CN112799814A - 一种双核地震烈度计及任务调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双核地震烈度计及任务调度方法，属于地震烈度测定仪器技术领域。双核地震烈度计，包括核心处理器单元，所述核心处理器单元包括两个核心，两个核心用于通过中断事件机制相互通信，在两个核心需要通信时，分别向对方核心发送相应的中断事件，对方核心收到中断事件后相应相应的中断函数，执行相应的中断操作。方法具体为将内存按照绝对地址分配成三个区域，区域1用于Core0专用的动态存储区，区域2用于Core1专用的动态存储区，区域3用于共用缓存区；设置对应于双核传递的中断A以及中断B，此两个中断可实现对应于Core0和Core1之间的消息传递。本发明可以运行多任务调度，进行复杂的烈度估值运算，高效的实现任务调配。

Description

一种双核地震烈度计及任务调度方法
技术领域
本发明涉及属于地震烈度测定仪器技术领域，具体涉及一种双核地震烈度计及任务调度方法。
背景技术
地震烈度是指地震时某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。地震烈度计是用于测定地震烈度的转用仪器。
现有的地震烈度计，采用单核运算或者在主控处理器后再增加基于FPGA的协处理器两种方案，
方案一的缺点：由于单核运算算力有限，需要进一步提高主频才能满足多任务以及复杂的运算需求，必然会造成功耗高，发热量大等缺点。
如方案二的缺点：由于采用更多的处理器，则会造成硬件成本高，结构复杂，故障率高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双核地震烈度计及任务调度方法，采用一个微处理器内部集成双核的结构，既可以运行多任务调度，又可以进行复杂的烈度估值运算，同时设计一种双核协同运作方法，可高效的实现任务调配；
由于采用了单处理器，硬件结构设计方面可以去除单核运算用的协处理器的硬件结构，优化精简了硬件结构，降低了系统硬件复杂的，进而降低的故障率，进一步降低了硬件成本。
具体的，双核地震烈度计，包括核心处理器单元，所述核心处理器单元包括两个核心，两个核心用于通过中断事件机制相互通信，在两个核心需要通信时，分别向对方核心发送相应的中断事件，对方核心收到中断事件后相应相应的中断函数，执行相应的中断操作。
另一方面，本发明还提供了一种基于双核地震烈度计的任务调度方法，所述方法具体为：
MCU处理器单元的两个核心分别定义为Core0和Core1，将内存按照绝对地址分配成三个区域，区域1用于Core0专用的动态存储区，区域2用于Core1专用的动态存储区，区域3用于共用缓存区；
设置对应于双核传递的中断A以及中断B，此两个中断可实现对应于Core0和Core1之间的消息传递。
本发明的有益效果在于：本发明设计一种双核地震烈度计及任务调度方法：
采用基于双核地震烈度计的双核任务调度方法，其可配合双核的硬件结构使用，其可显著提高系统的运行性能，其在相同的主频下其任务的执行率提高50％，系统的关键性任务响应时间提高60％，普通任务响应时间提高40％。
采用基于双核的硬件构架，其可以可以显著的节约硬件成本，其成本降低20％，同时其硬件布线复杂度减少30％。
整机由上壳体和下壳体组成，上壳体和下壳体可以分别单独装配和调试、检测。整个生产流程可采用流水线方式进行，适用大批量生产。
附图说明
图1是本发明双核地震烈度计的主视图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1的右剖视图。
图4是双核地震烈度计的硬件架构图。
图5是双核地震烈度计的任务调度示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
如图1至图3所示，双核地震烈度计主要分上壳体和下壳体两部分，上下壳体通过四个螺钉紧固在一起。
