基于DSP／BIOS的數據采集系統研制

摘要：針對多模式、高速、大數量采集及網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)上傳的要求，設計專(zhuān)用數據采集系統。硬件上以DM642作為主控CPU，軟件上利用其內嵌的DSP／BIOS操作系統調度網(wǎng)絡(luò )控制任務(wù)、數據采集任務(wù)、周期觸發(fā)線(xiàn)程以及硬件中斷，并利用網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)工具包NDK實(shí)現TCP／IP協(xié)議，完成網(wǎng)絡(luò )控制和通信。構建可靠的數據傳輸機制，保證底層高速采集的大數據量快速可靠的上傳。最后，用VC開(kāi)發(fā)上位機程序，實(shí)現數據處理、顯示和故障診斷。實(shí)際應用表明該系統運行穩定，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)采集的要求。
關(guān)鍵詞：DSP／BIOS；DM642；多線(xiàn)程；NDK；數據采集

隨著(zhù)嵌入式系統復雜性、實(shí)時(shí)性的不斷提高，采用單任務(wù)順序和循環(huán)結構的傳統軟件構架已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，基于操作系統的多線(xiàn)程設計得到越來(lái)越多的應用。課題中，為了實(shí)時(shí)監測某型號導彈的整個(gè)測試過(guò)程，記錄偶爾出現的故障信息并判斷問(wèn)題原因，設計以數據采集系統為核心的在線(xiàn)監測設備。傳統的數據采集系統軟件結構實(shí)時(shí)性差、資源利用率低，很難滿(mǎn)足高速、大數據量采集并需要實(shí)時(shí)上傳的應用場(chǎng)合。而課題中的數據采集系統需要采集現場(chǎng)多個(gè)類(lèi)型、多個(gè)通道的數據，采集數據需通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)傳輸給上位機，因此，采用DSP／BIOS實(shí)時(shí)操作系統提供的多任務(wù)機制并結合TI提供的NDK網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)工具包來(lái)設計研制數據采集系統。

1 DSP／BIOS及NDK簡(jiǎn)介
DSP／BIOS是TI公司為C28x，C5000和C6000系列DSP開(kāi)發(fā)的可裁剪實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，同時(shí)也是CCS提供的一套多任務(wù)開(kāi)發(fā)、硬件抽象、實(shí)時(shí)分析和系統配置的專(zhuān)用工具。DSP／BIOS以其功能豐富的APIs綜合管理系統內存，實(shí)現任務(wù)分配和調度，實(shí)時(shí)監測分析系統運行，并提供方便的數據通信接口和外設驅動(dòng)開(kāi)發(fā)工具。DSP／BIOS的運用大大降低了DSP軟件開(kāi)發(fā)難度，提高了調試效率，非常適合結構復雜、實(shí)時(shí)性強和運行效率高的應用開(kāi)發(fā)。NDK是TI專(zhuān)門(mén)為網(wǎng)絡(luò )應用開(kāi)發(fā)提供的網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)工具包，利用其TCP／IP協(xié)議棧開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )應用具有成本低、開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )性能由套接字類(lèi)型、套接字緩沖區、CPU速度和CPU緩沖等幾方面決定。

2 數據采集系統總體設計
數據采集系統可工作在兩種模式下：模式一，采集數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)上傳；模式二，采集數據先存入CF卡，監測結束后一并上傳。硬件上采用DM642+FPGA的主控方案，在DSP中運行DSP／BIOS操作系統來(lái)綜合管理外設資源，分配調度硬件中斷HWI、周期性觸發(fā)線(xiàn)程PRD、數據采集任務(wù)和網(wǎng)絡(luò )控制傳輸任務(wù)，從而實(shí)現對A／D采集、串口通信、數據存儲和網(wǎng)絡(luò )收發(fā)的控制。根據功能劃分，數據采集系統可以分為A／D采集單元、RS 422通信單元、CF卡存儲單元和網(wǎng)絡(luò )控制收發(fā)單元。硬件總體框圖如圖1所示。

2．1 A／D采集單元設計
A／D采集單元分為高速采集和低速采集2個(gè)通道。高速采集通道選用12位的AD7356，單片并行雙通道，最高采樣率5 MSa／s，串行輸出，通過(guò)5片AD7356的組合可并行或循環(huán)采集10路差分輸入信號。低速采集通道選用12位的AD7658，單片并行6通道，最高采樣率250KSa／s，2片AD7658采用菊花鏈的級聯(lián)方式可同時(shí)采集12路差分或單端輸入信號。A／D控制信號和轉換數據通過(guò)磁耦隔離芯片IL716實(shí)現后端隔離。
2．2 其他功能單元設計
RS 422串口通信單元采用MAX485實(shí)現，1路發(fā)送5路接收，發(fā)送通道用于產(chǎn)生設備自檢信號。數據存儲單元選用大容量、掉電不丟失的CF卡，并開(kāi)發(fā)支持IDE模式下UDMA傳輸的主控IP核，由FPGA獨立控制。網(wǎng)路控制收發(fā)單元采用DM642自帶的以太網(wǎng)接口并結合TI提供的TCP／IP協(xié)議棧實(shí)現。