PC104工业色谱仪操作系统研究及内核实现

　　1　引　言

　　工业色谱仪作为一种大型分析仪器,主要用于在线分析生产过程中气、液态流程样品的组成成分及其含量[1]。由于计算机技术的发展使得目前的工业色谱分析仪向着智能化、网络化方向发展,复杂的系统功能和强大的通信能力要求现代的分析仪器拥有一个操作系统来管理系统的设备和方便应用编程。本文便根据智能分析仪器的要求设计了一个仪器操作系统,并给出了内核实现。

　　2　PC104工业色谱仪的硬件系统

　　PC104工业色谱仪系统硬件结构如图1所示。

　　工业色谱仪采用工控计算机PC104体系结构,PC104规范自1992年发布第一版后不断有新的更新与发展,最近版的PC104规范定义了系统总线(ISA)的通信时序[2],板卡大小、电气特性、电磁特性和附加ISA总线通信协议[3,4]。

　　工业色谱仪在PC104规范下,由三大板卡组成:系统板卡、模拟量输入输出板卡、定时记数器和数字量输入输出板卡。主处理器选用AMD嵌入式处理芯片Geode GX系列,该芯片集成了TFT和CRT显示驱动功能,GeodeGX处理器还集成了10/100Base2T以太网接口。系统通过I/O芯片组Cx5530ATM实现了一个PCI2To2ISA桥(南桥)使得系统板卡内部使用PCI总线,外部采用PC104规范的ISA总线[5]。

　　工业色谱仪除主处理器芯片外,还配有模/数采集板卡,用于采集模拟信号;配有定时和数字I/O输入输出板卡,用于实现精确的实时时钟和数字I/O输入输出。

　　3　仪器操作系统的特点

　　工业色谱仪操作系统在设计上不同于一般桌面操作系统。桌面操作系统的用户可以随时开启或关闭一个或多个应用程序,而仪器操作系统中不需要多个应用的存在[6]。工业色谱仪开机后便开始运行应用程序,在使用过程中直到关机前用户不能关闭应用程序。这样在应用程序的任务处理上采用静态任务的设计方案。在存储器管理上采用简单存储器管理的方案[7]。工业色谱仪的主要任务是采集、分析和传送。

　　其中对实时响应要求最高的是采集,传送次之,而对于分析则可以采用普通的任务调度处理。在设计工业色谱仪器操作系统时,采集部分和通讯传送部分任务直接挂载到中断服务程序中,这样便可以保证很短的实时响应时间。

　　工业色谱仪采用的是和x86结构兼容型的64位CPU,该系列CPU有四种工作模式:实模式、保护模式、虚拟8086模式和长模式[8]。实模式只支持简单的段地址加偏移地址寻址方式,且最大的寻址空间为1M,工业仪器在高速采集数据时往往需要大量的数据存储空间,所以不采用实模式的工作方式,而采用保护模式方式工作。并且保护模式支持硬件快速任务切换功能,这能大大提高任务切换的时间。