“黑匣子”-近距離無線通信設備的設計方案

經營：溫濕度記錄儀     溫控器
文章主要根據現代一些工業現場電子設備數據記錄的需求，提出了一種基于近距離無線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，下載數據時既不需要拆卸設備連接線纜或插拔存儲卡，又減少了連線和插拔存儲卡可能導致的接觸故障。

“黑匣子”是比較流行的電子記錄設備之一，廣泛應用于實時記錄飛機、船舶、汽車等行進過程中的重要數據，包括速度、方向、高度、偏轉角、發動機的轉速和溫度等。通過這些數據可以了解其運行過程中的情況，同時也是故障檢測、分析事故原因的重要依據。在工業領域，常見的記錄儀有壓力記錄儀、溫度記錄儀、濕度記錄儀等，用于對生產環境進行實時監測，從而保證了有效生產和安全生產。

記錄儀的數據下載方式通常有兩種：通過傳輸線纜下載和通過插拔存儲卡下載。前者需要連接線纜，后者需要插拔存儲卡，兩者均需要結構方面的拆卸。但在某些應用環境中，記錄儀不便于拆卸，特別是在一些輻射性強的工業現場，更不適于長時間的近距離接觸。另外，這兩種方式在一定程度上均可能降低系統的可靠性。

1  設計需求

在某工業現場電子設備工作過程中，要求記錄系統能夠實時記錄設備的各種電氣信號及其工作時序，用于事后設備運行狀況的分析以及故障排查、定位。需要實時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主要完成數據的實時采集和控制，FPGA的數據傳輸，以及與無線通信模塊的數據傳輸；FPGA則實現數據緩存和讀寫CF卡的邏輯時序控制。

DSP是主控制器。選用TI公司的16位定點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個獨立可編程的多路復用I／O引腳、1個異步串行通信口（SCI），以及1個同步串行通信口（SPI）。其內部資源可以滿足系統對TTL信號和模擬信號的采集需求，通過外接ARINC429、紅外和藍牙接口芯片，實現ARINC429數據信號的采集和兩種無線方式的通信。

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卡間數據傳輸。選用Altera公司CyclonelI系列的FPGA芯片EP2C20Q240C8。它具有142個用戶可使用I／O引腳、52個M4K嵌入式陣列塊和18752個邏輯單元。DSP和FPGA豐富的內部資源很好地滿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實現對2路ARINC429信號、16路模擬信號和10路數字信號的實時采集，并將數據實時存入FPGA的FIFO中。當FIFO存儲了一定量數據時，FPGA控制邏輯電路自動將FIFO中的數據寫入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出的連接請求后，*行鑒權，鑒權通過后與其建立連接。然后，FPGA控制邏輯電路讀出CF卡中數據并存入FIFO，DSP通過查詢或中斷方式將FIFO中的數據通過無線通信模塊發送給地面設備。

3  各功能模塊設計

3.1  FPGA功能模塊設計

使用FPGA實現異步FIFO模塊和CF卡讀寫模塊，是本設計的重點，也是難點。

3.1.1  異步FIFO模塊

數據記錄設備的實時性強、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個模塊：數據存儲模塊、寫地址產生模塊、讀地址產生模塊和標志位產生模塊。FIFO的讀寫采用讀時鐘和寫時鐘兩個時鐘。寫時鐘同步的信號有寫地址產生模塊生成的寫請求和寫地址；讀時鐘同步的信號有讀地址產生模塊生成的讀請求和讀地址。寫使能和讀使能分別由DSP與FPGA數據傳輸控制邏輯和cF卡讀寫控制邏輯生成。標志位產生模塊由讀寫地址關系生成FIFO存儲狀態標志，并反饋給主機DSP。DSP通過查詢該標志來控制與FPGA的數據傳輸。

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卡讀或寫模塊的設計具有相似性。這里僅介紹寫CF卡的工作過程。

首先，設置CF卡的屬性寄存器。CF卡有4個屬性寄存器，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。本設計使用16位的Memory模式讀寫CF卡。Memory模式是CF卡默認的讀寫模式，所以在CF卡初始化過程中不需要設置“配置屬性寄存器”。

其次，設置CF卡的任務文件寄存器。本設計中使用的任務文件寄存器有：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、驅動器選擇／磁頭寄存器和狀態／命令寄存器。對它們進行設置，可選擇扇區尋址方式，設定每次讀寫的扇區數和邏輯尋址地址，并獲取CF卡狀態以及輸入讀寫命令。

CF卡的尋址方式與計算機的硬盤操作方式類似。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。