核能谱分析开源软件Octave在 ARM/DSP架构下的移植

摘 要： 针对基于PC平台的核能谱分析软件成本高、体积大、使用范围受限等问题，设计及实现了一种以ARM/DSP架构为核心的核能谱分析系统。系统以内嵌TI公司DM3730的Devkit8500D评估板为开发测试平台，采用Linux操作系统，通过科学计算软件Octave的gunplot加载处理原始核能谱数据并将能谱图显示在TFT液晶屏幕上。对于Octave的移植工作，添加必需依赖库及头文件，利用交叉工具链编译Octave，借助ext2格式TF卡将其移植到Devkit8500D平台。核能谱数据测试结果表明，该系统数据处理效率高、实时性好，具备良好的稳定性、便携性，拥有很强的实用价值。

0 引言

GNU Octave是一个旨在提供与MATLAB语法兼容的开放源代码科学计算及数值分析的类MATLAB工具（Like MATLAB）[4]，相比几个GB单位的MATLAB软件价格成本高、体积庞大且不能自由定制的缺点，十几MB单位的Octave免费、小巧，功能与商业软件MATLAB类似，这些特点使Octave在嵌入式开发领域具有极大的潜力。

1 系统总体设计

1.1 Devkit8500D功能模块概述

本系统采用深圳天漠科技公司的Devkit8500D开发平台，基于德州仪器（TI）DM3730处理器的评估套件。处理器集成高达1 GHz的ARM Cortex-A8内核及高达800 MHz的具有高级数字信 处理的TMS320C64x+DSP核，并提供丰富的外设接口[5]。Devkit8500D功能模块如图1所示，扩展常用的外围接口，包含必要的外扩芯片，集成2D/3D图形加速模块（SGX），使其ARM/DSP异构双核处理器能够流畅自如地运行Linux、Windows CE等操作系统。二者分工明确，但又相得益彰，ARM负责整个系统控制、通信和传输等工作，DSP负责数据、图像的运算与处理；ARM内核主导系统，DSP内核协助处理，使得系统在事务处理、算法速度等方面的性能得到极大提升[6]。

1.2 ARM/DSP异构双核架构

Devkit8500D核心模块为DM3730，其中包含了ARM微处理器与DSP处理器。如图2展示了ARM/DSP异构双核架构，ARM作为主控芯片，运行操作系统的同时实现其他新功能扩展。通过多串口驱动程序实现与DSP模块之间通信[7]，通过USB键盘驱动程序实现USB键盘扩展，通过液晶显示驱动程序实现带触控显示屏的扩展。

原始核能谱数据经Octave加载并仿真处理，然后交给DSP内核，由DSP进行数据处理，完成DSP与ARM之间通信之后，ARM微处理器将核能谱图显示在液晶屏幕上[8]。ARM内核外扩的键盘输入模块，可对Devkit8500D平台实现命令输入及动态修改，达到实时控制及现场操作的目的。

ARM处理器的外围设备接口较多，功耗较低，广泛应用于控制领域；DSP处理器具有专门硬件乘法器，广泛采用流水线操作，适合大运算量系统。ARM/DSP双核处理器的架构，能够有效结合两种处理器的优势，各取所需，互补互助，很好地适用于嵌入式处理系统。

2 开源软件Octave交叉编译与移植

2.1 编译环境及源码包介绍

Octave交叉编译器为arm-linux-gnueabi-4.6.3，Octave版本是3.6.2，Linux系统选择Ubuntu10.4，对应内核2.6.32-24。从 址ftp：//ftp.gnu.org/gnu/octave下载源码包octave-3.6.4.tar.gz，然后解压，建议进入root超级用户权限进行操作：

$sudo su

#tar-xvzf octave-3.6.4.tar.gz

2.2 补全依赖库

编译Octave补全其必要的依赖库文件，进入解压后的文件目录octave-3.6.4/，执行“./autogen.sh”检测编译工具和依赖关系包是否完整，并参考http：
//wiki.octave.org/GraphicsMagick资料，可知Octave所需库文件如表1所示。用编译Octave的同一工具链依次编译表1所列库文件。

#cd octave-3.6.4/

#./autogen.sh

2.3 Octave的配置、编译、安装

Octave源码安装时运行“./configure-help”，参照其中README和INSTALL文件进行环境配置。交叉编译好的可执行文件存放路径：
/usr/local/gnome/octave/octave-3.6.4，交叉编译工具链路径：/work/tools/4.6.3/bin，详细配置信息如下：

