基于無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計

引 言

“黑匣子”是比較流行的電子記錄設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于實時記錄飛機(jī)、船舶、汽車等行進(jìn)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(jī)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)境進(jìn)行實時監(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)下載方式通常有兩種：通過傳輸線纜下載和通過插拔存儲卡下載。前者需要連接線纜，后者需要插拔存儲卡，兩者均需要結(jié)構(gòu)方面的拆卸。但在某些應(yīng)用環(huán)境中，記錄儀不便于拆卸，特別是在一些輻射性強(qiáng)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(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 kHz，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DSP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(lán)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EP2C20Q240C8。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)下載兩大功能：

①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。

②數(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)出的連接請求后，先進(jìn)行鑒權(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)并存入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)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(qiáng)、數(shù)據(jù)量大。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度、避免數(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的結(jié)構(gòu)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，并反饋給主機(jī)DSP。DSP通過查詢該標(biāo)志來控制與FPGA的數(shù)據(jù)傳輸。

3.1.2 CF卡讀寫模塊

CF卡讀寫模塊分為CF卡讀控制模塊和CF卡寫控制模塊。CF卡讀或?qū)懩K的設(shè)計具有相似性。這里僅介紹寫CF卡的工作過程。

首先，設(shè)置CF卡的屬性寄存器。CF卡有4個屬性寄存器，通常只需設(shè)置“配置選擇寄存器”以選擇CF卡的讀寫模式。CF卡的讀寫模式有3種：I／O模式、Memory模式和True IDE模式。本設(shè)計使用16位的Memory模式讀寫CF卡。Memory模式是CF卡默認(rèn)的讀寫模式，所以在CF卡初始化過程中不需要設(shè)置“配置屬性寄存器”。

其次，設(shè)置CF卡的任務(wù)文件寄存器。本設(shè)計中使用的任務(wù)文件寄存器有：數(shù)據(jù)寄存器、扇區(qū)數(shù)寄存器、扇區(qū)號寄存器、低柱面號寄存器、高柱面號寄存器、驅(qū)動器選擇／磁頭寄存器和狀態(tài)／命令寄存器。對它們進(jìn)行設(shè)置，可選擇扇區(qū)尋址方式，設(shè)定每次讀寫的扇區(qū)數(shù)和邏輯尋址地址，并獲取CF卡狀態(tài)以及輸入讀寫命令。

CF卡的尋址方式與計算機(jī)的硬盤操作方式類似。扇區(qū)的尋址方式有兩種：物理尋址方式（CHS）和邏輯尋址方式（LBA）。本設(shè)計使用LBA尋址，對應(yīng)28位LBA地址。磁頭寄存器存放LBA地址的27～24位；柱面號寄存器存放LBA地址的23～8位；扇區(qū)號寄存器存放LBA地址的7～0位。

寫CF卡一個扇區(qū)的流程如圖3所示。每次向CF卡存儲數(shù)據(jù)時，應(yīng)該先獲取上次存儲到的扇區(qū)的LBA地址，從而獲得此次存儲的起始扇區(qū)地址。為了記錄每次存儲到的扇區(qū)的地址，將LBA地址為0的扇區(qū)保留，專用于記錄扇區(qū)地址。在開始一次寫操作之前，應(yīng)該先讀取LBA地址為0的扇區(qū)，獲得上次存儲的LBA地址；然后加1獲得此次寫操作的LBA地址，并向指定的扇區(qū)寫數(shù)據(jù)。

利用QuartuslI作為FPGA開發(fā)平臺，使用VHDL硬件描述語言實現(xiàn)了FPGA與DSP的接口、異步FIFO的存儲以及CF卡的讀寫邏輯。在QuartuslI自帶仿真工具下得到的寫CF卡時序仿真結(jié)果如圖4所示。

3.2 無線通信模塊設(shè)計

3.2.1 藍(lán)牙模塊設(shè)計

藍(lán)牙模塊采用BTM0604C2P。它內(nèi)嵌藍(lán)牙芯片BlueCore4-Ext，兼容藍(lán)牙2.0+EDR規(guī)范，最高支持3 Mbps的數(shù)據(jù)速率，外置天線，有效距離為10 m，具有標(biāo)準(zhǔn)的UART接口。

DSP與藍(lán)牙模塊之間通過HCI協(xié)議層建立連接。HCI（Host Controller Interface，主機(jī)控制器接口）協(xié)議，為DSP提供了一個訪問藍(lán)牙模塊內(nèi)部基帶控制器和鏈路管理器的命令接口，可以獲取藍(lán)牙芯片的配置參數(shù)。

