基于无线通信技术的数据记录系统

根据某工业现场电子设备数据记录的要求，设计了一种基于近距离无线通信的嵌入式数据记录系统。该系统分为数据存储和数据下载两大功能组成部分：数据存储部分利用DSP和FPGA完成信号的采集和处理，并将其存储到CF卡中;数据下载部分利用红外和蓝牙无线接口，在DSP的控制下实现数据的无线下载。

　　引言

　　“黑匣子”是比较流行的电子记录设备之一，广泛应用于实时记录飞机、船舶、汽车等行进过程中的重要数据。记录仪的数据下载方式通常有两种：通过传输线缆下载和通过插拔存储卡下载。

　　本文依据某工业现场电子设备数据记录的需求，提出了一种基于近距离无线通信的数据记录设备。该设备以红外或蓝牙方式下载数据，与传统的数据下载方式相比，下载数据时既不需要拆卸设备连接线缆或插拔存储卡，又减少了连线和插拔存储卡可能导致的接触故障。

　　1 设计需求

　　在某工业现场电子设备工作过程中，要求记录系统能够实时记录设备的各种电气信号及其工作时序，用于事后设备运行状况的分析以及故障排查、定位。需要实时采集记录的信号包括2路ARINC429信号、10路TTL数字信号以及16路模拟信号。采样频率应大于或等于1 kHz，记录时间为1 h左右。根据信号通道数量、数据采集速率和数据记录时间，可估算出记录系统的存储容量应大于500 MB。通常，微处理器内部的存储空间有限，故需要将采集到的数据存储到存储容量大、具有非易失性的外部存储器中。本系统使用Sandisk公司的1 GB工业级CF卡作为存储设备。

　　2 系统总体设计方案

　　系统采用DSP和FPGA协同控制的方案，总体设计方案如图1所示。DSP主要完成数据的实时采集和控制，FPGA的数据传输，以及与无线通信模块的数据传输;FPGA则实现数据缓存和读写CF卡的逻辑时序控制。

　　DSP是主控制器。选用TI公司的16位定点DSP芯片TMS320F240。它的指令周期为50 ns，内部具有544字的RAM、224K字的可寻址存储空间、双10位模/数转换器、28个独立可编程的多路复用I/O引脚、1个异步串行通信口(SCI)，以及1个同步串行通信口(SPI)。其内部资源可以满

　　足系统对TTL信号和模拟信号的采集需求，通过外接ARINC429、红外和蓝牙专用接口芯片，实现ARINC429数据信号的采集和两种无线方式的通信。

　　FPGA是辅助控制器，其核心为FIFO和逻辑控制电路，用于完成DSP和CF卡间数据传输。选用Altera公司CyclonelI系列的FPGA芯片EP2C20-Q240C8。它具有142个用户可使用I/O引脚、52个M4K嵌入式阵列块和18752个逻辑单元。DSP和FPGA丰富的内部资源很好地满足了系统设计的需要。

　　系统主要包括数据存储和数据下载两大功能：

　　①数据存储。DSP实现对2路ARINC429信号、16路模拟信号和10路数字信号的实时采集，并将数据实时存入FPGA的FIFO中。当FIFO存储了一定量数据时，FPGA控制逻辑电路自动将FIFO中的数据写入CF卡中。

　　②数据下载。首先，DSP将系统的蓝牙和红外模块设置为从设备。当接收到工作人员所持的带有蓝牙或红外接口的地面设备发出的连接请求后，先进行鉴权，鉴权通过后与其建立连接。然后，FPGA控制逻辑电路读出CF卡中数据并存人FIFO，DSP通过查询或中断方式将FIFO中的数据通过无线通信模块发送给地面设备。

　　3 各功能模块设计

　　3.1 FPGA功能模块设计

　　使用FPGA实现异步FIFO模块和CF卡读写模块，是本设计的重点，也是难点。