基于OMAP-L138的便攜式設備狀態(tài)監測與診斷儀設計

工業(yè)設備的狀態(tài)監測和故障診斷，有效地保證了設備的平穩運行，并在設備預知維修中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。為了滿(mǎn)足石化企業(yè)對于狀態(tài)監測和故障診斷的需求，設計了一款便攜式綜合性設備狀態(tài)監測與診斷儀器。TI公司推出的OMAPL138雙核處理器，具備強大的復雜數據處理能力和可靠的實(shí)時(shí)性，可以實(shí)現高性能雙通道數據采集器和信號分析，現場(chǎng)顯示FFT頻譜圖、軸心軌跡等功能。
OMAPL138處理器綜合了DSP和ARM兩個(gè)處理器各自在實(shí)時(shí)性和計算精度上的優(yōu)勢。DSP進(jìn)行信號處理任務(wù)，ARM可以運行嵌入式操作系統及圖形界面，完成波形顯示、存儲及外圍器件的控制。DSP與ARM間的數據通信由DSP/BIOS橋來(lái)實(shí)現。
1 硬件設計
1.1 處理器及其外設電路設計
　OMAPL138芯片采用C6748內核和ARM926EJ-S核，兩個(gè)處理器主頻最高支持到456 MHz。C6748是一個(gè)定點(diǎn)浮點(diǎn)數字信號處理器核，它相對TMS320C6000器件功耗顯著(zhù)降低，并可實(shí)現代碼兼容。ARM926EJ-S是一個(gè)32 bit精簡(jiǎn)指令集的處理器核，可以執行32 bit、16 bit指令集，處理32 bit、16 bit、8 bit數據。ARM核有一個(gè)協(xié)處理器CP15，以及8 KB的RAM、64 KB的ROM。接口支持1個(gè)10/100 M以太網(wǎng)接口，DDR2內存控制器，1個(gè)EMIFA接口，2套I2C與SPI接口，以及2套McBSP接口等[1]。OMAPL138的硬件連接圖如圖1所示。

OMAPL138使用EMIFA接口控制Flash的操作，使用GPCM 16 bit操作模式。FLASH選用SPANSION公司的一款容量為32 MB的芯片，用于存儲BOOT內容和應用程序。此外，OMPAL138的數據地址線(xiàn)順序采用SMALL_EIDEN模式，地址線(xiàn)和數據線(xiàn)的連接要注意最高有效位與最低有效位的順序與PowerPC等系列的處理器不一致。
　OMAPL138支持mDDR和DDR2兩種制式，本設計選用DDR2 SDRAM作為芯片的內存。DDR2 SDRAM采用1片DDR2芯片MT47H64M16HR來(lái)實(shí)現，單片芯片的容量是128 MB，位寬16 bit，內部分為8個(gè)BANK。只需要配置SDCR、SDRCR、SDTIMR1、SDTIMR2這4個(gè)寄存器即可實(shí)現對DDR2的配置。OMAPL138的DDR2控制器最高速率支持150 MHz。
　OMAPL138通過(guò)I2C接口連接一片E2PROM,型號為AT24C32CN，有 4 096×8 bit的存儲空間，用于存儲傳感器標定參數和版本信息等。
　此外OMAPL138通過(guò)MII接口連接網(wǎng)線(xiàn)與PC機之間的通信，還可以通過(guò)UART接口方便地與上位機進(jìn)行驅動(dòng)程序的調試，打印調試信息。
1.2 數據采集電路設計
系統數據采集部分由兩路高速AD、大容量緩沖器FIFO和FPGA組成。FPGA負責高速數據采集邏輯控制、緩存FIFO邏輯控制[2]。采集得到的信號傳到OMAP中的DSP核，然后進(jìn)行信號處理、完成算法，最后送給ARM核進(jìn)行波形顯示等功能。數據采集模塊架構如圖2所示。

