呼明亮　車炯暉　趙君　任曉琨

基于IEEE-1394總線的高速數據采集系統(tǒng)設計

呼明亮，車炯暉，趙君，任曉琨

（中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710065）

摘要：為了實現數據采集系統(tǒng)實時性、通用化、小型化設計，該文提出了一種基于IEEE-1394總線的高速數據采集系統(tǒng)設計和實現方案。硬件架構上，系統(tǒng)采用IEEE-1394總線專用芯片，實現了數據高速率、高可靠性傳輸；采用FPGA+DSP的數據處理架構，將數據采集與算法處理分開獨立運行；采用FPGA靜態(tài)局部重構技術，實現了不同子系統(tǒng)的功能配置；采用開關動態(tài)切換技術， 實現了信號采集的靈活配置和小型化設計。軟件架構上，系統(tǒng)采用模塊化設計思路，實現了不同工作模式之間的切換。實驗表明該系統(tǒng)具備很強的數據采集與解算能力。

關鍵詞：數據采集；IEEE-1394；靜態(tài)局部重構；模式配置

中圖分類號：TP336 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）19-4450-04

Design of a High-speed Data Collecting System Based on IEEE-1394 Bus

HU Ming-liang， CHE Jiong-hui， ZHAO Jun， REN Xiao-kun

（Xi'an Aeronautics Computing Technique Research Institute，AVIC，Xi'an 710065， China）

Abstract： In order to achieve the design of data collecting system in real-time， universal and miniaturization， this paper introduces a design and implementation of a high-speed data collecting system based on IEEE-1394 Bus. In the hardware architecture， the IEEE-1394 Bus dedicated chips are used to achieve the high-speed data acquisition and reliability transmission. By using FPGA+DSP data processing architecture， the data acquisition and processing algorithms run separately. By using the static partial reconfiguration technology， different subsystem achieves specific functional configuration. By using switch technology， the circuits of analog signals implement flexible configuration and come in pattern design. In the software architecture， a modular design concept is used to the system design， and switching between different operating modes is realized. The system has the strong advantage of data collection and solver capabilities as illustrated in the experiment.

Key words： date collection； IEEE-1394； dynamic partial reconfiguration； configuration

飛機機電管理數據采集系統(tǒng)目前正朝著集中解算，分布式采集和控制的方向快速發(fā)展，為了更真實、準確地反映被測對象的特性，許多測試項目轉向動態(tài)參數測試。這對測試系統(tǒng)的實時性、可靠性、數據傳輸速率等指標提出了更高要求。傳統(tǒng)串行總線數據傳輸速率較低、靈活性較差，無法滿足數據采集動態(tài)測試要求。IEEE-1394（Fire Wire）因其高數據傳輸速率、高可靠性、配置靈活、易于擴展等優(yōu)勢，為高速數據采集系統(tǒng)及其子系統(tǒng)間的互連提供了快速方便的解決方法。IEEE-1394標準中規(guī)定的協(xié)議較為復雜，實際應用中多采用專用總線接口芯片。數據采集系統(tǒng)的控制芯片常用單片機或DSP（數字信號處理器）實現，但其工作時鐘頻率受限，難以適應高速數據采集系統(tǒng)的實時性要求。FPGA（現場可編程門陣列）可以構建高度并行的架構，具有很高的吞吐量和原始數據處理能力，但實現復雜算法較為困難，而FPGA+DSP方案，彌補了系統(tǒng)設計的不足：系統(tǒng)數據采集的控制、緩存及外圍設備通訊，用FPGA硬件實現，而復雜算法處理由DSP獨立完成。

基于上述理論，該文設計了一套以DSP為主控制器，FPGA為協(xié)處理器搭建外圍接口電路，通過1394B總線接口與機電管理系統(tǒng)信息中心進行信息交互的數據采集系統(tǒng)。系統(tǒng)利用靜態(tài)局部重構技術，提高了數據采集系統(tǒng)的通用性；利用開關動態(tài)切換技術實現了模擬信號采集電路的小低輕構型，系統(tǒng)具備很強的數據采集與解算能力，具備較強的現實意義。

1 系統(tǒng)簡介

數據采集系統(tǒng)功能配置如圖1所示，從硬件系統(tǒng)結構考慮，該系統(tǒng)為一個16位內部數據總線結構的計算機。該功能該結構以負責主控任務的微控制器DSP和輸入/輸出邏輯控制的FPGA為核心（DSP與FPGA通過并行數據總線連接），通過1394B總線接口與機電管理系統(tǒng)進行數據交換。每一路輸入接口通過信號調理等預處理電路后，由FPGA負責完成數據采集，微控制器通過內部總線訪問FPGA獲取所有模擬量、離散量接口的采集結果，將結果經變換和算法處理后，周期上傳至數據中心；微控制器同時將需要輸出接口的總線命令通過FPGA控制各個接口。地面維護設備通過控制RS422/RS485與微處理器進行串行通訊，實現數據采集系統(tǒng)的地面維護。endprint

