根據(jù)某工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電子設(shè)備數(shù)據(jù)記錄的要求,，設(shè)計(jì)了一種基于近距離無(wú)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(chǔ)和數(shù)據(jù)下載兩大功能組成部分：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分利用DSP和FPGA完成信號(hào)的采集和處理,，并將其存儲(chǔ)到CF卡中;數(shù)據(jù)下載部分利用紅外和藍(lán)牙無(wú)線接口，在DSP的控制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)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(shí)時(shí)記錄飛機(jī),、船舶、汽車(chē)等行進(jìn)過(guò)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(guò)傳輸線纜下載和通過(guò)插拔存儲(chǔ)卡下載,。

　　本文依據(jù)某工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(wú)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(shí)既不需要拆卸設(shè)備連接線纜或插拔存儲(chǔ)卡,，又減少了連線和插拔存儲(chǔ)卡可能導(dǎo)致的接觸故障。

　　1 設(shè)計(jì)需求

　　在某工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電子設(shè)備工作過(guò)程中,，要求記錄系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄設(shè)備的各種電氣信號(hào)及其工作時(shí)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(shí)時(shí)采集記錄的信號(hào)包括2路ARINC429信號(hào),、10路TTL數(shù)字信號(hào)以及16路模擬信號(hào)。采樣頻率應(yīng)大于或等于1 kHz,，記錄時(shí)間為1 h左右,。根據(jù)信號(hào)通道數(shù)量、數(shù)據(jù)采集速率和數(shù)據(jù)記錄時(shí)間,，可估算出記錄系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量應(yīng)大于500 MB,。通常，微處理器內(nèi)部的存儲(chǔ)空間有限,，故需要將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)容量大,、具有非易失性的外部存儲(chǔ)器中。本系統(tǒng)使用Sandisk公司的1 GB工業(yè)級(jí)CF卡作為存儲(chǔ)設(shè)備,。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)采用DSP和FPGA協(xié)同控制的方案,，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。DSP主要完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和控制,，F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)傳輸,，以及與無(wú)線通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸;FPGA則實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(nèi)部具有544字的RAM,、224K字的可尋址存儲(chǔ)空間,、雙10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、28個(gè)獨(dú)立可編程的多路復(fù)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(nèi)部資源可以滿(mǎn)

　　足系統(tǒng)對(duì)TTL信號(hào)和模擬信號(hào)的采集需求，通過(guò)外接ARINC429,、紅外和藍(lán)牙專(zhuān)用接口芯片,，實(shí)現(xiàn)ARINC429數(shù)據(jù)信號(hào)的采集和兩種無(wú)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(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(nèi)部資源很好地滿(mǎn)足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要,。

　　系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)下載兩大功能：

　?、贁?shù)據(jù)存儲(chǔ)。DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)2路ARINC429信號(hào),、16路模擬信號(hào)和10路數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)采集,，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入FPGA的FIFO中。當(dāng)FIFO存儲(chǔ)了一定量數(shù)據(jù)時(shí),，F(xiàn)PGA控制邏輯電路自動(dòng)將FIFO中的數(shù)據(jù)寫(xiě)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(qǐng)求后,，先進(jìn)行鑒權(quán),，鑒權(quán)通過(guò)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(guò)查詢(xún)或中斷方式將FIFO中的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送給地面設(shè)備。

　　3 各功能模塊設(shè)計(jì)

　　3.1 FPGA功能模塊設(shè)計(jì)

　　使用FPGA實(shí)現(xiàn)異步FIFO模塊和CF卡讀寫(xiě)模塊,，是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn),，也是難點(diǎn)。3.1.1異步FIFO模塊

　　數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的實(shí)時(shí)性強(qiáng),、數(shù)據(jù)量大,。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度、避免數(shù)據(jù)堵塞,，利用FPGA硬件設(shè)計(jì)上的靈活性,，在其內(nèi)部構(gòu)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(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^站,。

　　異步FIFO的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,。它包括4個(gè)模塊：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、寫(xiě)地址產(chǎn)生模塊,、讀地址產(chǎn)生模塊和標(biāo)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(hào)有寫(xiě)地址產(chǎn)生模塊生成的寫(xiě)請(qǐng)求和寫(xiě)地址;讀時(shí)鐘同步的信號(hào)有讀地址產(chǎn)生模塊生成的讀請(qǐng)求和讀地址,。寫(xiě)使能和讀使能分別由DSP與FPGA數(shù)據(jù)傳輸控制邏輯和CF卡讀寫(xiě)控制邏輯生成,。標(biāo)志位產(chǎn)生模塊由讀寫(xiě)地址關(guān)系生成FIFO存儲(chǔ)狀態(tài)標(biāo)志，并反饋給主機(jī)DSP,。DSP通過(guò)查詢(xún)?cè)摌?biāo)志來(lái)控制與FPGA的數(shù)據(jù)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?qū)懩K的設(shè)計(jì)具有相似性,。這里僅介紹寫(xiě)CF卡的工作過(guò)程,。

　　首先，設(shè)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(shè)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(shè)計(jì)使用16位的Memory模式讀寫(xiě)CF卡,。Memory模式是CF卡默認(rèn)的讀寫(xiě)模式,，所以在CF卡初始化過(guò)程中不需要設(shè)置“配置屬性寄存器”。

