近距離無線通信的嵌入式數(shù)據(jù)記錄設(shè)備設(shè)計(jì)

“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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和溫度等。通過這些數(shù)據(jù)可以了解其運(yùn)行過程中的情況，同時(shí)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(duì)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)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(chǔ)卡下載。前者需要連接線纜，后者需要插拔存儲(chǔ)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(shí)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(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)場電子設(shè)備工作過程中，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)部資源可以滿足系統(tǒng)對(duì)TTL信號(hào)和模擬信號(hào)的采集需求，通過外接ARINC429、紅外和藍(lán)牙專用接口芯片，實(shí)現(xiàn)ARINC429數(shù)據(jù)信號(hào)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(gè)用戶可使用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：

①數(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(qǐng)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(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卡讀寫模塊，是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

3.1.1  異步FIFO模塊

數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的實(shí)時(shí)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(jì)上的靈活性，在其內(nèi)部構(gòu)建了一個(gè)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(gè)模塊：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)鐘和寫時(shí)鐘兩個(gè)時(shí)鐘。寫時(shí)鐘同步的信號(hào)有寫地址產(chǎn)生模塊生成的寫請(qǐng)求和寫地址；讀時(shí)鐘同步的信號(hào)有讀地址產(chǎn)生模塊生成的讀請(qǐng)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(chǔ)狀態(tài)標(biāo)志，并反饋給主機(jī)DSP。DSP通過查詢?cè)摌?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(jì)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(gè)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(jì)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(jì)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(hào)寄存器、低柱面號(hào)寄存器、高柱面號(hào)寄存器、驅(qū)動(dòng)器選擇／磁頭寄存器和狀態(tài)／命令寄存器。對(duì)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(jì)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(jì)使用LBA尋址，對(duì)應(yīng)28位LBA地址。磁頭寄存器存放LBA地址的27～24位；柱面號(hào)寄存器存放LBA地址的23～8位；扇區(qū)號(hào)寄存器存放LBA地址的7～0位。

寫CF卡一個(gè)扇區(qū)的流程如圖3所示。每次向CF卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該先獲取上次存儲(chǔ)到的扇區(qū)的LBA地址，從而獲得此次存儲(chǔ)的起始扇區(qū)地址。為了記錄每次存儲(chǔ)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(chǔ)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(tái)，使用VHDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了FPGA與DSP的接口、異步FIFO的存儲(chǔ)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(shí)序仿真結(jié)果如圖4所示。

3.2  無線通信模塊設(shè)計(jì)

3.2.1   藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊采用BTM0*C2P。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(gè)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(jì)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(hào)除了異步串行通信收發(fā)信號(hào)SCIRXD和SCITXD外，還有4個(gè)控制信號(hào)，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(qǐng)求發(fā)送”和“清除發(fā)送”引腳，用于實(shí)現(xiàn)DSP和藍(lán)牙模塊之間的對(duì)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(duì)主機(jī)地址。這些功能的實(shí)現(xiàn)由按鍵控制，通過區(qū)別按鍵的時(shí)長加以區(qū)分所需實(shí)現(xiàn)的功能。藍(lán)牙模塊的復(fù)位信號(hào)RESET輸入低電平脈沖時(shí)有效，而且要求脈沖寬度大于5 mS。

3.2.2  紅外模塊設(shè)計(jì)

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(hào)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(yàn)。

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3.68* 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(hào)的形式向PC機(jī)發(fā)送。

4  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能時(shí)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(duì)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(hào)采集中斷和紅外通信請(qǐng)求中斷。系統(tǒng)的工作流程以時(shí)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(chǔ)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(qǐng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，利用紅外和藍(lán)牙模塊實(shí)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(chǔ)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(shí)記錄設(shè)備的電氣信號(hào)和控制時(shí)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(jì)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。