圖1 數據采集系統(tǒng)結構框圖

2 硬件方案設計

基于IEEE-1394數據采集系統(tǒng)在硬件上設計可分為IEEE-1394總線通訊模塊、微控制器與外圍電路、接口調理電路、接口采集電路、電源電路等幾部分電路。

2.1 IEEE-1394總線高速數據通信方案設計

IEEE-1394標準中規(guī)定的協(xié)議比較復雜，實際應用中多采用專用總線接口芯片實現，1394B因其更高的傳輸速度和更遠的數據傳輸距離而得到了廣泛的應用。系統(tǒng)設計中， 1394B總線以子卡的形式安裝在數據采集系統(tǒng)內部，實現遠程節(jié)點（RN）功能，完成總線通信協(xié)議處理等功能。1394子卡系統(tǒng)功能框圖如圖2所示，包括以下功能單元：FPGA電路、鏈路層、物理層、電源電路、時鐘電路、異步存儲器總線接口電路。

1394子卡在標準1394B總線通訊模塊基礎上，采用高性能FPGA實現了專用協(xié)議處理IP核、鏈路層（LINK）IP核等功能，具備1394 電氣信號驅動能力。物理層（PHY）接口設計采用專用芯片，實現了和鏈路層的無縫連接。為滿足TMS320C6713異步總線需求，子卡采用異步存儲器總線接口，與主控制器間通過雙端口進行收發(fā)數據的交互，實現與微控制器的數據和指令交換。該模塊的數據收發(fā)通過接收STOF數據包修正本地時間偏移，并支持多種傳輸速率。

圖2 異步總線1394子卡功能框圖

2.2 高速數據采集解決方案

本設計利用DSP+FPGA架構實現數據采集系統(tǒng)的數據處理和邏輯控制。DSP作為系統(tǒng)核心，包括了整個系統(tǒng)的控制和運算部分，設計選用TI公司生產的高精度浮點型DSP芯片TMS320C6713，其片上資源及處理速度完全滿足系統(tǒng)設計要求。FPGA作為系統(tǒng)協(xié)處理器，主要承擔底層算法及邏輯控制，設計選用Xilinx公司的TFF1136芯片，該芯片具備時鐘管理能力強、RAM及FIFO空間大、I/O資源豐富等優(yōu)勢，滿足數據采集要求。DSP和FPGA最小系統(tǒng)及外圍電路設計較為成熟，該文不再贅述。高速數據采集解決方案的關鍵技術主要包括靜態(tài)局部重構技術和模擬信號采集電路設計。

2.2.1 靜態(tài)局部重構技術方案設計

不同機載子系統(tǒng)對模擬信號和數字信號需求不同，設置固定數量信號通道必然會導致某類接口通道的浪費和硬件利用率的降低，應用FPGA的靜態(tài)重構技術可實現該功能。靜態(tài)重構技術是指，系統(tǒng)運行前，FPGA在外部邏輯的控制下，通過重新下載存儲器中不同目標系統(tǒng)的數據，實現芯片邏輯功能改變的技術。圖3中數據采集系統(tǒng)工作于液壓子系統(tǒng)，該接口運行前，FPGA內部功能模塊配置為液壓子系統(tǒng)的目標數據，通過切換模擬開關矩陣實現信號通道的配置。圖4中數據采集系統(tǒng)工作于起落架子系統(tǒng)，FPGA內部功能模塊配置模式與圖3液壓子系統(tǒng)配置方法相同。同理，當數據采集系統(tǒng)工作于其他機載機電子系統(tǒng)時，按照同樣方法進行配置。

圖3 液壓子系統(tǒng)數據采集系統(tǒng)功能配置

圖4 起落架子系統(tǒng)數據采集系統(tǒng)功能配置

2.2.2 模擬信號采集電路設計

飛機機電管理數據系統(tǒng)采集系統(tǒng)中，模擬信號的采集最為廣泛，其處理過程相對復雜?？紤]到不同應用環(huán)境下對系統(tǒng)資源的不同需求，硬件應盡可能少占用系統(tǒng)資源，因此邏輯設計采用異步設計。主控制器DSP和邏輯控制器FPGA通過緩沖區(qū)進行通信。FPGA完成上電配置后，按固定周期依次實時采集系統(tǒng)模擬量輸入，并將結果緩存于數據FIFO中；主控制器依據總線命令，讀取緩沖區(qū)內容，并對采集數據進行濾波處理、變換、譜分析等操作后，通過1394B總線將采集結果上傳至飛機機電管理數據中心。

