近距離無線通信的嵌入式數據記錄設備設計,黑匣子是比較流行的電子記錄設備之一
，廣泛應用於實時記錄飛機、船舶、汽車等行進過程中的重要數據，包括速BAIDU_CLB_singleFillSlot(24611); “黑匣子”是比較流行的電子記錄設備之一，廣泛應用於實時記錄飛機、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

，用於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(tong)過(guo)傳(chuan)輸(shu)線(xian)纜(lan)下(xia)載(zai)和(he)通(tong)過(guo)插(cha)拔(ba)存(cun)儲(chu)卡(ka)下(xia)載(zai)。前(qian)者(zhe)需(xu)要(yao)連(lian)接(jie)線(xian)纜(lan)
，後(hou)者(zhe)需(xu)要(yao)插(cha)拔(ba)存(cun)儲(chu)卡(ka)
，兩(liang)者(zhe)均(jun)需(xu)要(yao)結(jie)構(gou)方(fang)麵(mian)的(de)拆(chai)卸(xie)。但(dan)在(zai)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)環(huan)境(jing)中(zhong)，記(ji)錄(lu)儀(yi)不(bu)便(bian)於(yu)拆(chai)卸(xie)，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)一(yi)些(xie)輻(fu)射(she)性(xing)強(qiang)的(de)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)
，更(geng)不(bu)適(shi)於(yu)長(chang)時(shi)間(jian)的(de)近(jin)距(ju)離(li)接(jie)觸(chu)。另(ling)外(wai)，這(zhe)兩(liang)種(zhong)方(fang)式(shi)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)均(jun)可(ke)能(neng)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。
    benwenyijumougongyexianchangdianzishebeishujujiludexuqiu，tichuleyizhongjiyujinjuliwuxiantongxindeshujujilushebei。gaishebeiyihongwaihuolanyafangshixiazaishuju
，yuchuantongdeshujuxiazaifangshixiangbi，xiazaishujushijibuxuyaochaixieshebeilianjiexianlanhuochabacunchuka，youjianshaolelianxianhechabacunchukakenengdaozhidejiechuguzhang。

1  設計需求
    在(zai)某(mou)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，要(yao)求(qiu)記(ji)錄(lu)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)實(shi)時(shi)記(ji)錄(lu)設(she)備(bei)的(de)各(ge)種(zhong)電(dian)氣(qi)信(xin)號(hao)及(ji)其(qi)工(gong)作(zuo)時(shi)序(xu)，用(yong)於(yu)事(shi)後(hou)設(she)備(bei)運(yun)行(xing)狀(zhuang)況(kuang)的(de)分(fen)析(xi)以(yi)及(ji)故(gu)障(zhang)排(pai)查(zha)、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。采樣頻率應大於或等於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，可估算出記錄係統的存儲容量應大於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。本係統使用Sandisk公司的1 GB工業級CF卡作為存儲設備。
2  係統總體設計方案
    係統采用DSP和FPGA協同控製的方案，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製

，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卡的邏輯時序控製。

    DSP是主控製器。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複用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係統對TTL信號和模擬信號的采集需求，通過外接ARINC429、紅外和藍牙專用接口芯片
，實現ARINC429數據信號的采集和兩種無線方式的通信。
    FPGA是輔助控製器
，其核心為FIFO和邏輯控製電路，用於完成DSP和CF卡間數據傳輸。選用Altera公司CyclonelI係列的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係統設計的需要。

係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，並將數據實時存入FPGA的FIFO中。當FIFO存儲了一定量數據時，FPGA控製邏輯電路自動將FIFO中的數據寫入CF卡中。
    ②數據下載。首先，DSPjiangxitongdelanyahehongwaimokuaishezhiweicongshebei。dangjieshoudaogongzuorenyuansuochidedaiyoulanyahuohongwaijiekoudedimianshebeifachudelianjieqingqiuhou，xianjinxingjianquan，jianquantongguohouyuqijianlilianjie。ranhou，FPGA控製邏輯電路讀出CF卡中數據並存入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麵設備。

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誌位產生模塊。FIFO的讀寫采用讀時鍾和寫時鍾兩個時鍾。寫時鍾同步的信號有寫地址產生模塊生成的寫請求和寫地址；讀時鍾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數據傳輸控製邏輯和cF卡讀寫控製邏輯生成。標誌位產生模塊由讀寫地址關係生成FIFO存儲狀態標誌
，並反饋給主機DSP。DSP通過查詢該標誌來控製與FPGA的數據傳輸。

3.1.2 CF卡讀寫模塊
    CF卡讀寫模塊分為CF卡讀控製模塊和CF卡寫控製模塊。CF卡讀或寫模塊的設計具有相似性。這裏僅介紹寫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，通常隻需設置“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、低柱麵號寄存器
、高柱麵號寄存器、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，並獲取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；柱麵號寄存器存放LBA地址的23～8位
；扇區號寄存器存放LBA地址的7～0位。