u f f e r 的层数 P r o c B u fp 指向当前P E 的指针 P r o T b l S A Tp 指向P r o c e s s S u b P r o c e s s T a b l e 地址表的指针 S u b S A Tp 指向S u b r o u t i n e 地址表的指针 P E 以s t a g e 为单位执行 根据当前的E v e n t 触发进行 跳转 每个s t a g e 定义及其 相关宏值的说明如下 u c l n d e x S u b P r o c e s s 或s u b r o u t i n e 的索引值 u c N e x t S t a g e B y 0 S u b P r o c e s s s u b r o u t i n e 返回值为R e t u r n 0 时 下一s t a g e 的u c I n d e x u c R e t u r n V a l u e B y 0 S u b P r o c e s s s u b r o u t i n e 的返回值是P ES E C O 时引擎的返回值 u c N e x t S t a g e B yl S u b P r o c e s s s u b r o u t i n e 返回值为R e t u ml 时 下一s t a g e 的u c l n d e x u c R e t u m V a l u e B y l S u b P r o c e s s s u b r o u t i n e 的返回值是P ES E C l 时引擎的返回值 m S 无线移动机车系统的设计与实现 图2 9P E 核心数据结构构成 n s t P r o c C T Bs t R e q o f l 上x e c u t i o n I N u m O f A c t i v e B u f I 嗍u IP 灿ns 帅l m b s 蛆 p P r o c e s s S u b P r o e e s s 地址S u b r o u t i n e 地址表 T m eo f F a l s e 表 用户自定义 用户自定义 r 1r P r o c e s s S u b p r o c e s s l S u b r o u t i n e l u c P r o c e s s l D u s E x e e S t a g e N u 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