圖5所示為模擬信號采集電路硬件原理圖，分別由調理電路、多路選擇器、比例放大電路、A/D轉換電路和控制電路組成。調理電路中設置了一階RC低通濾波器，信號進入多路開關前通過兩個二極管分別將輸入電壓箝位在+15V和-15V之間，用于保護后級多路開關和運算放大器。比例放大電路增益為0.8，AD轉換器輸入電壓量程范圍為±10V，故系統(tǒng)采集電壓范圍為±12.5V。AD轉換器采用美國Burr-Bown公司生產的12位AD轉換芯片ADS774作為模擬量采集芯片。該芯片具有高通過率、低功耗、高精度等特性，支持雙極性輸入， 信號輸入范圍可配置，系統(tǒng)設計中將其配置為0～±10V；該芯片線性誤差為±2LSB，參考電壓為2.50VDC，轉換時間最大8.5us，滿量程誤差為±0.25%FS，失調誤差最大為±10mV。AD轉換最小單位為：，滿足系統(tǒng)設計要求。

圖5 模擬量輸入原理框圖

3 軟件方案設計

數據采集系統(tǒng)軟件共分為四個模塊（組件），即初始化模塊、接口控制模塊、故障處理模塊、地面支持模塊，具體工作流程如圖6所示。

圖6 軟件工作流程

1） 系統(tǒng)上電或復位狀態(tài)下，軟件完成硬件初始化和系統(tǒng)初始化，置所有輸出接口保持預設的狀態(tài)；

2） 系統(tǒng)軟件依據配置信號選擇調用接口控制模塊或地面支持模塊；

3） 接口控制模塊下，數據采集系統(tǒng)通過IEEE-1394總線接口接收總線異步流數據包，設置總線接收和總線發(fā)送偏移，并判斷系統(tǒng)工作模式，進入正常工作模式或安全工作模式；

4） 正常工作時，數據采集系統(tǒng)以固定總線周期進行數據采集和輸出調度，并對實時任務進行在線監(jiān)測，向機電管理數據中心周期上傳數據采集結果和狀態(tài)；

5） 自檢工作時，置所有輸出接口保持上電預設狀態(tài)，對硬件接口進行自檢，記錄故障接口，并向機電管理數據中心上傳自檢結果；

6） 地面支持模塊下，可將NVRAM在實時任務或BIT中記錄的數據信息通過串行口下載到地面設備上，同時可實現數據采集系統(tǒng)的軟件維護和升級。

4 結束語

本文介紹了一種基于IEEE-1394總線的高速數據采集系統(tǒng)設計和實現方案。設計從提高數據采集系統(tǒng)的實時性、通用性、小型化的角度出發(fā)，通過采用IEEE-1394專用總線芯片和FPGA+DSP的數據處理架構，極大的增強了系統(tǒng)數據處理能力和動態(tài)實時響應速度。系統(tǒng)能夠根據不同機載子系統(tǒng)對模擬信號和數字信號數量的不同需求，通過靜態(tài)局部重構技術實現靈活配置，滿足采集要求；針對機載子系統(tǒng)模擬信號使用廣泛、處理復雜的特點，系統(tǒng)采用軟件開關動態(tài)切換技術，實現了信號采集的靈活配置和小型化設計。經過系統(tǒng)級驗證，該方案工作穩(wěn)定，滿足數據采集速度及采集精度的要求，且方案具備安裝方便，小型化，通用性等優(yōu)點，具有較強的現實意義，可廣泛應用于航空、航天和工業(yè)等各個領域。

參考文獻：

[1] 李世平，戴凡，汪旭東. IEEE-1394（Fire Wire）系統(tǒng)原理與應用技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

[2] 聶浩，許敬旺，康曉軍，等. IEEE1394接口設計[J]. 航天返回與遙感， 2011（8）.

[3] 王文武，曹治國，張貴清，等. 基于FPGA和DSP的并行數據采集系統(tǒng)的設計[J].微計算機信息，2004，20（11）.

[4] 楊曉峰，劉玉嬌，姚恩濤. FPGA動態(tài)局部重構在通用遠程接口單元設計中的應用[J].測控技術， 2012，31（9）.

[5] 梁海濤，王曉丹. 基于ISA總線的多路模擬量采集卡的設計[J].計算機測量與控制，2004，12（11）.

[6] 趙春紅，宗接華. 基于FPGA實現多路模擬信號自適應采集系統(tǒng)[J].機械與電子， 2011（5）.

[7] 曾紅，劉世杰，張翔，等. 基于USB的高速并行數據采集系統(tǒng)的設計與實現[J].計算機測量與控制，2007，15（8）.

