基于無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)

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

　　引言

　　“黑匣子”是比較流行的電子記錄設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于實時記錄飛機(jī)、船舶、汽車等行進(jìn)過程中的重要數(shù)據(jù)。記錄儀的數(shù)據(jù)下載方式通常有兩種：通過傳輸線纜下載和通過插拔存儲卡下載。

　　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(yùn)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：

　?、贁?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)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。