本設(shè)計中，DSP和藍(lán)牙模塊之間采用UART方式進(jìn)行通信。DSP使用的控制信號除了異步串行通信收發(fā)信號SCIRXD和SCITXD外，還有4個控制信號，分別與藍(lán)牙模塊的LNK、CLR、RTS和CTS引腳相連。其中，LNK腳用于指示藍(lán)牙主機(jī)和從機(jī)連接是否建立，地面設(shè)備PC機(jī)為藍(lán)牙主機(jī)，DSP作為藍(lán)牙從機(jī)；CLR腳用于切換藍(lán)牙模塊的工作模式，包括參數(shù)設(shè)置模式和數(shù)據(jù)傳輸模式；RTS和CTS腳為“請求發(fā)送”和“清除發(fā)送”引腳，用于實現(xiàn)DSP和藍(lán)牙模塊之間的對話，使數(shù)據(jù)正常傳輸。

藍(lán)牙模塊的SLEEP引腳，既可以使藍(lán)牙模塊在休眠和喚醒狀態(tài)間切換，也可以用于清除藍(lán)牙模塊內(nèi)嵌芯片記憶的配對主機(jī)地址。這些功能的實現(xiàn)由按鍵控制，通過區(qū)別按鍵的時長加以區(qū)分所需實現(xiàn)的功能。藍(lán)牙模塊的復(fù)位信號RESET輸入低電平脈沖時有效，而且要求脈沖寬度大于5 mS。

3.2.2 紅外模塊設(shè)計

紅外模塊采用HP公司的紅外收發(fā)器芯片HSDL_1001和紅外編解碼器芯片HSDL_7001，二者均遵循IrDA 1.0協(xié)議。紅外信號的收發(fā)使用PWM方案，采用RZI編碼調(diào)制解調(diào)，調(diào)制脈沖寬度為3／16位，調(diào)制頻率為38 kHz。由于硬件接口的限制，嵌入式系統(tǒng)中紅外通信的速率為9 600～115 200 bps。紅外數(shù)據(jù)的傳輸以幀為基本單位，傳輸過程中采用16位的CRC碼進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗。

系統(tǒng)采用Maxim公司的芯片MAX3110作為DSP的SPI接口和HSDL_7001的UART接口之間的轉(zhuǎn)換芯片。MAX3110和HSDL_7001均使用外部無緣晶體振蕩電路供電，所用的晶振大小分別為1.8432 MHz和3.686 4 MHz。需要下載的數(shù)據(jù)，首先經(jīng)過紅外編解碼器編碼，再通過紅外收發(fā)器上集成的發(fā)光二極管以紅外光信號的形式向PC機(jī)發(fā)送。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的功能時序流程如圖5所示。DSP部分程序用C語言編寫，結(jié)合硬件電路對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行處理和控制。主要的中斷應(yīng)用有ARINC429信號采集中斷和紅外通信請求中斷。系統(tǒng)的工作流程以時序控制流程為主線。系統(tǒng)初始化之后，進(jìn)行任務(wù)選擇與執(zhí)行。若特定的I／O口置1，則進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲程序，采集數(shù)據(jù)并存至CF卡；若I／O口置0，則進(jìn)入數(shù)據(jù)下載程序，等待主設(shè)備的連接請求，鑒權(quán)并建立相應(yīng)的連接，讀取CF卡數(shù)據(jù)，并通過無線通信模塊向主設(shè)備發(fā)送。

結(jié) 語

本文根據(jù)某工業(yè)現(xiàn)場電子設(shè)備的特殊應(yīng)用需求，提出了一種基于無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DSP與FPGA協(xié)同控制方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲，利用紅外和藍(lán)牙模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線下載；用紅外和藍(lán)牙代替有線線纜和插拔存儲卡等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)下載方式，操作方便，避免了傳統(tǒng)方式可能造成的機(jī)械故障。此記錄系統(tǒng)滿足了該工業(yè)現(xiàn)場電子設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄需求，能夠?qū)崟r記錄設(shè)備的電氣信號和控制時序，采樣速率大于1 kHz，并且能夠連續(xù)記錄約1 GB的數(shù)據(jù)。本設(shè)計是將無線通信技術(shù)應(yīng)用于該工業(yè)現(xiàn)場電子設(shè)備中的一次嘗試，相關(guān)抗干擾和安全性等問題有待于更深入的研究。