圖6 軟件工作流程

1） 系統(tǒng)上電或復位狀態(tài)下，軟件完成硬件初始化和系統(tǒng)初始化，置所有輸出接口保持預設的狀態(tài)；

2） 系統(tǒng)軟件依據配置信號選擇調用接口控制模塊或地面支持模塊；

3） 接口控制模塊下，數據采集系統(tǒng)通過IEEE-1394總線接口接收總線異步流數據包，設置總線接收和總線發(fā)送偏移，并判斷系統(tǒng)工作模式，進入正常工作模式或安全工作模式；

4） 正常工作時，數據采集系統(tǒng)以固定總線周期進行數據采集和輸出調度，并對實時任務進行在線監(jiān)測，向機電管理數據中心周期上傳數據采集結果和狀態(tài)；

5） 自檢工作時，置所有輸出接口保持上電預設狀態(tài)，對硬件接口進行自檢，記錄故障接口，并向機電管理數據中心上傳自檢結果；

6） 地面支持模塊下，可將NVRAM在實時任務或BIT中記錄的數據信息通過串行口下載到地面設備上，同時可實現數據采集系統(tǒng)的軟件維護和升級。

4 結束語

本文介紹了一種基于IEEE-1394總線的高速數據采集系統(tǒng)設計和實現方案。設計從提高數據采集系統(tǒng)的實時性、通用性、小型化的角度出發(fā)，通過采用IEEE-1394專用總線芯片和FPGA+DSP的數據處理架構，極大的增強了系統(tǒng)數據處理能力和動態(tài)實時響應速度。系統(tǒng)能夠根據不同機載子系統(tǒng)對模擬信號和數字信號數量的不同需求，通過靜態(tài)局部重構技術實現靈活配置，滿足采集要求；針對機載子系統(tǒng)模擬信號使用廣泛、處理復雜的特點，系統(tǒng)采用軟件開關動態(tài)切換技術，實現了信號采集的靈活配置和小型化設計。經過系統(tǒng)級驗證，該方案工作穩(wěn)定，滿足數據采集速度及采集精度的要求，且方案具備安裝方便，小型化，通用性等優(yōu)點，具有較強的現實意義，可廣泛應用于航空、航天和工業(yè)等各個領域。

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[7] 曾紅，劉世杰，張翔，等. 基于USB的高速并行數據采集系統(tǒng)的設計與實現[J].計算機測量與控制，2007，15（8）.

圖6 軟件工作流程

1） 系統(tǒng)上電或復位狀態(tài)下，軟件完成硬件初始化和系統(tǒng)初始化，置所有輸出接口保持預設的狀態(tài)；

2） 系統(tǒng)軟件依據配置信號選擇調用接口控制模塊或地面支持模塊；

3） 接口控制模塊下，數據采集系統(tǒng)通過IEEE-1394總線接口接收總線異步流數據包，設置總線接收和總線發(fā)送偏移，并判斷系統(tǒng)工作模式，進入正常工作模式或安全工作模式；

4） 正常工作時，數據采集系統(tǒng)以固定總線周期進行數據采集和輸出調度，并對實時任務進行在線監(jiān)測，向機電管理數據中心周期上傳數據采集結果和狀態(tài)；

5） 自檢工作時，置所有輸出接口保持上電預設狀態(tài)，對硬件接口進行自檢，記錄故障接口，并向機電管理數據中心上傳自檢結果；

6） 地面支持模塊下，可將NVRAM在實時任務或BIT中記錄的數據信息通過串行口下載到地面設備上，同時可實現數據采集系統(tǒng)的軟件維護和升級。

4 結束語

本文介紹了一種基于IEEE-1394總線的高速數據采集系統(tǒng)設計和實現方案。設計從提高數據采集系統(tǒng)的實時性、通用性、小型化的角度出發(fā)，通過采用IEEE-1394專用總線芯片和FPGA+DSP的數據處理架構，極大的增強了系統(tǒng)數據處理能力和動態(tài)實時響應速度。系統(tǒng)能夠根據不同機載子系統(tǒng)對模擬信號和數字信號數量的不同需求，通過靜態(tài)局部重構技術實現靈活配置，滿足采集要求；針對機載子系統(tǒng)模擬信號使用廣泛、處理復雜的特點，系統(tǒng)采用軟件開關動態(tài)切換技術，實現了信號采集的靈活配置和小型化設計。經過系統(tǒng)級驗證，該方案工作穩(wěn)定，滿足數據采集速度及采集精度的要求，且方案具備安裝方便，小型化，通用性等優(yōu)點，具有較強的現實意義，可廣泛應用于航空、航天和工業(yè)等各個領域。

參考文獻：

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[7] 曾紅，劉世杰，張翔，等. 基于USB的高速并行數據采集系統(tǒng)的設計與實現[J].計算機測量與控制，2007，15（8）.