　　其次,，設(shè)置CF卡的任務(wù)文件寄存器,。本設(shè)計(jì)中使用的任務(wù)文件寄存器有：數(shù)據(jù)寄存器、扇區(qū)數(shù)寄存器,、扇區(qū)號(hào)寄存器,、低柱面號(hào)寄存器、高柱面號(hào)寄存器,、驅(qū)動(dòng)器選擇/磁頭寄存器和狀態(tài)/命令寄存器,。對(duì)它們進(jìn)行沒(méi)置，可選擇扇區(qū)尋址方式,，設(shè)定每次讀寫(xiě)的扇區(qū)數(shù)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(jì)算機(jī)的硬盤(pán)操作方式類(lèi)似,。扇區(qū)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(shè)計(jì)使用LBA尋址，對(duì)應(yīng)28位LBA地址。

　　磁頭寄存器存放LBA地址的27～24位;柱面號(hào)寄存器存放LBA地址的23～8位;扇區(qū)號(hào)寄存器存放LBA地址的7～0位,。

　　寫(xiě)CF卡一個(gè)扇區(qū)的流程如圖3所示,。每次向CF卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該先獲取上次存儲(chǔ)到的扇區(qū)的LBA地址,，從而獲得此次存儲(chǔ)的起始扇區(qū)地址,。為了記錄每次存儲(chǔ)到的扇區(qū)的地址，將LBA地址為0的扇區(qū)保留,，專(zhuān)用于記錄扇區(qū)地址,。在開(kāi)始一次寫(xiě)操作之前，應(yīng)該先讀取LBA地址為O的扇區(qū),，獲得上次存儲(chǔ)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(qū)寫(xiě)數(shù)據(jù)。

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

 3.2 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

　　3.2.1 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

　　藍(lán)牙模塊采用BTM0604C2P,。它內(nèi)嵌藍(lán)牙芯片BlueCore4-Ext，兼容藍(lán)牙2.0+EDR規(guī)范,，最高支持3 Mbps的數(shù)據(jù)速率,，外置天線，有效距離為10 m,，具有標(biāo)準(zhǔn)的UART接口,。

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

　　本設(shè)計(jì)中,，DSP和藍(lán)牙模塊之間采用UART方式進(jìn)行通信。DSP使用的控制信號(hào)除了異步串行通信收發(fā)信號(hào)SCIRXD和SCITXD外,，還有4個(gè)控制信號(hào),，分別與藍(lán)牙模塊的LNK、CLR,、RTS和CTS引腳相連,。其中，LNK腳用于指示藍(lán)牙主機(jī)和從機(jī)連接是否建立,，地面設(shè)備PC機(jī)為藍(lán)牙主機(jī),，DSP作為藍(lán)牙從機(jī);CLR腳用于切換藍(lán)牙模塊的工作模式,，包括參數(shù)設(shè)置模式和數(shù)據(jù)傳輸模式;RTS和CTS腳為“請(qǐng)求發(fā)送”和“清除發(fā)送”引腳，用于實(shí)現(xiàn)DSP和藍(lán)牙模塊之間的對(duì)話(huà),，使數(shù)據(jù)正常傳輸,。

　　藍(lán)牙模塊的SLEEP引腳，既可以使藍(lán)牙模塊在休眠和喚醒狀態(tài)間切換,，也可以用于清除藍(lán)牙模塊內(nèi)嵌芯片記憶的配對(duì)主機(jī)地址,。這些功能的實(shí)現(xiàn)由按鍵控制，通過(guò)區(qū)別按鍵的時(shí)長(zhǎng)加以區(qū)分所需實(shí)現(xiàn)的功能,。藍(lán)牙模塊的復(fù)位信號(hào)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(shè)計(jì)

　　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.O協(xié)議,。紅外信號(hào)的收發(fā)使用PWM方案，采用RZI編碼調(diào)制解調(diào),，調(diào)制脈沖寬度為3/16位,，調(diào)制頻率為38 kHz。由于硬件接口的限制,，嵌入式系統(tǒng)中紅外通信的速率為9 600～ll5200 bps,。紅外數(shù)據(jù)的傳輸以幀為基本單位，傳輸過(guò)程中采用1 6位的CRC碼進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn),。

　　系統(tǒng)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(zhuǎn)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1.843 2 MHz和3.686 4 MHz,。需要下載的數(shù)據(jù),，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(hào)的形式向PC機(jī)發(fā)送,。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)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(jié)合硬件電路對(duì)數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行處理和控制。主要的中斷應(yīng)用有

　　ARlNC429信號(hào)采集中斷和紅外通信請(qǐng)求中斷,。系統(tǒng)的工作流程以時(shí)序控制流程為主線,。系統(tǒng)初始化之后，進(jìn)行任務(wù)選擇與執(zhí)行,。若特定的I/O口置1,，則進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序，采集數(shù)據(jù)并存至CF卡;若I/O口置O,，則進(jìn)入數(shù)據(jù)下載程序,，等待主設(shè)備的連接請(qǐng)求，鑒權(quán)并建立相應(yīng)的連接，讀取CF卡數(shù)據(jù),，并通過(guò)無(wú)線通信模塊向主設(shè)備發(fā)送,。

　　結(jié)語(yǔ)

　　該系統(tǒng)利用DSP與FPGA協(xié)同控制方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，利用紅外和藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線下載;用紅外和藍(lán)牙代替有線線纜和插拔存儲(chǔ)卡等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)下載方式,，操作方便,，避免了傳統(tǒng)方式可能造成的機(jī)械故障。