近距離無(wú)線(xiàn)通信的嵌入式數據記錄設備設計

“黑匣子”是比較流行的電子記錄設備之一，廣泛應用于實(shí)時(shí)記錄飛機、船舶、汽車(chē)等行進(jìn)過(guò)程中的重要數據，包括速度、方向、高度、偏轉角、發(fā)動(dòng)機的轉速和溫度等。通過(guò)這些數據可以了解其運行過(guò)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。在工業(yè)領(lǐng)域，常見(jiàn)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(shí)時(shí)監測，從而保證了有效生產(chǎn)和安全生產(chǎn)。

記錄儀的數據下載方式通常有兩種：通過(guò)傳輸線(xiàn)纜下載和通過(guò)插拔存儲卡下載。前者需要連接線(xiàn)纜，后者需要插拔存儲卡，兩者均需要結構方面的拆卸。但在某些應用環(huán)境中，記錄儀不便于拆卸，特別是在一些輻射性強的工業(yè)現場(chǎng)，更不適于長(cháng)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的可靠性。

本文依據某工業(yè)現場(chǎng)電子設備數據記錄的需求，提出了一種基于近距離無(wú)線(xiàn)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(shí)既不需要拆卸設備連接線(xiàn)纜或插拔存儲卡，又減少了連線(xiàn)和插拔存儲卡可能導致的接觸故障。

1 設計需求

在某工業(yè)現場(chǎng)電子設備工作過(guò)程中，要求記錄系統能夠實(shí)時(shí)記錄設備的各種電氣信號及其工作時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(yè)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(xié)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(shí)時(shí)采集和控制，FPGA的數據傳輸，以及與無(wú)線(xiàn)通信模塊的數據傳輸；FPGA則實(shí)現數據緩存和讀寫(xiě)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(gè)獨立可編程的多路復用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)。其內部資源可以滿(mǎn)足系統對TTL信號和模擬信號的采集需求，通過(guò)外接ARINC429、紅外和藍牙專(zhuān)用接口芯片，實(shí)現ARINC429數據信號的采集和兩種無(wú)線(xiàn)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EP2C20Q240C8。它具有142個(gè)用戶(hù)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豐富的內部資源很好地滿(mǎn)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(shí)現對2路ARINC429信號、16路模擬信號和10路數字信號的實(shí)時(shí)采集，并將數據實(shí)時(shí)存入FPGA的FIFO中。當FIFO存儲了一定量數據時(shí)，FPGA控制邏輯電路自動(dòng)將FIFO中的數據寫(xiě)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(fā)出的連接請求后，先進(jìn)行鑒權，鑒權通過(guò)后與其建立連接。然后，FPGA控制邏輯電路讀出CF卡中數據并存入FIFO，DSP通過(guò)查詢(xún)或中斷方式將FIFO中的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)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(shí)現異步FIFO模塊和CF卡讀寫(xiě)模塊，是本設計的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

3.1.1 異步FIFO模塊

數據記錄設備的實(shí)時(shí)性強、數據量大。為了提高數據傳輸速度、避免數據堵塞，利用FPGA硬件設計上的靈活性，在其內部構建了一個(gè)寬度為16位、深度為512的異步FIFO模塊，作為DSP與CF卡之間數據傳輸的中繼站。

異步FIFO的結構圖如圖2所示。它包括4個(gè)模塊：數據存儲模塊、寫(xiě)地址產(chǎn)生模塊、讀地址產(chǎn)生模塊和標志位產(chǎn)生模塊。FIFO的讀寫(xiě)采用讀時(shí)鐘和寫(xiě)時(shí)鐘兩個(gè)時(shí)鐘。寫(xiě)時(shí)鐘同步的信號有寫(xiě)地址產(chǎn)生模塊生成的寫(xiě)請求和寫(xiě)地址；讀時(shí)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(xiě)使能和讀使能分別由DSP與FPGA數據傳輸控制邏輯和cF卡讀寫(xiě)控制邏輯生成。標志位產(chǎn)生模塊由讀寫(xiě)地址關(guān)系生成FIFO存儲狀態(tài)標志，并反饋給主機DSP。DSP通過(guò)查詢(xún)該標志來(lái)控制與FPGA的數據傳輸。

3.1.2 CF卡讀寫(xiě)模塊

CF卡讀寫(xiě)模塊分為CF卡讀控制模塊和CF卡寫(xiě)控制模塊。CF卡讀或寫(xiě)模塊的設計具有相似性。這里僅介紹寫(xiě)CF卡的工作過(guò)程。

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

其次，設置CF卡的任務(wù)文件寄存器。本設計中使用的任務(wù)文件寄存器有：數據寄存器、扇區數寄存器、扇區號寄存器、低柱面號寄存器、高柱面號寄存器、驅動(dòng)器選擇／磁頭寄存器和狀態(tài)／命令寄存器。對它們進(jìn)行設置，可選擇扇區尋址方式，設定每次讀寫(xiě)的扇區數和邏輯尋址地址，并獲取CF卡狀態(tài)以及輸入讀寫(xiě)命令。

