基于無(wú)線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)

根據(jù)某工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電子設(shè)備數(shù)據(jù)記錄的要求，設(shè)計(jì)了一種基于近距離無(wú)線通信的嵌入式數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)下載兩大功能組成部分：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分利用DSP和FPGA完成信號(hào)的采集和處理，并將其存儲(chǔ)到CF卡中;數(shù)據(jù)下載部分利用紅外和藍(lán)牙無(wú)線接口，在DSP的控制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線下載。

　　引言

　　“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(shí)時(shí)記錄飛機(jī)、船舶、汽車(chē)等行進(jìn)過(guò)程中的重要數(shù)據(jù)。記錄儀的數(shù)據(jù)下載方式通常有兩種：通過(guò)傳輸線纜下載和通過(guò)插拔存儲(chǔ)卡下載。

　　本文依據(jù)某工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線通信的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。該設(shè)備以紅外或藍(lán)牙方式下載數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)下載方式相比，下載數(shù)據(jù)時(shí)既不需要拆卸設(shè)備連接線纜或插拔存儲(chǔ)卡，又減少了連線和插拔存儲(chǔ)卡可能導(dǎo)致的接觸故障。

　　1 設(shè)計(jì)需求

　　在某工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電子設(shè)備工作過(guò)程中，要求記錄系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄設(shè)備的各種電氣信號(hào)及其工作時(shí)序，用于事后設(shè)備運(yùn)行狀況的分析以及故障排查、定位。需要實(shí)時(shí)采集記錄的信號(hào)包括2路ARINC429信號(hào)、10路TTL數(shù)字信號(hào)以及16路模擬信號(hào)。采樣頻率應(yīng)大于或等于1 kHz，記錄時(shí)間為1 h左右。根據(jù)信號(hào)通道數(shù)量、數(shù)據(jù)采集速率和數(shù)據(jù)記錄時(shí)間，可估算出記錄系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量應(yīng)大于500 MB。通常，微處理器內(nèi)部的存儲(chǔ)空間有限，故需要將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)容量大、具有非易失性的外部存儲(chǔ)器中。本系統(tǒng)使用Sandisk公司的1 GB工業(yè)級(jí)CF卡作為存儲(chǔ)設(shè)備。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)采用DSP和FPGA協(xié)同控制的方案，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。DSP主要完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和控制，F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)傳輸，以及與無(wú)線通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸;FPGA則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存和讀寫(xiě)CF卡的邏輯時(shí)序控制。

　　DSP是主控制器。選用TI公司的16位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F240。它的指令周期為50 ns，內(nèi)部具有544字的RAM、224K字的可尋址存儲(chǔ)空間、雙10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、28個(gè)獨(dú)立可編程的多路復(fù)用I/O引腳、1個(gè)異步串行通信口(SCI)，以及1個(gè)同步串行通信口(SPI)。其內(nèi)部資源可以滿(mǎn)

　　足系統(tǒng)對(duì)TTL信號(hào)和模擬信號(hào)的采集需求，通過(guò)外接ARINC429、紅外和藍(lán)牙專(zhuān)用接口芯片，實(shí)現(xiàn)ARINC429數(shù)據(jù)信號(hào)的采集和兩種無(wú)線方式的通信。

　　FPGA是輔助控制器，其核心為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(gè)用戶(hù)可使用I/O引腳、52個(gè)M4K嵌入式陣列塊和18752個(gè)邏輯單元。DSP和FPGA豐富的內(nèi)部資源很好地滿(mǎn)足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。

　　系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)下載兩大功能：

　?、贁?shù)據(jù)存儲(chǔ)。DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)2路ARINC429信號(hào)、16路模擬信號(hào)和10路數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入FPGA的FIFO中。當(dāng)FIFO存儲(chǔ)了一定量數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA控制邏輯電路自動(dòng)將FIFO中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入CF卡中。

　?、跀?shù)據(jù)下載。首先，DSP將系統(tǒng)的藍(lán)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(lán)牙或紅外接口的地面設(shè)備發(fā)出的連接請(qǐng)求后，先進(jìn)行鑒權(quán)，鑒權(quán)通過(guò)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(guò)查詢(xún)或中斷方式將FIFO中的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送給地面設(shè)備。

　　3 各功能模塊設(shè)計(jì)

　　3.1 FPGA功能模塊設(shè)計(jì)

　　使用FPGA實(shí)現(xiàn)異步FIFO模塊和CF卡讀寫(xiě)模塊，是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。