1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 DSP的近距離無線通信的嵌入式數(shù)據(jù)記錄設(shè)備設(shè)計“黑匣子”是比較流行的電子記錄設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于實時記錄飛機、船舶、汽車等行進過程中的重要數(shù)據(jù)，包括速度、方向、高度、偏轉(zhuǎn)角、發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和溫度等。通過這些數(shù)據(jù)可以了解其運行過程中的情況，同時也是故障檢測、分析事故原因的重要依據(jù)。在工業(yè)領(lǐng)域，常見的記錄儀有壓力記錄儀、溫度記錄儀、濕度記錄儀等，用于對生產(chǎn)環(huán)境開展實時監(jiān)測，從而保證了有效生產(chǎn)和安全生產(chǎn)。 記錄儀的數(shù)據(jù)方式通常有兩種：通過傳輸線纜和通過插拔存儲卡。前者需要連接線纜，后者需要插拔存儲卡，兩者均需要構(gòu)造方面的拆卸。但在某些應(yīng)用環(huán)境中，記錄儀不便于拆卸，特別是

2、在一些輻射性強的工業(yè)現(xiàn)場，更不適于長時間的近距離接觸。另外，這兩種方式在一定程度上均可能降低系統(tǒng)的可靠性。 本文依據(jù)某工業(yè)現(xiàn)場電子設(shè)備數(shù)據(jù)記錄的需求，提出了一種基于近距離無線通信的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。該設(shè)備以紅外或藍牙方式數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)方式相比，數(shù)據(jù)時既不需要拆卸設(shè)備連接線纜或插拔存儲卡，又減少了連線和插拔存儲卡可能導(dǎo)致的接觸故障。 1 設(shè)計需求 在某工業(yè)現(xiàn)場電子設(shè)備工作過程中，要求記錄系統(tǒng)能夠?qū)崟r記錄設(shè)備的各種電氣信號及其工作時序，用于事后設(shè)備運行狀況的分析以及故障排查、定位。需要實時采集記錄的信號包括2路ARINC429信號、10路TTL數(shù)字信號以及16路模擬信號。采樣頻率應(yīng)大于或等于1 k

3、Hz，記錄時間為1 h左右。根據(jù)信號通道數(shù)量、數(shù)據(jù)采集速率和數(shù)據(jù)記錄時間，可估算出記錄系統(tǒng)的存儲容量應(yīng)大于500 MB。通常，微處理器內(nèi)部的存儲空間有限，故需要將采集到的數(shù)據(jù)存儲到存儲容量大、具有非易失性的外部存儲器中。本系統(tǒng)使用Sandisk公司的1 GB工業(yè)級CF卡作為存儲設(shè)備。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 系統(tǒng)采用DSPDSP和FPGA協(xié)同控制的方案，總體設(shè)計方案如圖1所示。DSP主要完成數(shù)據(jù)的實時采集和控制，F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)傳輸，以及與無線通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸;FPGA則實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存和讀寫CF卡的邏輯時序控制。 DSP是主控制器。選用TI公司的16位定點DSP芯片TMS320F240。它的指令周

4、期為50 ns，內(nèi)部具有544字的RAM、224K字的可尋址存儲空間、雙10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、28個獨立可編程的多路復(fù)用I/O引腳、1個異步串行通信口(SCI)，以及1個同步串行通信口(SPI)。其內(nèi)部資源可以滿足系統(tǒng)對TTL信號和模擬信號的采集需求，通過外接ARINC429、紅外和藍牙專用接口芯片，實現(xiàn)ARINC429數(shù)據(jù)信號的采集和兩種無線方式的通信。 FPGA是輔助控制器，其為FIFO和邏輯控制電路，用于完成DSP和CF卡間數(shù)據(jù)傳輸。選用Altera公司CyclonelI系列的FPGA芯片EP2C20-Q240C8。它具有142個用戶可使用I/O引腳、52個M4K嵌入式陣列塊和18752個

5、邏輯單元。DSP和FPGA豐富的內(nèi)部資源很好地滿足了系統(tǒng)設(shè)計的需要。 系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)兩大功能： 數(shù)據(jù)存儲。DSP實現(xiàn)對2路ARINC429信號、16路模擬信號和10路數(shù)字信號的實時采集，并將數(shù)據(jù)實時存入FPGA的FIFO中。當(dāng)FIFO存儲了一定量數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PGA控制邏輯電路自動將FIFO中的數(shù)據(jù)寫入CF卡中。 數(shù)據(jù)。首先，DSP將系統(tǒng)的藍牙和紅外模塊設(shè)置為從設(shè)備。當(dāng)接收到工作人員所持的帶有藍牙或紅外接口的地面設(shè)備發(fā)出的連接請求后，先開展鑒權(quán)，鑒權(quán)通過后與其建立連接。然后，F(xiàn)PGA控制邏輯電路讀出CF卡中數(shù)據(jù)并存人FIFO，DSP通過查詢或中斷方式將FIFO中的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)

6、送給地面設(shè)備。 3 各功能模塊設(shè)計 3.1 FPGA功能模塊設(shè)計 使用FPGA實現(xiàn)異步FIFO模塊和CF卡讀寫模塊，是本設(shè)計的重點，也是難點。 3.1.1異步FIFO模塊 數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的實時性強、數(shù)據(jù)量大。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度、防止數(shù)據(jù)堵塞，利用FPGA硬件設(shè)計上的靈活性，在其內(nèi)部構(gòu)建了一個寬度為16位、深度為512的異步FIFO模塊，作為DSP與CF卡之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^站。 異步FIFO的構(gòu)造圖如圖2所示。它包括4個模塊：數(shù)據(jù)存儲模塊、寫地址產(chǎn)生模塊、讀地址產(chǎn)生模塊和標(biāo)志位產(chǎn)生模塊。FIFO的讀寫采用讀時鐘和寫時鐘兩個時鐘。寫時鐘同步的信號有寫地址產(chǎn)生模塊生成的寫請求和寫地址;讀時鐘同步的信號有讀地址產(chǎn)生模塊生成的讀請求和讀地址。寫使能和讀使能分別由DSP與FPGA數(shù)據(jù)傳輸控制邏輯和CF卡讀寫控制邏輯生成。標(biāo)志位產(chǎn)生模塊由讀寫地址關(guān)系生成FIFO存儲狀態(tài)標(biāo)志，并反應(yīng)給主機DSP