摘 要： 提出基于OMAP-L138的便攜式設備狀態監測與診斷儀的設計方案。介紹了其軟硬件結構設計，重點對數據采集部分的硬件及數據采集模塊的軟件設計做了詳細的介紹。利用了ARM核控制處理優勢與DSP核數字處理能力，實現低功耗高性能的優點。
關鍵詞： OMAP； 故障診斷儀； 數據采集
工業設備的狀態監測和故障診斷，有效地保證了設備的平穩運行，并在設備預知維修中發揮越來越重要的作用。為了滿足石化企業對于狀態監測和故障診斷的需求，設計了一款便攜式綜合性設備狀態監測與診斷儀器。TI公司推出的OMAPL138雙核處理器，具備強大的復雜數據處理能力和可靠的實時性，可以實現高性能雙通道數據采集器和信號分析，現場顯示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勢。DSP進行信號處理任務，ARM可以運行嵌入式操作系統及圖形界面，完成波形顯示、存儲及外圍器件的控制。DSP與ARM間的數據通信由DSP/BIOS橋來實現。
1 硬件設計
1.1 處理器及其外設電路設計
OMAPL138芯片采用C6748內核和ARM926EJ-S核，兩個處理器主頻最高支持到456 MHz。C6748是一個定點浮點數字信號處理器核，它相對TMS320C6000器件功耗顯著降低，并可實現代碼兼容。ARM926EJ-S是一個32 bit精簡指令集的處理器核，可以執行32 bit、16 bit指令集，處理32 bit、16 bit、8 bit數據。ARM核有一個協處理器CP15，以及8 KB的RAM、64 KB的ROM。接口支持1個10/100 M以太網接口，DDR2內存控制器，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內容和應用程序。此外，OMPAL138的數據地址線順序采用SMALL_EIDEN模式，地址線和數據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，本設計選用DDR2 SDRAM作為芯片的內存。DDR2 SDRAM采用1片DDR2芯片MT47H64M16HR來實現，單片芯片的容量是128 MB，位寬16 bit，內部分為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，用于存儲傳感器標定參數和版本信息等。
此外OMAPL138通過MII接口連接網線與PC機之間的通信，還可以通過UART接口方便地與上位機進行驅動程序的調試，打印調試信息。
1.2 數據采集電路設計
系統數據采集部分由兩路高速AD、大容量緩沖器FIFO和FPGA組成。FPGA負責高速數據采集邏輯控制、緩存FIFO邏輯控制[2]。采集得到的信號傳到OMAP中的DSP核，然后進行信號處理、完成算法，最后送給ARM核進行波形顯示等功能。數據采集模塊架構如圖2所示。
通過壓電式加速度傳感器采集得到的振動信號，首先通過信號調理放大電路，之后再經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。加速度信號經過一級積分電路可得到速度信號，再經過一級積分電路可得到位移信號。
在旋轉機械狀態檢測和診斷中，鍵相信號占有重要的位置。通過電渦流傳感器產生的鍵相信號一般為-10 V左右的負脈沖，經過隔直、反相、遲滯比較之后變成3.3 V的窄脈沖，送給FPGA作為觸發采集的觸發信號。
FPGA選用Altera公司的Cyclone系列,通過OMAP上的UPP（Universal Parallel Port）接口相連接，將高速數據信號傳輸到OMAP的DSP核。FPGA接受鍵相電路的觸發作為數據采集的相位零點，同時控制單路或兩路AD同時對調理后的振動信號進行采集，采集得到的數值先緩存到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行數字信號處理，完成傅里葉變換、軸心軌跡、動平衡等算法。最終通過DSP/BIOS橋將處理結果傳送給ARM核，在應用程序中顯示出時域圖、頻譜圖和軸心軌跡圖等。
2 軟件設計
設備狀態監測與診斷儀的軟件設計包括：引導程序的設計、操作系統內核裁剪和移植、定制文件系統以及應用程序及界面的開發。OMAP中DSP核運行DSP/BIOS實時系統，ARM核運行Windows CE系統。DSP/Link為處理器提供雙核通信架構。在DSP端，DSP/Link作為DSP/BIOS的一個驅動而存在。在ARM端，DSP/Link作為一個外設而存在，并通過應用層的函數庫訪問這個設備來進行操作。
2.1操作系統搭建與移植
板級支持包（BSP）是介于主板硬件和操作系統之間的一層，主要目的是支持操作系統，使之能夠更好地運行于硬件主板。一個典型的Windows CE板級支持包包括引導裝載程序Boot loader、OEM適配層(OAL)，設備驅動以及系統鏡像的配置文件四個組成部分。應用集成開發環境Platform Build根據特定的BSP，可以生成針對不同硬件的特定操作系統鏡像。對嵌入式操作系統Windows CE進行剪裁，結合板級支持包編譯生成可在硬件上運行的操作系統，達到Windows CE對硬件系統移植的目的。通過對Windows CE部分代碼的修改，實現系統需求的新軟件特性的擴展。
設備驅動的設計和開發,包括數據采集系統的驅動、紅外測溫模塊、面板功能鍵盤模塊及電源管理模塊等設備的驅動；并且面向系統和應用程序提供友好而靈活的接口，方便上層調用。
2.2 數據采集功能模塊設計
數據采集模塊是設備狀態監測與診斷儀的核心部分，其驅動的高效性和穩定性是影響整個系統的關鍵因素。其基本工作流程如圖3所示。
在啟動數據采集之前，可以先對采樣點數、采樣頻率以及單/雙通道采集等進行設置。在采集過程中，當A/D轉換器完成一個周期的轉換后，會給FPGA發出一個中斷，FPGA對FIFO發出寫信號并將轉換完成后的數據寫入FIFO。當FIFO達到半滿時,其半滿標志位會發出中斷信號，FPGA接收到該信號后,控制OMAP對FIFO執行讀操作。非觸發采集方式和觸發采集方式不同之處是:在非觸發采集方式下，A/D的啟動、停止信號由OMAP提供，當需要轉換時，OMAP發出啟動轉換信號，啟動AD轉換，停止亦然;在觸發采集方式下，采集啟動、停止信號由鍵相信號來提供。
以OMAPL138為處理器平臺的便攜式設備狀態監測與診斷儀，滿足了手持儀器低功耗高性能的要求。ARM核與DSP核的協同工作，既滿足了高速數字信號處理的要求，完成復雜的故障診斷算法，又具備強大的外設管理及控制能力，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
[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數據通信設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2009，8：26-28.
[3] 武昱. 嵌入式數據采集系統的研究與開發[D]. 北京：北京化工大學，2008.