基于OMAP-L138的便攜式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷儀設(shè)計(jì)

工業(yè)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，有效地保證了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，并在設(shè)備預(yù)知維修中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。為了滿足石化企業(yè)對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的需求，設(shè)計(jì)了一款便攜式綜合性設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷儀器。TI公司推出的OMAPL138雙核處理器，具備強(qiáng)大的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力和可靠的實(shí)時(shí)性，可以實(shí)現(xiàn)高性能雙通道數(shù)據(jù)采集器和信號(hào)分析，現(xiàn)場(chǎng)顯示FFT頻譜圖、軸心軌跡等功能。
OMAPL138處理器綜合了DSP和ARM兩個(gè)處理器各自在實(shí)時(shí)性和計(jì)算精度上的優(yōu)勢(shì)。DSP進(jìn)行信號(hào)處理任務(wù)，ARM可以運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)及圖形界面，完成波形顯示、存儲(chǔ)及外圍器件的控制。DSP與ARM間的數(shù)據(jù)通信由DSP/BIOS橋來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1 硬件設(shè)計(jì)
1.1 處理器及其外設(shè)電路設(shè)計(jì)
　OMAPL138芯片采用C6748內(nèi)核和ARM926EJ-S核，兩個(gè)處理器主頻最高支持到456 MHz。C6748是一個(gè)定點(diǎn)浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器核，它相對(duì)TMS320C6000器件功耗顯著降低，并可實(shí)現(xiàn)代碼兼容。ARM926EJ-S是一個(gè)32 bit精簡(jiǎn)指令集的處理器核，可以執(zhí)行32 bit、16 bit指令集，處理32 bit、16 bit、8 bit數(shù)據(jù)。ARM核有一個(gè)協(xié)處理器CP15，以及8 KB的RAM、64 KB的ROM。接口支持1個(gè)10/100 M以太網(wǎng)接口，DDR2內(nèi)存控制器，1個(gè)EMIFA接口，2套I2C與SPI接口，以及2套McBSP接口等[1]。OMAPL138的硬件連接圖如圖1所示。

OMAPL138使用EMIFA接口控制Flash的操作，使用GPCM 16 bit操作模式。FLASH選用SPANSION公司的一款容量為32 MB的芯片，用于存儲(chǔ)BOOT內(nèi)容和應(yīng)用程序。此外，OMPAL138的數(shù)據(jù)地址線順序采用SMALL_EIDEN模式，地址線和數(shù)據(jù)線的連接要注意最高有效位與最低有效位的順序與PowerPC等系列的處理器不一致。
　OMAPL138支持mDDR和DDR2兩種制式，本設(shè)計(jì)選用DDR2 SDRAM作為芯片的內(nèi)存。DDR2 SDRAM采用1片DDR2芯片MT47H64M16HR來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片芯片的容量是128 MB，位寬16 bit，內(nèi)部分為8個(gè)BANK。只需要配置SDCR、SDRCR、SDTIMR1、SDTIMR2這4個(gè)寄存器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)DDR2的配置。OMAPL138的DDR2控制器最高速率支持150 MHz。
　OMAPL138通過(guò)I2C接口連接一片E2PROM,型號(hào)為AT24C32CN，有 4 096×8 bit的存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)傳感器標(biāo)定參數(shù)和版本信息等。
　此外OMAPL138通過(guò)MII接口連接網(wǎng)線與PC機(jī)之間的通信，還可以通過(guò)UART接口方便地與上位機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)試，打印調(diào)試信息。
1.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分由兩路高速AD、大容量緩沖器FIFO和FPGA組成。FPGA負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)采集邏輯控制、緩存FIFO邏輯控制[2]。采集得到的信號(hào)傳到OMAP中的DSP核，然后進(jìn)行信號(hào)處理、完成算法，最后送給ARM核進(jìn)行波形顯示等功能。數(shù)據(jù)采集模塊架構(gòu)如圖2所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
　設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷儀的軟件設(shè)計(jì)包括：引導(dǎo)程序的設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)內(nèi)核裁剪和移植、定制文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序及界面的開(kāi)發(fā)。OMAP中DSP核運(yùn)行DSP/BIOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)，ARM核運(yùn)行Windows CE系統(tǒng)。DSP/Link為處理器提供雙核通信架構(gòu)。在DSP端，DSP/Link作為DSP/BIOS的一個(gè)驅(qū)動(dòng)而存在。在ARM端，DSP/Link作為一個(gè)外設(shè)而存在，并通過(guò)應(yīng)用層的函數(shù)庫(kù)訪問(wèn)這個(gè)設(shè)備來(lái)進(jìn)行操作。
2.1操作系統(tǒng)搭建與移植
板級(jí)支持包（BSP）是介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間的一層，主要目的是支持操作系統(tǒng)，使之能夠更好地運(yùn)行于硬件主板。一個(gè)典型的Windows CE板級(jí)支持包包括引導(dǎo)裝載程序Boot loader、OEM適配層(OAL)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及系統(tǒng)鏡像的配置文件四個(gè)組成部分。應(yīng)用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Platform Build根據(jù)特定的BSP，可以生成針對(duì)不同硬件的特定操作系統(tǒng)鏡像。對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE進(jìn)行剪裁，結(jié)合板級(jí)支持包編譯生成可在硬件上運(yùn)行的操作系統(tǒng)，達(dá)到Windows CE對(duì)硬件系統(tǒng)移植的目的。通過(guò)對(duì)Windows CE部分代碼的修改，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求的新軟件特性的擴(kuò)展。
設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)、紅外測(cè)溫模塊、面板功能鍵盤(pán)模塊及電源管理模塊等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)；并且面向系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供友好而靈活的接口，方便上層調(diào)用。
2.2 數(shù)據(jù)采集功能模塊設(shè)計(jì)
　數(shù)據(jù)采集模塊是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷儀的核心部分，其驅(qū)動(dòng)的高效性和穩(wěn)定性是影響整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。其基本工作流程如圖3所示。

在啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集之前，可以先對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率以及單/雙通道采集等進(jìn)行設(shè)置。在采集過(guò)程中，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器完成一個(gè)周期的轉(zhuǎn)換后，會(huì)給FPGA發(fā)出一個(gè)中斷，F(xiàn)PGA對(duì)FIFO發(fā)出寫(xiě)信號(hào)并將轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO。當(dāng)FIFO達(dá)到半滿時(shí),其半滿標(biāo)志位會(huì)發(fā)出中斷信號(hào)，F(xiàn)PGA接收到該信號(hào)后,控制OMAP對(duì)FIFO執(zhí)行讀操作。非觸發(fā)采集方式和觸發(fā)采集方式不同之處是:在非觸發(fā)采集方式下，A/D的啟動(dòng)、停止信號(hào)由OMAP提供，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換時(shí)，OMAP發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，停止亦然;在觸發(fā)采集方式下，采集啟動(dòng)、停止信號(hào)由鍵相信號(hào)來(lái)提供。
以O(shè)MAPL138為處理器平臺(tái)的便攜式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷儀，滿足了手持儀器低功耗高性能的要求。ARM核與DSP核的協(xié)同工作，既滿足了高速數(shù)字信號(hào)處理的要求，完成復(fù)雜的故障診斷算法，又具備強(qiáng)大的外設(shè)管理及控制能力，同時(shí)Window CE還為用戶(hù)提供了豐富友好的操作界面，以滿足用戶(hù)的需求。
參考文獻(xiàn)
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　通過(guò)壓電式加速度傳感器采集得到的振動(dòng)信號(hào)，首先通過(guò)信號(hào)調(diào)理放大電路，之后再經(jīng)過(guò)二階巴特沃斯帶通濾波器，可以由AD采集得到純凈的加速度信號(hào)。加速度信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)積分電路可得到速度信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一級(jí)積分電路可得到位移信號(hào)。
　在旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)和診斷中，鍵相信號(hào)占有重要的位置。通過(guò)電渦流傳感器產(chǎn)生的鍵相信號(hào)一般為-10 V左右的負(fù)脈沖，經(jīng)過(guò)隔直、反相、遲滯比較之后變成3.3 V的窄脈沖，送給FPGA作為觸發(fā)采集的觸發(fā)信號(hào)。
　FPGA選用Altera公司的Cyclone系列,通過(guò)OMAP上的UPP（Universal Parallel Port）接口相連接，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)絆MAP的DSP核。FPGA接受鍵相電路的觸發(fā)作為數(shù)據(jù)采集的相位零點(diǎn)，同時(shí)控制單路或兩路AD同時(shí)對(duì)調(diào)理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，采集得到的數(shù)值先緩存到FIFO中，然后再通過(guò)FPGA傳送到OMAP中。
　在OMAP的DSP核中，可以將采集得到的振動(dòng)波形進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，完成傅里葉變換、軸心軌跡、動(dòng)平衡等算法。最終通過(guò)DSP/BIOS橋?qū)⑻幚斫Y(jié)果傳送給ARM核，在應(yīng)用程序中顯示出時(shí)域圖、頻譜圖和軸心軌跡圖等。