RTOS 采样任务设计

[导读]本文从不同的角度，阐述了几种确定采样率的方法，也就是确定采样周期。

笔者能力有限，如果文中出现错误的地方，还请各位读者能给我及时指出来，我将不胜感激，谢谢~

引言

在现实生活中，大多数我们所接触到的信号都是一种模拟信号，电压、电流、声音信号等。我们在嵌入式开发过程中，有时候会涉及到模拟信号的采集，在采集过程中，为了更好地还原出信号原本的样子，有这个一个采样定理，被称之为 Nyquist 采样定理，采样定理的内容是这样的：要从采样信号中不失真地恢复原始信号，那么采样频率应该大于原始信号最高频率的两倍，所以在编写程序中，我们为了能够从采样信号中不失真的恢复出原始信号，那么我们必须设置合适的采样率，下面笔者将不同地角度阐述几种确定采样率的方法，也就是确定采样周期。

使用延时函数控制采样周期

当采样的对象是一个低频信号时，采样频率就可以设置的很低，也就是说采样周期比系统节拍周期要长的多，将采样周期设置为系统节拍周期的整数倍，就可以使用 RTOS 系统提供的延时函数来控制采样周期。这个时候，采样功能就可以由一个独立的采样任务来完成。下面是关于使用延时函数来控制采样率的一个流程框图:

采样任务流程图

使用定时中断控制采样周期

当采样周期与系统节拍周期在同一个数量级时，如果仍然采用延时函数来控制采样周期，其采样周期的时间抖动将比较明显，会严重影响采样结果的质量。这时，可以采用的方法是，另外使用一个定时器，由定时中断产生稳定的采样周期。
下面的伪代码是一个采样管周期为 500 us 的数据采集程序，采样周期由定时器 0 来控制，采样操作在定时器 0 的 ISR 中完成，使用消息邮箱与采样任务进行通信，采样数据保存在全局数组中。

void timer0Isr(void)    /* 定时器 0 中断服务函数 */
{
    OSIntEnter();       /* 调用进入中断服务函数 */
    /* 清除中断标志位 */
    /* 读取 AD 转换的结果 */
    /* 将数据发送至邮箱 */
    OSIntExit();        /* 调用退出中断服务函数 */
}

void SampleTask(void *pdata)
{
    uint8_t i;
    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        /* 邮箱等待数据到达 */
    }
    /* 显示信号波形 */
}

下面是使用定时中断控制采样周期的一个程序流程框图：

定时中断控制采样周期

使用节拍钩子函数进行采样

在实时操作系统中，都会存在一个钩子函数，用于使底层调用应用层写的程序，对于钩子函数来讲，其实也只是回调函数的另一种叫法，钩子函数是与系统节拍所挂钩的，每产生一次系统节拍就调用一次钩子函数，因此，当某种功能的运行周期与系统节拍周期相同时，使用系统节拍函数的钩子函数来完成此功能是非常有利的，另外，需要注意的一点是，系统钩子节拍函数是系统节拍函数的一部分，具有 ISR 的性质，应当尽可能的简洁，不允许调用任何使自己挂起来的系统服务函数。下面的伪代码是系统使用系统节拍钩子函数进行采样的一个示例：

void OSTimeTickHook(void)    /* 系统节拍钩子函数 */
{
    if (Samples != 0)       /* 提前设置 */
    {
        /* AD 数据转换 */
        /* 邮箱发送 */
        Samples --;
    } 
}

void SampleTask(void *pdata)
{
    /* 省略相关代码 */
    Samples = 100;
    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        /* 等待邮箱数据 */
    }
}