基于ARM和Ethernet的現(xiàn)場實時信號采集分析系統(tǒng)

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，動態(tài)信號分析系統(tǒng)也出現(xiàn)向著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展的趨勢。ETHERNET已經(jīng)成為LAN中的主導(dǎo)協(xié)議，隨著ETHERNET技術(shù)日益成熟，在現(xiàn)場信號采集與分析系統(tǒng)、測試測量以及工業(yè)I/O設(shè)備中，ETHERNET技術(shù)已經(jīng)或者將要發(fā)揮其巨大的作用。傳統(tǒng)的實時信號分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊接口一般采用串行口、并行口、PCI總線或USB的方式。與其相比,ETHERNET的優(yōu)勢在于性能價格比高、遠距離數(shù)據(jù)傳輸和分布式運行等特點，而且可以將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到信號分析系統(tǒng)領(lǐng)域。在基于以太網(wǎng)的信號分析系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)的傳送可以通過TCP/IP協(xié)議進行，其所具有的網(wǎng)絡(luò)功能并不要求作為上位機的PC機與下位機(數(shù)據(jù)采集分析儀)處在同一局域網(wǎng)內(nèi)，只要能連上Internet而且?guī)挐M足要求，便可以在任何地點、任何時間采集和分析數(shù)據(jù)，并進行遠程測試、診斷。基于以上分析，結(jié)合重點基金項目研發(fā)，本文給出了一種基于ETHERNET的實時動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)。
1 信號分析系統(tǒng)硬件框架

圖1 數(shù)采分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1，從功能上看，它由信號采集與處理、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊兩大部分組成。
1.1　數(shù)據(jù)采集與信號處理
為了增強系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與信號處理能力，采用了ARM+DSP主從結(jié)構(gòu)。ARM采用三星公司的S3C4510B作為主處理器，完成系統(tǒng)管理及網(wǎng)絡(luò)通訊。DSP采用TI公司的TMS320VC5416作為協(xié)處理器，完成信號處理、分析包括FFT、互譜、平均等信號處理任務(wù)及特征抽取任務(wù)。這樣的任務(wù)劃分有利于讓主從處理器都能充分發(fā)揮處理能力，從而使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與信號處理能力達到最大。其增強的外部存儲器接口，使得對外部數(shù)據(jù)的預(yù)處理更加方便，存儲器接口電路的設(shè)計也更靈活，因此在實時數(shù)據(jù)采集和信號處理系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
1.2　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊
系統(tǒng)控制器向外提供1個10M/100M以太網(wǎng)口，通過寬帶可以接入Internet或局域網(wǎng)；S3C4510B內(nèi)嵌一個可以以10M/100M的速率工作在半雙工或全雙工模式下的以太網(wǎng)控制器,其MAC層支持媒體獨立接口(MII)和帶緩沖的DMA接口(BDI)。MAC層由發(fā)送模塊、接收模塊、流控模塊、用于存儲網(wǎng)絡(luò)地址的匹配地址存儲器(CAM)以及一些命令寄存器、狀態(tài)寄存器、錯誤計數(shù)器寄存器構(gòu)成。MII支持在25MHZ時鐘下以100M速率的發(fā)送與接收操作，和在2.5MHz時鐘下以10M速率的發(fā)送與接收操作。特別適用于通訊和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。TCP/IP協(xié)議的使用將提高基于以太網(wǎng)的通訊軟件實現(xiàn)的可靠性來降低其復(fù)雜度。在主處理器內(nèi)嵌的uClinux帶有一個完整的TCP/IP協(xié)議，同時它還支持許多其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。uClinux對于嵌入式系統(tǒng)來說是一個網(wǎng)絡(luò)完備的操作系統(tǒng)。
1.3 主從模塊通訊接口設(shè)計
主從處理器之間應(yīng)盡量加快通訊速度，并保持可靠性和實時性。uClinux需要讀取數(shù)據(jù)處理模塊中的RAM，所以最好是把數(shù)據(jù)處理模塊中的RAM作為uClinux的內(nèi)存地址的一部分，采用HPI技術(shù)可以滿足此要求。用Altera公司的FPGA芯片EP1C6作為系統(tǒng)的邏輯控制單元及主從系統(tǒng)配置電路，完成TMS320C5416與ARM處理器相關(guān)控制連接。
從系統(tǒng)硬件采用TI公司的TMS320C5416作信號處理器，用Altera公司的FPGA芯片EP1C6作為系統(tǒng)的邏輯控制單元及主從系統(tǒng)配置電路，同時利用HPI技術(shù)，完成TMS320C5416與ARM處理器S3C4510B的數(shù)據(jù)交換。
C5416與S3C4510B接口簡單，DSP通過HPI8與主機設(shè)備相連時，除了8位HPI數(shù)據(jù)總線及控制信號線外，不需更多地附加其它邏輯電路，只需將C5416控制的引腳和S3C4510B的GPIO口引腳相連，這樣對C5416的控制就只需設(shè)置相應(yīng)的GPIO口線即可。
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，用S3C4510B作為主控制器，用C5416進行數(shù)據(jù)采集運算處理，然后通過HPI8接口進行數(shù)據(jù)通信。試驗表明，用HPI接口技術(shù)在C5416和S3C4510B間實現(xiàn)通信滿足嵌入式系統(tǒng)的實時性要求。
2　系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1　嵌入式操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序開發(fā)
實時信號分析系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集和信號處理的任務(wù)全部由DSP完成。S3C4510B與PC機之間的以太網(wǎng)通訊，其軟件實現(xiàn)所要求的實時性、可靠性和復(fù)雜性使得選擇一種帶有TCP/IP協(xié)議包的嵌入式實時操作系統(tǒng)成為必需。對系統(tǒng)實時性特別是硬實時有特殊的要求,uCLinux可加入實時RT-Linux模塊以滿足對嵌入式操作系統(tǒng)的實時性要求。
2.2 驅(qū)動和應(yīng)用程序的開發(fā)
硬件驅(qū)動和應(yīng)用程序的開發(fā)在交叉編譯環(huán)境中進行,先在PC機上開發(fā)，然后移植到目標機上進行調(diào)試并最終固化到目標機上。開發(fā)硬件驅(qū)動時要充分了解硬件特點[1]，掌握嵌入式Linux 硬件驅(qū)動的開發(fā)技術(shù)。所開發(fā)的硬件驅(qū)動有:以太網(wǎng)卡控制器驅(qū)動,LCD驅(qū)動,A/D采集等驅(qū)動程序。然后在嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用程序,通過開發(fā)微型GUI，編寫動態(tài)網(wǎng)頁和CGI程序，實現(xiàn)嵌入式Web技術(shù)，嵌入式通信協(xié)議等應(yīng)用程序[2-5]，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