上壳体包括：有显示方向和仪器的信息的丝印号的上盖、显示器挡板、显示器、主板和采集板。通过铜柱和螺钉按上盖、显示器挡板、显示器、主板和采集的顺序分别固定在一起组成上壳体。其中：主板上包含了GPS芯片、MCU芯片，TF卡槽、wifi模块，网络模块。采集板主要包含电池接口，ad采集芯片。每层板子分别用排座排针相连。
下壳体包括：主要同开有腰子孔的盒体、三分量检波器、备用电池以及固定在盒体上的wifi天线、通过螺钉和电池压条将备用电池固牢到盒体、指示水平状态的圆水泡、开关按钮、通讯接头(GPS、网络、电源)。其中wifi天线在盒体的正后方，其余的在盒体的正前方，并在各接口位置标注有功能的丝印号。
双核地震烈度计采用如图4的硬件系统结构，其主要包括核心处理器单元，以下简称MCU，MCU处理器内部分为两个核心，分别为Core0和Core1，其双核的构架可以协同工作，可同时运行不同的程序，两者通过中断事件机制相互通信，在两个核心需要通信时，分别向对方核心发送相应的中断事件，对应的核心收到中断事件后相应相应的中断函数，从而执行相应的中断操作；
外挂内存单元:以下简称RAM，由于自身MCU内置的内存比较小，因此需要通过外置RAM来增加内存大小，由于涉及到的烈度运算，所需要的内存会比较大，因此该硬件模组也是在此设备中的必须部分；
串口交互模组:包含必须的串口电平转换模块和稳压整流模块，其模块主要实现串口TTL电平到RS232电平的转换，并且含有必要的防电磁干扰和防电压电流过充模块，保证设备可以通过串口跟外部产生交互；
网络模组:由于MCU在内部集成MAC层硬件，因此此模组包括必要的PHY层处理芯片以及网络变压器和必要的防雷击和电磁干扰等电子器件，通过此模组可以实现设备通过网络和外部实现交互，也是设备实现数据流上传到地震台网的必要部件；
GPS授时模组:此模组集成GPS接收模块，电压变换和稳压模块，主要实现设备的授时功能，其可通过串口跟MCU产生联系，通过GPS接收模块接收GPS信息，后产生时间信息，并将时间信息通过串口传输给MCU,MCU通过对时间信息的解码，得到此刻确切的时间信息，包括年月日时分秒等UTC时间，后通过PPS线与MCU的输入端口相连，MCU通过监测输入端口的上升沿激发相应的中断操作，来给MCU提供精确的秒内信息；
AD模数转换模组:此模组主要实现模拟信号到数字信号的转换，其实现对于模拟信号的量化，包含必要的精细电压稳压，前置阻抗匹配模组，以及AD模数转换器，根据其要求的不同的动态范围选用不同的量化位数的AD模数转换器，由于此设备主要实现烈度的监测和事件的上报，因此在此选用24的模数转换器；
信号滤波模组:在进行模数转换之前，需要对模拟信号进行必要的滤波处理，否则直接对模拟信号进行量化处理会造成相应的频谱混叠，也就是所谓的假频现象，因此对输入的模拟信号，需要预先采用硬件滤波，滤除对应奈奎斯特频率以外的信号，此信号滤波模组实现对信号的硬件滤波，是设备钟不可缺失的组成部分。
三分量检波器：在此选用加速度计，实现地动加速度到电压值的转换，是整个设备物理量到电信号转换的起点，对此可通过不同的设备型号选用不同频带的加速度计。
在本实施例中，其核心处理器单元在选型时需要包含双核，且需要考虑主频和操作性能，在此选用NXP公司的LPC4357核心处理器，其包含M4和M0两个主处理器，两处理器运行主频可高达204M，同时集成片上存储器，闪存以及多种可配置的数字外设，拥有双核的中断和消息传递系统，完全满足仪器的运行需求。
外挂内存单元，采用micron公司的MT48LC8M32B2内存单元，其内存单元大小为256M Bit，其内存大小完全满足设备需要，且其封装尺寸均满足设备需求。
串口交互模组，电平转换模块采用Texas Instruments公司的MAX3223,其可实现串口的232电平和TTL电平的转换，且提供双路的串口转换芯片，转换速率满足设备的串口通信需求，同时实时匹配必要的电压稳压和电流整流器件；