2 軟件設計
　設備狀態(tài)監測與診斷儀的軟件設計包括：引導程序的設計、操作系統內核裁剪和移植、定制文件系統以及應用程序及界面的開(kāi)發(fā)。OMAP中DSP核運行DSP/BIOS實(shí)時(shí)系統，ARM核運行Windows CE系統。DSP/Link為處理器提供雙核通信架構。在DSP端，DSP/Link作為DSP/BIOS的一個(gè)驅動(dòng)而存在。在A(yíng)RM端，DSP/Link作為一個(gè)外設而存在，并通過(guò)應用層的函數庫訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)設備來(lái)進(jìn)行操作。
2.1操作系統搭建與移植
板級支持包（BSP）是介于主板硬件和操作系統之間的一層，主要目的是支持操作系統，使之能夠更好地運行于硬件主板。一個(gè)典型的Windows CE板級支持包包括引導裝載程序Boot loader、OEM適配層(OAL)，設備驅動(dòng)以及系統鏡像的配置文件四個(gè)組成部分。應用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Platform Build根據特定的BSP，可以生成針對不同硬件的特定操作系統鏡像。對嵌入式操作系統Windows CE進(jìn)行剪裁，結合板級支持包編譯生成可在硬件上運行的操作系統，達到Windows CE對硬件系統移植的目的。通過(guò)對Windows CE部分代碼的修改，實(shí)現系統需求的新軟件特性的擴展。
設備驅動(dòng)的設計和開(kāi)發(fā),包括數據采集系統的驅動(dòng)、紅外測溫模塊、面板功能鍵盤(pán)模塊及電源管理模塊等設備的驅動(dòng)；并且面向系統和應用程序提供友好而靈活的接口，方便上層調用。
2.2 數據采集功能模塊設計
　數據采集模塊是設備狀態(tài)監測與診斷儀的核心部分，其驅動(dòng)的高效性和穩定性是影響整個(gè)系統的關(guān)鍵因素。其基本工作流程如圖3所示。

在啟動(dòng)數據采集之前，可以先對采樣點(diǎn)數、采樣頻率以及單/雙通道采集等進(jìn)行設置。在采集過(guò)程中，當A/D轉換器完成一個(gè)周期的轉換后，會(huì )給FPGA發(fā)出一個(gè)中斷，FPGA對FIFO發(fā)出寫(xiě)信號并將轉換完成后的數據寫(xiě)入FIFO。當FIFO達到半滿(mǎn)時(shí),其半滿(mǎn)標志位會(huì )發(fā)出中斷信號，FPGA接收到該信號后,控制OMAP對FIFO執行讀操作。非觸發(fā)采集方式和觸發(fā)采集方式不同之處是:在非觸發(fā)采集方式下，A/D的啟動(dòng)、停止信號由OMAP提供，當需要轉換時(shí)，OMAP發(fā)出啟動(dòng)轉換信號，啟動(dòng)AD轉換，停止亦然;在觸發(fā)采集方式下，采集啟動(dòng)、停止信號由鍵相信號來(lái)提供。
以OMAPL138為處理器平臺的便攜式設備狀態(tài)監測與診斷儀，滿(mǎn)足了手持儀器低功耗高性能的要求。ARM核與DSP核的協(xié)同工作，既滿(mǎn)足了高速數字信號處理的要求，完成復雜的故障診斷算法，又具備強大的外設管理及控制能力，同時(shí)Window CE還為用戶(hù)提供了豐富友好的操作界面，以滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。
參考文獻
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[2] 任雷，林巖,張干沫陽(yáng). 基于CPLD的OMAP-L137與 ADS1178數據通信設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2009，8：26-28.
[3] 武昱. 嵌入式數據采集系統的研究與開(kāi)發(fā)[D]. 北京：北京化工大學(xué)，2008.

　通過(guò)壓電式加速度傳感器采集得到的振動(dòng)信號，首先通過(guò)信號調理放大電路，之后再經(jīng)過(guò)二階巴特沃斯帶通濾波器，可以由AD采集得到純凈的加速度信號。加速度信號經(jīng)過(guò)一級積分電路可得到速度信號，再經(jīng)過(guò)一級積分電路可得到位移信號。
　在旋轉機械狀態(tài)檢測和診斷中，鍵相信號占有重要的位置。通過(guò)電渦流傳感器產(chǎn)生的鍵相信號一般為-10 V左右的負脈沖，經(jīng)過(guò)隔直、反相、遲滯比較之后變成3.3 V的窄脈沖，送給FPGA作為觸發(fā)采集的觸發(fā)信號。
　FPGA選用Altera公司的Cyclone系列,通過(guò)OMAP上的UPP（Universal Parallel Port）接口相連接，將高速數據信號傳輸到OMAP的DSP核。FPGA接受鍵相電路的觸發(fā)作為數據采集的相位零點(diǎn)，同時(shí)控制單路或兩路AD同時(shí)對調理后的振動(dòng)信號進(jìn)行采集，采集得到的數值先緩存到FIFO中，然后再通過(guò)FPGA傳送到OMAP中。
　在OMAP的DSP核中，可以將采集得到的振動(dòng)波形進(jìn)行數字信號處理，完成傅里葉變換、軸心軌跡、動(dòng)平衡等算法。最終通過(guò)DSP/BIOS橋將處理結果傳送給ARM核，在應用程序中顯示出時(shí)域圖、頻譜圖和軸心軌跡圖等。