基于DSP／BIOS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制

摘要：針對(duì)多模式、高速、大數(shù)量采集及網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳的要求，設(shè)計(jì)專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。硬件上以DM642作為主控CPU，軟件上利用其內(nèi)嵌的DSP／BIOS操作系統(tǒng)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)控制任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、周期觸發(fā)線程以及硬件中斷，并利用網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)工具包NDK實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議，完成網(wǎng)絡(luò)控制和通信。構(gòu)建可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，保證底層高速采集的大數(shù)據(jù)量快速可靠的上傳。最后，用VC開(kāi)發(fā)上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示和故障診斷。實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足實(shí)時(shí)采集的要求。
關(guān)鍵詞：DSP／BIOS；DM642；多線程；NDK；數(shù)據(jù)采集

隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性、實(shí)時(shí)性的不斷提高，采用單任務(wù)順序和循環(huán)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)軟件構(gòu)架已經(jīng)不能滿足要求，基于操作系統(tǒng)的多線程設(shè)計(jì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。課題中，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)某型號(hào)導(dǎo)彈的整個(gè)測(cè)試過(guò)程，記錄偶爾出現(xiàn)的故障信息并判斷問(wèn)題原因，設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為核心的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性差、資源利用率低，很難滿足高速、大數(shù)據(jù)量采集并需要實(shí)時(shí)上傳的應(yīng)用場(chǎng)合。而課題中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采集現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)類(lèi)型、多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)，因此，采用DSP／BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供的多任務(wù)機(jī)制并結(jié)合TI提供的NDK網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)工具包來(lái)設(shè)計(jì)研制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 DSP／BIOS及NDK簡(jiǎn)介
DSP／BIOS是TI公司為C28x，C5000和C6000系列DSP開(kāi)發(fā)的可裁剪實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，同時(shí)也是CCS提供的一套多任務(wù)開(kāi)發(fā)、硬件抽象、實(shí)時(shí)分析和系統(tǒng)配置的專(zhuān)用工具。DSP／BIOS以其功能豐富的APIs綜合管理系統(tǒng)內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配和調(diào)度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)運(yùn)行，并提供方便的數(shù)據(jù)通信接口和外設(shè)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)工具。DSP／BIOS的運(yùn)用大大降低了DSP軟件開(kāi)發(fā)難度，提高了調(diào)試效率，非常適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和運(yùn)行效率高的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。NDK是TI專(zhuān)門(mén)為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)工具包，利用其TCP／IP協(xié)議棧開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具有成本低、開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)性能由套接字類(lèi)型、套接字緩沖區(qū)、CPU速度和CPU緩沖等幾方面決定。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可工作在兩種模式下：模式一，采集數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳；模式二，采集數(shù)據(jù)先存入CF卡，監(jiān)測(cè)結(jié)束后一并上傳。硬件上采用DM642+FPGA的主控方案，在DSP中運(yùn)行DSP／BIOS操作系統(tǒng)來(lái)綜合管理外設(shè)資源，分配調(diào)度硬件中斷HWI、周期性觸發(fā)線程PRD、數(shù)據(jù)采集任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)控制傳輸任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)A／D采集、串口通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)收發(fā)的控制。根據(jù)功能劃分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分為A／D采集單元、RS 422通信單元、CF卡存儲(chǔ)單元和網(wǎng)絡(luò)控制收發(fā)單元。硬件總體框圖如圖1所示。

2．1 A／D采集單元設(shè)計(jì)
A／D采集單元分為高速采集和低速采集2個(gè)通道。高速采集通道選用12位的AD7356，單片并行雙通道，最高采樣率5 MSa／s，串行輸出，通過(guò)5片AD7356的組合可并行或循環(huán)采集10路差分輸入信號(hào)。低速采集通道選用12位的AD7658，單片并行6通道，最高采樣率250KSa／s，2片AD7658采用菊花鏈的級(jí)聯(lián)方式可同時(shí)采集12路差分或單端輸入信號(hào)。A／D控制信號(hào)和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過(guò)磁耦隔離芯片IL716實(shí)現(xiàn)后端隔離。
2．2 其他功能單元設(shè)計(jì)
RS 422串口通信單元采用MAX485實(shí)現(xiàn)，1路發(fā)送5路接收，發(fā)送通道用于產(chǎn)生設(shè)備自檢信號(hào)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元選用大容量、掉電不丟失的CF卡，并開(kāi)發(fā)支持IDE模式下UDMA傳輸?shù)闹骺豂P核，由FPGA獨(dú)立控制。網(wǎng)路控制收發(fā)單元采用DM642自帶的以太網(wǎng)接口并結(jié)合TI提供的TCP／IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。