當(dāng)前位置:首頁 > 電源 > 數(shù)字電源
[導(dǎo)讀]摘要:根據(jù)某工業(yè)現(xiàn)場電子設(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C

摘要:根據(jù)某工業(yè)現(xiàn)場電子設(shè)備數(shù)據(jù)記錄的要求,設(shè)計(jì)了一種基于近距離無線通信嵌入式數(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)牙無線接口,在DSP的控制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線下載。
關(guān)鍵詞:DSP;FPGA;藍(lán)牙;紅外通信;CF卡

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、汽車等行進(jìn)過程中的重要數(shù)據(jù),包括速度、方向、高度、偏轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和溫度等。通過這些數(shù)據(jù)可以了解其運(yùn)行過程中的情況,同時(shí)也是故障檢測、分析事故原因的重要依據(jù)。在工業(yè)領(lǐng)域,常見的記錄儀有壓力記錄儀、溫度記錄儀、濕度記錄儀等,用于對(duì)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,從而保證了有效生產(chǎn)和安全生產(chǎn)。
    記錄儀的數(shù)據(jù)下載方式通常有兩種:通過傳輸線纜下載和通過插拔存儲(chǔ)卡下載。前者需要連接線纜,后者需要插拔存儲(chǔ)卡,兩者均需要結(jié)構(gòu)方面的拆卸。但在某些應(yīng)用環(huán)境中,記錄儀不便于拆卸,特別是在一些輻射性強(qiáng)的工業(yè)現(xiàn)場,更不適于長時(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(tǒng)的可靠性。
    本文依據(jù)某工業(yè)現(xiàn)場電子設(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)場電子設(shè)備工作過程中,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
足系統(tǒng)對(duì)TTL信號(hào)和模擬信號(hào)的采集需求,通過外接ARINC429、紅外和藍(lán)牙專用接口芯片,實(shí)現(xiàn)ARINC429數(shù)據(jù)信號(hào)的采集和兩種無線方式的通信。[!--empirenews.page--]
    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:
    ①數(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通過查詢或中斷方式將FIFO中的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(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的讀寫采用讀時(shí)鐘和寫時(shí)鐘兩個(gè)時(shí)鐘。寫時(shí)鐘同步的信號(hào)有寫地址產(chǎn)生模塊生成的寫請(qǐng)求和寫地址;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卡讀寫控制邏輯生成。標(biāo)志位產(chǎn)生模塊由讀寫地址關(guān)系生成FIFO存儲(chǔ)狀態(tài)標(biāo)志,并反饋給主機(jī)DSP。DSP通過查詢該標(biāo)志來控制與FPGA的數(shù)據(jù)傳輸。
3.1.2 CF卡讀寫模塊
    CF卡讀寫模塊分為CF卡讀控制模塊和CF卡寫控制模塊。CF卡讀或?qū)懩K的設(shè)計(jì)具有相似性。這里僅介紹寫CF卡的工作過程。
    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卡的讀寫模式。CF卡的讀寫模式有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CF卡。Memory模式是CF卡默認(rèn)的讀寫模式,所以在CF卡初始化過程中不需要設(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)行沒置,可選擇扇區(qū)尋址方式,設(shè)定每次讀寫的扇區(qū)數(shù)和邏輯尋址地址,并獲取CF卡狀態(tài)以及輸入讀寫命令。
    CF卡的尋址方式與計(jì)算機(jī)的硬盤操作方式類似。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,專用于記錄扇區(qū)地址。在開始一次寫操作之前,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獲得此次寫操作的LBA地址,并向指定的扇區(qū)寫數(shù)據(jù)。
    利用QuartusII作為FPGA開發(fā)平臺(tái),使用VHDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了FPGA與DSP的接口、異步FIFO的存儲(chǔ)以及CF卡的讀寫邏輯。在QuartusII自帶仿真工具下得到的寫CF卡時(shí)序仿真結(jié)果如圖4所示。

[!--empirenews.page--]
3.2 無線通信模塊設(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,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,通過區(qū)別按鍵的時(shí)長加以區(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)過紅外編解碼器編碼,再通過紅外收發(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語言編寫,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),并通過無線通信模塊向主設(shè)備發(fā)送。

結(jié)語
    本文根據(jù)某工業(yè)現(xiàn)場電子設(shè)備的特殊應(yīng)用需求,提出了一種基于無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。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。此記錄系統(tǒng)滿足了該工業(yè)現(xiàn)場電子設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄需求,能夠?qū)崟r(shí)記錄設(shè)備的電氣信號(hào)和控制時(shí)序,采樣速率大于1 kHz,并且能夠連續(xù)記錄約1 GB的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)是將無線通信技術(shù)應(yīng)用于該工業(yè)現(xiàn)場電子設(shè)備中的一次嘗試,相關(guān)抗干擾和安全性等問題有待于更深入的研究。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動(dòng)力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