网络模组，PHY层采用美国国家半导体的DP83848模块，其提供单路物理层功能，低功耗，提供能量检测模式，有利于降低仪器功耗；网络变压器采用HanRun公司的hr601680网络变压器，其可实现网络变压，电压隔离等功能。
GPS授时模组，在此实施方案中，其授时模块选用UBLOX的M8N接收机，此接收机可接收来自GPS，GLONASS，北斗以及Galieo信号，其可在不同的信号环境下选用不同的信号来源，且其提供多种模式，输出标准化的时间信息输出以及PPS秒脉冲，可给仪器提供精确的时间信息。
AD模数转换模组，此实施方案中，采用Texas Instruments公司的ADS1254,其可提供最多4路的模拟信号输入，且提供片上通道转换器，可让用户在最低成本下实现模式转换的需要；
信号滤波模组，在此实施方案中采用ADI公司的AD8656为基础组成的硬件滤波网络，其具有宽的动态范围，具有低噪声、低失真和高输出电流能力，搭配不同的电阻电容可实现所需频率的滤波效能。
检波器，在此实施方案中选用COLIBRYS公司的SF1500加速度计,其典型噪声水平到300ngrms/√HZ，动态范围达到120dB，量程为±3g,完全满足设备需求。
如图5所示，基于此设备的硬件结构的双核任务调度方法，具体为：
1)：将内存按照绝对地址分配成三个区域，区域1用于Core0专用的动态存储区，区域2用于Core1专用的动态存储区，区域3用于共用缓存区。
其区域1可用于Core0的全局变量以及局部堆栈的使用，区域2可用于Core1的全局变量以及局部堆栈的使用，区域3为采用绝对地址分配的环形缓存区，其可以为两个核共同访问，同时区域3开辟以绝对地址为基础的指向数据缓存存储指针变量PosHead，以绝对地址为基础的指向处理结果参数缓存的指针变量ParArr，此区域3中的所有变量都可以通过绝对地址被两个核获得实时数据。
2)：设置对应于双核传递的中断A以及中断B，此两个中断可实现对应于Core0和Core1之间的消息传递。
对于实时数据中断A，当Core0通过AD模式转换器采集到实时数据后，其把数据存放在环形存储区，并更新指针变量PosHead，后发送中断A到Core1，Core1收到中断消息后，在相应的中断函数中通过已经更新的PosHead获取到最新的实时数据，后把此数据放入到事件监测状态机。
如若此时此数据没有激发事件监测状态机，则Core1对此不做出任何反馈，如果此数据激发事件事件监测状态机，Core1将此数据放入到自己专用缓存中，并将此数据作为烈度估值计算的专用数据缓存区。
如果Core1事件监测状态机已进入到事件激发状态，此时事件监测状态机进入到平静期监测状态，如果满足平静期条件，则将事件监测状态机跳到激发事件监测状态，并开始执行烈度估值程序。
在Core1烈度估值程序执行完毕后，其计算出相应的各个参数，存储到ParArr为地址的数组中，供Core0调用使用。此时Core1发出烈度估值中断B，Core0收到中断B的消息后进入到相应的中断程序，从中提取相应的烈度参数，并将此参数应用到对应的后续软件调度任务中。
3)：对于Core0，其包含的任务包括：1、设备对时任务，其通过GPS或者网络的NTP协议获得时间信息，并将时间信息同步到仪器中，使仪器获得精确的绝对时间；2、模数转换采集任务，其主要通过中断的方式读取模数转换器中的数据，并将数据存放到相应的内存中；3、数据存储任务，其主要将内存中的数据存放到固态存储介质中，在此设备中的固态存储主要是SD卡等NANFLASH等非易失性介质，此数据存储任务通过特定的数据接口将数据读写到相应的介质，同时构建文件系统，在相应的文件系统条件下创建相应的文件和目录，同时创建日志信息，记录设备的运行状态；4、台网数据上传任务，其主要完成数据流通过网络上传到设定的台网服务器，其任务分为，通过网络链路建立TCP连接，后通过特定的协议对服务器进行注册，注册后发送对应的数据包；5、用户交互任务，其主要完成用户和仪器的指令交互，交互信息包括仪器状态查询，仪器控制，以及用户配置上传等，其任务主要通过串口和网口两种管道途径进行。
