基于DSP／BIOS的數據采集系統研制

摘要：針對多模式、高速、大數量采集及網絡實時上傳的要求，設計專用數據采集系統。硬件上以DM642作為主控CPU，軟件上利用其內嵌的DSP／BIOS操作系統調度網絡控制任務、數據采集任務、周期觸發線程以及硬件中斷，并利用網絡開發工具包NDK實現TCP／IP協議，完成網絡控制和通信。構建可靠的數據傳輸機制，保證底層高速采集的大數據量快速可靠的上傳。最后，用VC開發上位機程序，實現數據處理、顯示和故障診斷。實際應用表明該系統運行穩定，滿足實時采集的要求。
關鍵詞：DSP／BIOS；DM642；多線程；NDK；數據采集

隨著嵌入式系統復雜性、實時性的不斷提高，采用單任務順序和循環結構的傳統軟件構架已經不能滿足要求，基于操作系統的多線程設計得到越來越多的應用。課題中，為了實時監測某型號導彈的整個測試過程，記錄偶爾出現的故障信息并判斷問題原因，設計以數據采集系統為核心的在線監測設備。傳統的數據采集系統軟件結構實時性差、資源利用率低，很難滿足高速、大數據量采集并需要實時上傳的應用場合。而課題中的數據采集系統需要采集現場多個類型、多個通道的數據，采集數據需通過網絡實時傳輸給上位機，因此，采用DSP／BIOS實時操作系統提供的多任務機制并結合TI提供的NDK網絡開發工具包來設計研制數據采集系統。

1 DSP／BIOS及NDK簡介
DSP／BIOS是TI公司為C28x，C5000和C6000系列DSP開發的可裁剪實時多任務操作系統，同時也是CCS提供的一套多任務開發、硬件抽象、實時分析和系統配置的專用工具。DSP／BIOS以其功能豐富的APIs綜合管理系統內存，實現任務分配和調度，實時監測分析系統運行，并提供方便的數據通信接口和外設驅動開發工具。DSP／BIOS的運用大大降低了DSP軟件開發難度，提高了調試效率，非常適合結構復雜、實時性強和運行效率高的應用開發。NDK是TI專門為網絡應用開發提供的網絡開發工具包，利用其TCP／IP協議棧開發網絡應用具有成本低、開發周期短的特點。網絡性能由套接字類型、套接字緩沖區、CPU速度和CPU緩沖等幾方面決定。

2 數據采集系統總體設計
數據采集系統可工作在兩種模式下：模式一，采集數據通過網絡實時上傳；模式二，采集數據先存入CF卡，監測結束后一并上傳。硬件上采用DM642+FPGA的主控方案，在DSP中運行DSP／BIOS操作系統來綜合管理外設資源，分配調度硬件中斷HWI、周期性觸發線程PRD、數據采集任務和網絡控制傳輸任務，從而實現對A／D采集、串口通信、數據存儲和網絡收發的控制。根據功能劃分，數據采集系統可以分為A／D采集單元、RS 422通信單元、CF卡存儲單元和網絡控制收發單元。硬件總體框圖如圖1所示。

2．1 A／D采集單元設計
A／D采集單元分為高速采集和低速采集2個通道。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5片AD7356的組合可并行或循環采集10路差分輸入信號。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采用菊花鏈的級聯方式可同時采集12路差分或單端輸入信號。A／D控制信號和轉換數據通過磁耦隔離芯片IL716實現后端隔離。
2．2 其他功能單元設計
RS 422串口通信單元采用MAX485實現，1路發送5路接收，發送通道用于產生設備自檢信號。數據存儲單元選用大容量、掉電不丟失的CF卡，并開發支持IDE模式下UDMA傳輸的主控IP核，由FPGA獨立控制。網路控制收發單元采用DM642自帶的以太網接口并結合TI提供的TCP／IP協議棧實現。