在uClinux上運行了三個任務(wù):讀取采集數(shù)據(jù)、通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收和執(zhí)行來自遠端PC的命令。其中的讀取采集數(shù)據(jù)任務(wù)對實時性有要求，把它用中斷處理程序來實現(xiàn)，而其它的兩個任務(wù)則通過用戶進程來實現(xiàn)。以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)和讀取采集數(shù)據(jù)的任務(wù)共享一個緩沖區(qū)，通過ioctl函數(shù)在其間傳遞緩沖區(qū)雙向鏈表的地址。所以還需要為數(shù)據(jù)處理模塊上的通訊接口，即HPI注冊一個驅(qū)動程序，注冊驅(qū)動程序的函數(shù)是:result= register_chrdev(HPI_MAJOR,"hpi",&hpi_fops);可見，這里把數(shù)據(jù)處理模塊上的通訊接口，即HPI，作為一個字符型的設(shè)備。
由上述設(shè)計方案，可使嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品化。該系統(tǒng)具有網(wǎng)關(guān)功能和嵌入式Web功能，能確保系統(tǒng)安全接入Internet，控制終端通過普通的瀏覽器可瀏覽網(wǎng)頁，查詢并控制信息運行狀態(tài)，當系統(tǒng)發(fā)生故障時提示報警，為智能檢測與診斷實現(xiàn)提供了可能。且該系統(tǒng)成本低，便于推廣應(yīng)用。
3　結(jié)語
本系統(tǒng)采用了ARM+DSP主從結(jié)構(gòu)。ARM作為主處理器，完成系統(tǒng)管理及網(wǎng)絡(luò)通訊；DSP作為協(xié)處理器，完成信號處理、分析。這種結(jié)構(gòu)中DSP的快速數(shù)據(jù)處理能力和ARM卓越的以太網(wǎng)通訊能力保證了動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)的實時性要求。由于其性價比高、體積小、且嵌入式操作系統(tǒng)支持的軟件豐富、裁剪靈活，它將形成數(shù)據(jù)采集與信號處理技術(shù)領(lǐng)域及制造領(lǐng)域新的應(yīng)用趨勢。