基于DSP／BIOS的数据采集系统研制

摘要：针对多模式、高速、大数量采集及网络实时上传的要求，设计专用数据采集系统。硬件上以DM642作为主控CPU，软件上利用其内嵌的DSP／BIOS操作系统调度网络控制任务、数据采集任务、周期触发线程以及硬件中断，并利用网络开发工具包NDK实现TCP／IP协议，完成网络控制和通信。构建可靠的数据传输机制，保证底层高速采集的大数据量快速可靠的上传。最后，用VC开发上位机程序，实现数据处理、显示和故障诊断。实际应用表明该系统运行稳定，满足实时采集的要求。
关键词：DSP／BIOS；DM642；多线程；NDK；数据采集

随着嵌入式系统复杂性、实时性的不断提高，采用单任务顺序和循环结构的传统软件构架已经不能满足要求，基于操作系统的多线程设计得到越来越多的应用。课题中，为了实时监测某型号导弹的整个测试过程，记录偶尔出现的故障信息并判断问题原因，设计以数据采集系统为核心的在线监测设备。传统的数据采集系统软件结构实时性差、资源利用率低，很难满足高速、大数据量采集并需要实时上传的应用场合。而课题中的数据采集系统需要采集现场多个类型、多个通道的数据，采集数据需通过网络实时传输给上位机，因此，采用DSP／BIOS实时操作系统提供的多任务机制并结合TI提供的NDK网络开发工具包来设计研制数据采集系统。

1 DSP／BIOS及NDK简介
DSP／BIOS是TI公司为C28x，C5000和C6000系列DSP开发的可裁剪实时多任务操作系统，同时也是CCS提供的一套多任务开发、硬件抽象、实时分析和系统配置的专用工具。DSP／BIOS以其功能丰富的APIs综合管理系统内存，实现任务分配和调度，实时监测分析系统运行，并提供方便的数据通信接口和外设驱动开发工具。DSP／BIOS的运用大大降低了DSP软件开发难度，提高了调试效率，非常适合结构复杂、实时性强和运行效率高的应用开发。NDK是TI专门为网络应用开发提供的网络开发工具包，利用其TCP／IP协议栈开发网络应用具有成本低、开发周期短的特点。网络性能由套接字类型、套接字缓冲区、CPU速度和CPU缓冲等几方面决定。

2 数据采集系统总体设计
数据采集系统可工作在两种模式下：模式一，采集数据通过网络实时上传；模式二，采集数据先存入CF卡，监测结束后一并上传。硬件上采用DM642+FPGA的主控方案，在DSP中运行DSP／BIOS操作系统来综合管理外设资源，分配调度硬件中断HWI、周期性触发线程PRD、数据采集任务和网络控制传输任务，从而实现对A／D采集、串口通信、数据存储和网络收发的控制。根据功能划分，数据采集系统可以分为A／D采集单元、RS 422通信单元、CF卡存储单元和网络控制收发单元。硬件总体框图如图1所示。

2．1 A／D采集单元设计
A／D采集单元分为高速采集和低速采集2个通道。高速采集通道选用12位的AD7356，单片并行双通道，最高采样率5 MSa／s，串行输出，通过5片AD7356的组合可并行或循环采集10路差分输入信号。低速采集通道选用12位的AD7658，单片并行6通道，最高采样率250KSa／s，2片AD7658采用菊花链的级联方式可同时采集12路差分或单端输入信号。A／D控制信号和转换数据通过磁耦隔离芯片IL716实现后端隔离。
2．2 其他功能单元设计
RS 422串口通信单元采用MAX485实现，1路发送5路接收，发送通道用于产生设备自检信号。数据存储单元选用大容量、掉电不丢失的CF卡，并开发支持IDE模式下UDMA传输的主控IP核，由FPGA独立控制。网路控制收发单元采用DM642自带的以太网接口并结合TI提供的TCP／IP协议栈实现。

3 多线程机制设计
3．1 DSP／BIOS提供的多线程机制
DSP／BIOS支持的线程按优先级从高到低可以分为硬件中断HWI、软件中断SWI、任务TSK和后台线程IDL。HWI就是ISR，优先级最高，适合200 kHz触发的任务；SWI适合100 ms或者更大周期的触发任务；Task不同SWI之处在于它在执行过程中能被挂起直到必需资源有效，任务之间可以通过queue，semaphore，mailbox进行信息共享；其他线程不运行时才运行IDL；HWI和SWI不能挂起和等待。
3．2 功能划分及任务规划
为了优化CPU资源，实现各功能的协调运作，需要合理划分功能、规划任务。本设计中构建了2个硬件中断线程HWI、一个周期触发线程PRD以及网络配置任务线程和网络传输任务线程共5个线程。各线程运行调度状态如图2所示。
3．2．1 硬件中断线程
硬件中断线程主要用来处理响应时间要求严格的请求，同时它的优先级最高，能抢占当前运行的其他线程及时运行。方案中的RS 422通信共5个接收通道，波特率高达614．4 Kb／s，且每个通道的缓冲FIFO只设计了256 B，连续通信时半满触发的时间为2 ms左右。因此，采用HWI处理RS 422通信数据，5个通道共用一个DSP中断源。另外，设计要求被测28 V信号作为AD采集的开关，即28 V有效时启动采集，28 V无效就得中断当前采集任务。因此，通过比较电路将28 V转换为控制信号触发DSP中断。