《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于OMAP-L138的便攜式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷儀設(shè)計
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2011年第16期
師 皓, 江志農(nóng)
(北京化工大學(xué) 診斷與自愈工程研究中心, 北京100029)
摘要: 提出基于OMAP-L138的便攜式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷儀的設(shè)計方案。介紹了其軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計,重點對數(shù)據(jù)采集部分的硬件及數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計做了詳細(xì)的介紹。利用了ARM核控制處理優(yōu)勢與DSP核數(shù)字處理能力,實現(xiàn)低功耗高性能的優(yōu)點。
Abstract:
Key words :

摘  要: 提出基于OMAP-L138的便攜式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷儀的設(shè)計方案。介紹了其軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計,重點對數(shù)據(jù)采集部分的硬件及數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計做了詳細(xì)的介紹。利用了ARM核控制處理優(yōu)勢與DSP核數(shù)字處理能力,實現(xiàn)低功耗高性能的優(yōu)點。
關(guān)鍵詞: OMAP; 故障診斷儀; 數(shù)據(jù)采集

    工業(yè)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷,有效地保證了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行,并在設(shè)備預(yù)知維修中發(fā)揮越來越重要的作用。為了滿足石化企業(yè)對于狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的需求,設(shè)計了一款便攜式綜合性設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷儀器。TI公司推出的OMAPL138雙核處理器,具備強(qiáng)大的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力和可靠的實時性,可以實現(xiàn)高性能雙通道數(shù)據(jù)采集器和信號分析,現(xiàn)場顯示FFT頻譜圖、軸心軌跡等功能。
    OMAPL138處理器綜合了DSP和ARM兩個處理器各自在實時性和計算精度上的優(yōu)勢。DSP進(jìn)行信號處理任務(wù),ARM可以運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)及圖形界面,完成波形顯示、存儲及外圍器件的控制。DSP與ARM間的數(shù)據(jù)通信由DSP/BIOS橋來實現(xiàn)。    
1 硬件設(shè)計
1.1 處理器及其外設(shè)電路設(shè)計

 OMAPL138芯片采用C6748內(nèi)核和ARM926EJ-S核,兩個處理器主頻最高支持到456 MHz。C6748是一個定點浮點數(shù)字信號處理器核,它相對TMS320C6000器件功耗顯著降低,并可實現(xiàn)代碼兼容。ARM926EJ-S是一個32 bit精簡指令集的處理器核,可以執(zhí)行32 bit、16 bit指令集,處理32 bit、16 bit、8 bit數(shù)據(jù)。ARM核有一個協(xié)處理器CP15,以及8 KB的RAM、64 KB的ROM。接口支持1個10/100 M以太網(wǎng)接口,DDR2內(nèi)存控制器,1個EMIFA接口,2套I2C與SPI接口,以及2套McBSP接口等[1]。OMAPL138的硬件連接圖如圖1所示。

    OMAPL138使用EMIFA接口控制Flash的操作,使用GPCM 16 bit操作模式。FLASH選用SPANSION公司的一款容量為32 MB的芯片,用于存儲BOOT內(nèi)容和應(yīng)用程序。此外,OMPAL138的數(shù)據(jù)地址線順序采用SMALL_EIDEN模式,地址線和數(shù)據(jù)線的連接要注意最高有效位與最低有效位的順序與PowerPC等系列的處理器不一致。
 OMAPL138支持mDDR和DDR2兩種制式,本設(shè)計選用DDR2 SDRAM作為芯片的內(nèi)存。DDR2 SDRAM采用1片DDR2芯片MT47H64M16HR來實現(xiàn),單片芯片的容量是128 MB,位寬16 bit,內(nèi)部分為8個BANK。只需要配置SDCR、SDRCR、SDTIMR1、SDTIMR2這4個寄存器即可實現(xiàn)對DDR2的配置。OMAPL138的DDR2控制器最高速率支持150 MHz。
 OMAPL138通過I2C接口連接一片E2PROM,型號為AT24C32CN,有 4 096×8 bit的存儲空間,用于存儲傳感器標(biāo)定參數(shù)和版本信息等。
 此外OMAPL138通過MII接口連接網(wǎng)線與PC機(jī)之間的通信,還可以通過UART接口方便地與上位機(jī)進(jìn)行驅(qū)動程序的調(diào)試,打印調(diào)試信息。
1.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分由兩路高速AD、大容量緩沖器FIFO和FPGA組成。FPGA負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)采集邏輯控制、緩存FIFO邏輯控制[2]。采集得到的信號傳到OMAP中的DSP核,然后進(jìn)行信號處理、完成算法,最后送給ARM核進(jìn)行波形顯示等功能。數(shù)據(jù)采集模塊架構(gòu)如圖2所示。