#./configure-help

#./configure–build=arm-linux-gnueabi–host=arm-linux–target=arm-linux–prefix=/usr/local/gnome/octave/octave-3.6.4 CC=/work/tools/4.6.3/bin/arm-linux-gnueabi-gcc CXX=/work/tools/4.6.3/bin/arm-linux-gnueabi-g++ FC=/work/tools/4.6.3/bin/arm-linux-gnueabi-gfortran–enable-shared–disable-static–disable-readline–with-magick=GraphicsMagick

./configure配置过程中，尽管已经安装了很多依赖文件，仍然可能出现缺库现象而中断编译。根据configure信息反馈，交叉编译安装所缺库文件。configure配置成功，执行“make”和“make install”，编译、安装通过，将会在上述prefix路径下生成编译好的库文件、头文件，Octave的可执行二进制文件存在prefix路径下的bin目录。

#make

#make install

2.4 Octave应用程序移植[9]

将编译好的Octave可执行文件移植到Devkit8500D评估板，Devkit8500D的SDRAM大小为512 MB，由于Octave依赖库文件很多，所以编译生成的Octave文件大于600 MB。考虑内存资源大小限制，借助TF卡移植Octave到开发板，将TF卡在Ubuntu环境下格式化为ext2/ext3格式，拷贝prefix路径下的Octave及所有库文件、头文件到TF卡。

TF卡插入开发板TF-CARD插槽，参照prefix配置路径，设置Octave库文件lib在评估套件Devkit8500下的路径：

#export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/gnome/octave/octave-3.6.4/lib/octave/3.6.4：$LD_LIBRARY_PATH

进入上述设置路径的bin目录当中，运行Octave，操作命令如下：

#cd/usr/local/gnome/octave/octave-3.6.4/bin/

#./octave

切换进入图3所示的Octave运行界面。整个核能谱系统至此搭建完毕，Octave应用程序移植结束。

3 基于Octave的核能谱分析

运行Octave，进入Octave命令行，通过调用gnuplot提供的命令集，读取原始核能谱数据到嵌入式平台，命令行界面如图4表示。加载核能谱数据，基于Octave的核能谱显示如图5，横坐标代表核元素的道址，纵坐标代表核元素的计数。依靠能量刻度曲线，根据峰能量能够查找出该峰可能是哪种核（元）素产生，从而进行核素识别[10]。系统同时具有谱数据显示、能量刻度、谱光滑、寻峰、谱峰面积以及能量计算等功能[11]，供研究人员选择使用。借助TFT液晶屏幕上显示的探测物质能谱图，研究人员可以读取元素能谱的峰值、道址以及峰位对应的能量等相关数据。

4 结束语

参考文献

[1] 邓明华，罗培东，钟佳明.基于Cortex-M3的TFT触摸屏在环境监控系统中的应用[J].现代电子技术，2010（13）：198-200.

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[4] EATON J W. GNU Octave and reproducible research[J].Journal of Process Control，2012，22（8）：1433-1438.

[5] 龚泽挚，蓝晓柯，郑雅羽.基于Android和DM3730的视频编码软件开发[J].电视技术，2013，37（17）：76-79.

[6] 方益平，姚鹏，庄镇泉.基于DM3730的中距离虹膜识别系统设计[J].计算机工程与设计，2013，34（12）：4178-4183.

[7] 何剑锋，何月顺，叶志翔.嵌入式Linux下ARM/DSP通信接口设计及驱动开发[J].仪表技术与传感器，2009（5）：47-49.

[8] He Jianfeng， Fang Fang， He Yueshun， et al. Design of gamma spectrum data acquisition and processing system based on ARM/DSP[J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2013，20（2）：27-32.

[9] 周正，童维勤.嵌入式系统应用程序移植的研究[J].微计算机信息，2006，22（29）：145-147.

[10] 贾景关.基于NaI（Tl）探测器的γ能谱分析技术及软件设计[D].衡阳：南华大学，2011.

[11] 汤彬，葛良全.核辐射测量原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版 ，2011.

[12] MARKOWSKY L， SEGEE B. The Octave fuzzy logic toolkit[C]. Proceedings of 2011 IEEE International Workshop on Open-source Software for Scientific Computation （OSSC-2011），2011：118-125.