基于無線通信技術的數據記錄系統

根據某工業現場電子設備數據記錄的要求，設計了一種基于近距離無線通信的嵌入式數據記錄系統。該系統分為數據存儲和數據下載兩大功能組成部分：數據存儲部分利用DSP和FPGA完成信號的采集和處理，并將其存儲到CF卡中;數據下載部分利用紅外和藍牙無線接口，在DSP的控制下實現數據的無線下載。

　　引言

　　“黑匣子”是比較流行的電子記錄設備之一，廣泛應用于實時記錄飛機、船舶、汽車等行進過程中的重要數據。記錄儀的數據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。

　　本文依據某工業現場電子設備數據記錄的需求，提出了一種基于近距離無線通信的數據記錄設備。該設備以紅外或藍牙方式下載數據，與傳統的數據下載方式相比，下載數據時既不需要拆卸設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致的接觸故障。

　　1 設計需求

　　在某工業現場電子設備工作過程中，要求記錄系統能夠實時記錄設備的各種電氣信號及其工作時序，用于事后設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數字信號以及16路模擬信號。采樣頻率應大于或等于1 kHz，記錄時間為1 h左右。根據信號通道數量、數據采集速率和數據記錄時間，可估算出記錄系統的存儲容量應大于500 MB。通常，微處理器內部的存儲空間有限，故需要將采集到的數據存儲到存儲容量大、具有非易失性的外部存儲器中。本系統使用Sandisk公司的1 GB工業級CF卡作為存儲設備。

　　2 系統總體設計方案

　　系統采用DSP和FPGA協同控制的方案，總體設計方案如圖1所示。DSP主要完成數據的實時采集和控制，FPGA的數據傳輸，以及與無線通信模塊的數據傳輸;FPGA則實現數據緩存和讀寫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，內部具有544字的RAM、224K字的可尋址存儲空間、雙10位模/數轉換器、28個獨立可編程的多路復用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)。其內部資源可以滿

　　足系統對TTL信號和模擬信號的采集需求，通過外接ARINC429、紅外和藍牙專用接口芯片，實現ARINC429數據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卡間數據傳輸。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豐富的內部資源很好地滿足了系統設計的需要。

　　系統主要包括數據存儲和數據下載兩大功能：

　　①數據存儲。DSP實現對2路ARINC429信號、16路模擬信號和10路數字信號的實時采集，并將數據實時存入FPGA的FIFO中。當FIFO存儲了一定量數據時，FPGA控制邏輯電路自動將FIFO中的數據寫入CF卡中。

　　②數據下載。首先，DSP將系統的藍牙和紅外模塊設置為從設備。當接收到工作人員所持的帶有藍牙或紅外接口的地面設備發出的連接請求后，先進行鑒權，鑒權通過后與其建立連接。然后，FPGA控制邏輯電路讀出CF卡中數據并存人FIFO，DSP通過查詢或中斷方式將FIFO中的數據通過無線通信模塊發送給地面設備。

　　3 各功能模塊設計

　　3.1 FPGA功能模塊設計

　　使用FPGA實現異步FIFO模塊和CF卡讀寫模塊，是本設計的重點，也是難點。