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。
    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。