 通過壓電式加速度傳感器采集得到的振動信號,首先通過信號調(diào)理放大電路,之后再經(jīng)過二階巴特沃斯帶通濾波器,可以由AD采集得到純凈的加速度信號。加速度信號經(jīng)過一級積分電路可得到速度信號,再經(jīng)過一級積分電路可得到位移信號。
 在旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)檢測和診斷中,鍵相信號占有重要的位置。通過電渦流傳感器產(chǎn)生的鍵相信號一般為-10 V左右的負(fù)脈沖,經(jīng)過隔直、反相、遲滯比較之后變成3.3 V的窄脈沖,送給FPGA作為觸發(fā)采集的觸發(fā)信號。
 FPGA選用Altera公司的Cyclone系列,通過OMAP上的UPP(Universal Parallel Port)接口相連接,將高速數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)絆MAP的DSP核。FPGA接受鍵相電路的觸發(fā)作為數(shù)據(jù)采集的相位零點,同時控制單路或兩路AD同時對調(diào)理后的振動信號進(jìn)行采集,采集得到的數(shù)值先緩存到FIFO中,然后再通過FPGA傳送到OMAP中。
 在OMAP的DSP核中,可以將采集得到的振動波形進(jìn)行數(shù)字信號處理,完成傅里葉變換、軸心軌跡、動平衡等算法。最終通過DSP/BIOS橋?qū)⑻幚斫Y(jié)果傳送給ARM核,在應(yīng)用程序中顯示出時域圖、頻譜圖和軸心軌跡圖等。

 


2 軟件設(shè)計
 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷儀的軟件設(shè)計包括:引導(dǎo)程序的設(shè)計、操作系統(tǒng)內(nèi)核裁剪和移植、定制文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序及界面的開發(fā)。OMAP中DSP核運(yùn)行DSP/BIOS實時系統(tǒng),ARM核運(yùn)行Windows CE系統(tǒng)。DSP/Link為處理器提供雙核通信架構(gòu)。在DSP端,DSP/Link作為DSP/BIOS的一個驅(qū)動而存在。在ARM端,DSP/Link作為一個外設(shè)而存在,并通過應(yīng)用層的函數(shù)庫訪問這個設(shè)備來進(jìn)行操作。
2.1操作系統(tǒng)搭建與移植
    板級支持包(BSP)是介于主板硬件和操作系統(tǒng)之間的一層,主要目的是支持操作系統(tǒng),使之能夠更好地運(yùn)行于硬件主板。一個典型的Windows CE板級支持包包括引導(dǎo)裝載程序Boot loader、OEM適配層(OAL),設(shè)備驅(qū)動以及系統(tǒng)鏡像的配置文件四個組成部分。應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境Platform Build根據(jù)特定的BSP,可以生成針對不同硬件的特定操作系統(tǒng)鏡像。對嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE進(jìn)行剪裁,結(jié)合板級支持包編譯生成可在硬件上運(yùn)行的操作系統(tǒng),達(dá)到Windows CE對硬件系統(tǒng)移植的目的。通過對Windows CE部分代碼的修改,實現(xiàn)系統(tǒng)需求的新軟件特性的擴(kuò)展。
    設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計和開發(fā),包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的驅(qū)動、紅外測溫模塊、面板功能鍵盤模塊及電源管理模塊等設(shè)備的驅(qū)動;并且面向系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供友好而靈活的接口,方便上層調(diào)用。
2.2 數(shù)據(jù)采集功能模塊設(shè)計
 數(shù)據(jù)采集模塊是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷儀的核心部分,其驅(qū)動的高效性和穩(wěn)定性是影響整個系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。其基本工作流程如圖3所示。

    在啟動數(shù)據(jù)采集之前,可以先對采樣點數(shù)、采樣頻率以及單/雙通道采集等進(jìn)行設(shè)置。在采集過程中,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器完成一個周期的轉(zhuǎn)換后,會給FPGA發(fā)出一個中斷,F(xiàn)PGA對FIFO發(fā)出寫信號并將轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)寫入FIFO。當(dāng)FIFO達(dá)到半滿時,其半滿標(biāo)志位會發(fā)出中斷信號,F(xiàn)PGA接收到該信號后,控制OMAP對FIFO執(zhí)行讀操作。非觸發(fā)采集方式和觸發(fā)采集方式不同之處是:在非觸發(fā)采集方式下,A/D的啟動、停止信號由OMAP提供,當(dāng)需要轉(zhuǎn)換時,OMAP發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換信號,啟動AD轉(zhuǎn)換,停止亦然;在觸發(fā)采集方式下,采集啟動、停止信號由鍵相信號來提供。
    以O(shè)MAPL138為處理器平臺的便攜式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷儀,滿足了手持儀器低功耗高性能的要求。ARM核與DSP核的協(xié)同工作,既滿足了高速數(shù)字信號處理的要求,完成復(fù)雜的故障診斷算法,又具備強(qiáng)大的外設(shè)管理及控制能力,同時Window CE還為用戶提供了豐富友好的操作界面,以滿足用戶的需求。
參考文獻(xiàn)
[1] Texas Instrument. OMAP-L138 Technical Reference Manual  [EB/OL]. 2009.
[2] 任雷,林巖,張干沫陽. 基于CPLD的OMAP-L137與 ADS1178數(shù)據(jù)通信設(shè)計[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009,8:26-28.
[3] 武昱. 嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]. 北京:北京化工大學(xué),2008.

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