此5种任务中，任务1到任务2采用中断模式执行，由于其程序执行时间短且时效性要求高，因此需要优先级较高且可随时打断轮询中的其他任务；任务1主要完成时间授时，因此其关系到整个系统的时间精度，且处理程序简短，因此优先级最高，任务2需要在模数转换器进行完模数转换后在下次模数转换完成之前将数据取走，因此其失效性较高，但时效优先级低于任务1但其优先级等级远高于其他任务。
此5种任务钟，任务3到任务5采用轮询模式执行，其执行放在主循环体中，对涉及到的任务顺序执行，其执行方式采用非阻塞式，分别检查其中3项任务的状态，当其不需要执行时跳出，当其需要执行时立即执行。
4)对于Core1，主要涉及到的任务包括：1、实时数据事件监测任务，其主要实现通过对实时数据流进行监测，监测实时数据流中的事件，并通过特定的事件判定方法进行判定，如果判定结果激发相应的事件，则进入到事件监测状态机，后判定事件平静期，当满足事件平静期的判定结果后，其执行烈度参数计算任务，后状态机复位到初始状态，对数据流继续监测；2、烈度参数计算任务，其主要对烈度参数进行计算，并将计算结果保存到相应的变量数组中；
对于此任务1，由于需要在下一个实时数据来临之前执行，因此其执行的时效性要求较高，因此将其放在中断B中执行，对于任务2，由于其计算复杂，需要较多的运算时间，且两次事件激发存在较长的时间间隔，因此以轮询方式进行，且将其放在Core1的主循环体中，执行完后将其参数放入对应的参数数组，并发送中断B通知Core0，Core0收到中断后提取相应的参数并将此应用于后续的任务中。
双核地震烈度计的实际操作如下：
开机之后，仪器进行对时任务，当仪器获取到精确的绝对时间后，进入数据采集任务。
当AD模式转换器采集到实时数据后，把数据存放在环形储存区，然后Core0更新指针变量PosHead，后发送中断A到Core1,然后Core1收中断信息之后，在相应的中断函数中通过已经更新的PosHead获取到最新的实时数据，后把此数据放入到事件监测状态机。
当数据没激发事件监测状态机则Core1，则对此不做出任何反馈。
当数据激发事件监测状态机则Core1把此数据放入专用缓存中并事件监测状态机进入到平静期监测状态，如果满足平静期条件，则将事件监测状态机跳到激发事件监测状态，并开始执行烈度估值程序。然后算出相对应的参数，储存到存储到ParArr为地址的数组中，供Core0调用使用此时Core1发出烈度估值中断B，Core0收到中断B的消息后进入到相应的中断程序，从中提取相应的烈度参数，并将此参数应用到对应的后续软件调度任务中。
然后Core0把环形存储区里的数据存放到固态存储介质中同时构建文件，系统创建日志信息，记录设备的运行状态。
在存数据的时候同时可以通过网络进行台网数据上传任务包括：建立TCP连接，后通过特定的协议对服务器进行注册，注册后发送对应的数据包。
在仪器的工作中，用户可以通过交互软件来进行仪器状态查询，仪器控制，用户配置上传等任务。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双核地震烈度计，包括核心处理器单元，其特征在于，所述核心处理器单元包括两个核心，两个核心用于通过中断事件机制相互通信，在两个核心需要通信时，分别向对方核心发送相应的中断事件，对方核心收到中断事件后相应相应的中断函数，执行相应的中断操作。
2.如权利要求1所述的双核地震烈度计，其特征在于，所述双核地震烈度计还包括与核心处理器单元通讯连接的外挂内存单元、串口交互模组、网络模组、GPS授时模组、AD模数转换模组。
3.如权利要求2所述的双核地震烈度计，其特征在于，所述双核地震烈度计还包括信号滤波模组、三分量检波器，所述三分量检波器通过信号滤波模组与AD模数转换模组通讯连接。