CF卡的尋址方式與計算機的硬盤(pán)操作方式類(lèi)似。扇區的尋址方式有兩種：物理尋址方式(CHS)和邏輯尋址方式(LBA)。本設計使用LBA尋址，對應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；扇區號寄存器存放LBA地址的7～0位。

寫(xiě)CF卡一個(gè)扇區的流程如圖3所示。每次向CF卡存儲數據時(shí)，應該先獲取上次存儲到的扇區的LBA地址，從而獲得此次存儲的起始扇區地址。為了記錄每次存儲到的扇區的地址，將LBA地址為0的扇區保留，專(zhuān)用于記錄扇區地址。在開(kāi)始一次寫(xiě)操作之前，應該先讀取LBA地址為0的扇區，獲得上次存儲的LBA地址；然后加1獲得此次寫(xiě)操作的LBA地址，并向指定的扇區寫(xiě)數據。

利用QuartuslI作為FPGA開(kāi)發(fā)平臺，使用VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現了FPGA與DSP的接口、異步FIFO的存儲以及CF卡的讀寫(xiě)邏輯。在QuartuslI自帶仿真工具下得到的寫(xiě)CF卡時(shí)序仿真結果如圖4所示。

3.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊設計

3.2.1 藍牙模塊設計

藍牙模塊采用BTM0*C2P。它內嵌藍牙芯片BlueCore4-Ext，兼容藍牙2.0+EDR規范，最高支持3 Mbps的數據速率，外置天線(xiàn)，有效距離為10 m，具有標準的UART接口。

DSP與藍牙模塊之間通過(guò)HCI協(xié)議層建立連接。HCI(Host Controller Interface，主機控制器接口)協(xié)議，為DSP提供了一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)藍牙模塊內部基帶控制器和鏈路管理器的命令接口，可以獲取藍牙芯片的配置參數。

本設計中，DSP和藍牙模塊之間采用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(gè)控制信號，分別與藍牙模塊的LNK、CLR、RTS和CTS引腳相連。其中，LNK腳用于指示藍牙主機和從機連接是否建立，地面設備PC機為藍牙主機，DSP作為藍牙從機；CLR腳用于切換藍牙模塊的工作模式，包括參數設置模式和數據傳輸模式；RTS和CTS腳為“請求發(fā)送”和“清除發(fā)送”引腳，用于實(shí)現DSP和藍牙模塊之間的對話(huà)，使數據正常傳輸。

藍牙模塊的SLEEP引腳，既可以使藍牙模塊在休眠和喚醒狀態(tài)間切換，也可以用于清除藍牙模塊內嵌芯片記憶的配對主機地址。這些功能的實(shí)現由按鍵控制，通過(guò)區別按鍵的時(shí)長(cháng)加以區分所需實(shí)現的功能。藍牙模塊的復位信號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編碼調制解調，調制脈沖寬度為3／16位，調制頻率為38 kHz。由于硬件接口的限制，嵌入式系統中紅外通信的速率為9 600～115 200 bps。紅外數據的傳輸以幀為基本單位，傳輸過(guò)程中采用16位的CRC碼進(jìn)行數據校驗。

系統采用Maxim公司的芯片MAX3110作為DSP的SPI接口和HSDL_7001的UART接口之間的轉換芯片。MAX3110和HSDL_7001均使用外部無(wú)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。需要下載的數據，首先經(jīng)過(guò)紅外編解碼器編碼，再通過(guò)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機發(fā)送。

4 系統軟件設計

系統的功能時(shí)序流程如圖5所示。DSP部分程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，結合硬件電路對數據采集、數據傳輸進(jìn)行處理和控制。主要的中斷應用有ARINC429信號采集中斷和紅外通信請求中斷。系統的工作流程以時(shí)序控制流程為主線(xiàn)。系統初始化之后，進(jìn)行任務(wù)選擇與執行。若特定的I／O口置1，則進(jìn)入數據存儲程序，采集數據并存至CF卡；若I／O口置0，則進(jìn)入數據下載程序，等待主設備的連接請求，鑒權并建立相應的連接，讀取CF卡數據，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊向主設備發(fā)送。

結 語(yǔ)

本文根據某工業(yè)現場(chǎng)電子設備的特殊應用需求，提出了一種基于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的數據記錄系統。該系統利用DSP與FPGA協(xié)同控制方式實(shí)現數據的采集和存儲，利用紅外和藍牙模塊實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)下載；用紅外和藍牙代替有線(xiàn)線(xiàn)纜和插拔存儲卡等傳統數據下載方式，操作方便，避免了傳統方式可能造成的機械故障。此記錄系統滿(mǎn)足了該工業(yè)現場(chǎng)電子設備的數據記錄需求，能夠實(shí)時(shí)記錄設備的電氣信號和控制時(shí)序，采樣速率大于1 kHz，并且能夠連續記錄約1 GB的數據。本設計是將無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應用于該工業(yè)現場(chǎng)電子設備中的一次嘗試，相關(guān)抗干擾和安全性等問(wèn)題有待于更深入的研究。