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：tongguochuanshuxianlanxiazaihetongguochabacunchukaxiazai。qianzhexuyaolianjiexianlan，houzhexuyaochabacunchuka，liangzhejunxuyaojiegoufangmiandechaixie。danzaimouxieyingyonghuanjingzhong，jiluyibubianyuchaixie，tebieshizaiyixiefushexingqiangdegongyexianchang
，gengbushiyuchangshijiandejinjulijiechu。lingwai，zheliangzhongfangshizaiyidingchengdushangjunkenengjiangdixitongdekekaoxing。
    本(ben)文(wen)依(yi)據(ju)某(mou)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)數(shu)據(ju)記(ji)錄(lu)的(de)需(xu)求(qiu)
，提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)近(jin)距(ju)離(li)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)的(de)數(shu)據(ju)記(ji)錄(lu)設(she)備(bei)。該(gai)設(she)備(bei)以(yi)紅(hong)外(wai)或(huo)藍(lan)牙(ya)方(fang)式(shi)下(xia)載(zai)數(shu)據(ju)
，與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)數(shu)據(ju)下(xia)載(zai)方(fang)式(shi)相(xiang)比(bi)，下(xia)載(zai)數(shu)據(ju)時(shi)既(ji)不(bu)需(xu)要(yao)拆(chai)卸(xie)設(she)備(bei)連(lian)接(jie)線(xian)纜(lan)或(huo)插(cha)拔(ba)存(cun)儲(chu)卡(ka)
，又(you)減(jian)少(shao)了(le)連(lian)線(xian)和(he)插(cha)拔(ba)存(cun)儲(chu)卡(ka)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)的(de)接(jie)觸(chu)故(gu)障(zhang)。

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
，DSP將(jiang)係(xi)統(tong)的(de)藍(lan)牙(ya)和(he)紅(hong)外(wai)模(mo)塊(kuai)設(she)置(zhi)為(wei)從(cong)設(she)備(bei)。當(dang)接(jie)收(shou)到(dao)工(gong)作(zuo)人(ren)員(yuan)所(suo)持(chi)的(de)帶(dai)有(you)藍(lan)牙(ya)或(huo)紅(hong)外(wai)接(jie)口(kou)的(de)地(di)麵(mian)設(she)備(bei)發(fa)出(chu)的(de)連(lian)接(jie)請(qing)求(qiu)後(hou)
，先(xian)進(jin)行(xing)鑒(jian)權(quan)，鑒(jian)權(quan)通(tong)過(guo)後(hou)與(yu)其(qi)建(jian)立(li)連(lian)接(jie)。然(ran)後(hou)，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。