4.如权利要求3所述的双核地震烈度计，其特征在于，所述外挂内存单元用于增加内存；所述串口交互模组用于保证设备通过串口跟外部产生交互；所述网络模组用于实现设备通过网络和外部实现交互及实现数据流上传到地震台网；所述GPS授时模组用于实现设备的授时功能；所述AD模数转换模组用于实现模拟信号到数字信号的转换，所述信号滤波模组用于对模拟信号进行必要的滤波处理，所述三分量检波器用于实现地动加速度到电压值的转换。
5.一种基于权利要求1-4任一项的双核地震烈度计实现的任务调度方法，其特征在于，所述方法具体为：
MCU处理器单元的两个核心分别定义为Core0和Core1，将内存按照绝对地址分配成三个区域，区域1用于Core0专用的动态存储区，区域2用于Core1专用的动态存储区，区域3用于共用缓存区；
设置对应于双核传递的中断A以及中断B，此两个中断可实现对应于Core0和Core1之间的消息传递。
6.如权利要求5所述的任务调度方法，其特征在于，所述方法中区域1用于Core0的全局变量以及局部堆栈的使用，区域2用于Core1的全局变量以及局部堆栈的使用，区域3为采用绝对地址分配的环形缓存区，为两个核共同访问，区域3开辟以绝对地址为基础的指向数据缓存存储指针变量PosHead，以绝对地址为基础的指向处理结果参数缓存的指针变量ParArr，区域3中的所有变量都可以通过绝对地址被两个核获得实时数据。
7.如权利要求5所述的任务调度方法，其特征在于，所述方法中：
对于实时数据中断A，当Core0通过AD模式转换器采集到实时数据后，把数据存放在环形存储区，并更新指针变量PosHead，然后发送中断A到Core1，Core1收到中断消息后，在相应的中断函数中通过已经更新的PosHead获取到最新的实时数据，然后把此实时数据放入到事件监测状态机；
如若此时此实时数据没有激发事件监测状态机，则Core1对此不做出任何反馈，如果此实时数据激发事件事件监测状态机，Core1将此实时数据放入到自己专用缓存中，并将此实时数据作为烈度估值计算的专用数据缓存区；
如果Core1事件监测状态机已进入到事件激发状态，此时事件监测状态机进入到平静期监测状态，满足平静期条件，则将事件监测状态机跳到激发事件监测状态，并开始执行烈度估值程序；
在Core1烈度估值程序执行完毕后，其计算出相应的各个参数，存储到ParArr为地址的数组中，供Core0调用使用；此时Core1发出烈度估值中断B，Core0收到中断B的消息后进入到相应的中断程序，从中提取相应的烈度参数，并将此参数应用到对应的后续软件调度任务中。
8.如权利要求5所述的任务调度方法，其特征在于，所述方法中：
对于Core0，包含的任务包括：
任务一：设备对时任务，通过GPS或者网络的NTP协议获得时间信息，并将时间信息同步到仪器中，使仪器获得精确的绝对时间；
任务二：模数转换采集任务，通过中断的方式读取模数转换器中的数据，并将数据存放到相应的内存中；
任务三：数据存储任务，将内存中的数据存放到固态存储介质中，数据存储任务通过特定的数据接口将数据读写到相应的介质，同时构建文件系统，在相应的文件系统条件下创建相应的文件和目录，同时创建日志信息，记录设备的运行状态；
任务四：台网数据上传任务，完成数据流通过网络上传到设定的台网服务器，包括通过网络链路建立TCP连接，然后通过特定的协议对服务器进行注册，注册后发送对应的数据包；
任务五：用户交互任务，完成用户和仪器的指令交互，交互信息包括仪器状态查询，仪器控制，以及用户配置上传，通过串口和网口两种管道途径进行。
9.如权利要求8所述的任务调度方法，其特征在于，所述方法中：
任务一采用中断模式执行，任务三、任务四、任务五采用轮询模式执行，任务二采用中断模式或轮询模式执行。
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