摘 要：提出基于OMAP-L138的便携式设备状态监测与诊断仪的设计方案。介绍了其软硬件结构设计，重点对数据采集部分的硬件及数据采集模块的软件设计做了详细的介绍。利用了ARM核控制处理优势与DSP核数字处理能力，实现低功耗高性能的优点。
关键词：OMAP；故障诊断仪； 数据采集

工业设备的状态监测和故障诊断，有效地保证了设备的平稳运行，并在设备预知维修中发挥越来越重要的作用。为了满足石化企业对于状态监测和故障诊断的需求，设计了一款便携式综合性设备状态监测与诊断仪器。TI公司推出的OMAPL138双核处理器，具备强大的复杂数据处理能力和可靠的实时性，可以实现高性能双通道数据采集器和信号分析，现场显示FFT频谱图、轴心轨迹等功能。
OMAPL138处理器综合了DSP和ARM两个处理器各自在实时性和计算精度上的优势。DSP进行信号处理任务，ARM可以运行嵌入式操作系统及图形界面，完成波形显示、存储及外围器件的控制。DSP与ARM间的数据通信由DSP/BIOS桥来实现。
1 硬件设计
1.1 处理器及其外设电路设计
　OMAPL138芯片采用C6748内核和ARM926EJ-S核，两个处理器主频最高支持到456 MHz。C6748是一个定点浮点数字信号处理器核，它相对TMS320C6000器件功耗显著降低，并可实现代码兼容。ARM926EJ-S是一个32 bit精简指令集的处理器核，可以执行32 bit、16 bit指令集，处理32 bit、16 bit、8 bit数据。ARM核有一个协处理器CP15，以及8 KB的RAM、64 KB的ROM。接口支持1个10/100 M以太网接口，DDR2内存控制器，1个EMIFA接口，2套I2C与SPI接口，以及2套McBSP接口等[1]。OMAPL138的硬件连接图如图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选用SPANSION公司的一款容量为32 MB的芯片，用于存储BOOT内容和应用程序。此外，OMPAL138的数据地址线顺序采用SMALL_EIDEN模式，地址线和数据线的连接要注意最高有效位与最低有效位的顺序与PowerPC等系列的处理器不一致。
　OMAPL138支持mDDR和DDR2两种制式，本设计选用DDR2 SDRAM作为芯片的内存。DDR2 SDRAM采用1片DDR2芯片MT47H64M16HR来实现，单片芯片的容量是128 MB，位宽16 bit，内部分为8个BANK。只需要配置SDCR、SDRCR、SDTIMR1、SDTIMR2这4个寄存器即可实现对DDR2的配置。OMAPL138的DDR2控制器最高速率支持150 MHz。
　OMAPL138通过I2C接口连接一片E2PROM,型号为AT24C32CN，有 4 096×8 bit的存储空间，用于存储传感器标定参数和版本信息等。
　此外OMAPL138通过MII接口连接网线与PC机之间的通信，还可以通过UART接口方便地与上位机进行驱动程序的调试，打印调试信息。
1.2 数据采集电路设计
系统数据采集部分由两路高速AD、大容量缓冲器FIFO和FPGA组成。FPGA负责高速数据采集逻辑控制、缓存FIFO逻辑控制[2]。采集得到的信号传到OMAP中的DSP核，然后进行信号处理、完成算法，最后送给ARM核进行波形显示等功能。数据采集模块架构如图2所示。

　通过压电式加速度传感器采集得到的振动信号，首先通过信号调理放大电路，之后再经过二阶巴特沃斯带通滤波器，可以由AD采集得到纯净的加速度信号。加速度信号经过一级积分电路可得到速度信号，再经过一级积分电路可得到位移信号。
　在旋转机械状态检测和诊断中，键相信号占有重要的位置。通过电涡流传感器产生的键相信号一般为-10 V左右的负脉冲，经过隔直、反相、迟滞比较之后变成3.3 V的窄脉冲，送给FPGA作为触发采集的触发信号。
　FPGA选用Altera公司的Cyclone系列,通过OMAP上的UPP（Universal Parallel Port）接口相连接，将高速数据信号传输到OMAP的DSP核。FPGA接受键相电路的触发作为数据采集的相位零点，同时控制单路或两路AD同时对调理后的振动信号进行采集，采集得到的数值先缓存到FIFO中，然后再通过FPGA传送到OMAP中。
　在OMAP的DSP核中，可以将采集得到的振动波形进行数字信号处理，完成傅里叶变换、轴心轨迹、动平衡等算法。最终通过DSP/BIOS桥将处理结果传送给ARM核，在应用程序中显示出时域图、频谱图和轴心轨迹图等。

2 软件设计
　设备状态监测与诊断仪的软件设计包括：引导程序的设计、操作系统内核裁剪和移植、定制文件系统以及应用程序及界面的开发。OMAP中DSP核运行DSP/BIOS实时系统，ARM核运行Windows CE系统。DSP/Link为处理器提供双核通信架构。在DSP端，DSP/Link作为DSP/BIOS的一个驱动而存在。在ARM端，DSP/Link作为一个外设而存在，并通过应用层的函数库访问这个设备来进行操作。
2.1操作系统搭建与移植
板级支持包（BSP）是介于主板硬件和操作系统之间的一层，主要目的是支持操作系统，使之能够更好地运行于硬件主板。一个典型的Windows CE板级支持包包括引导装载程序Boot loader、OEM适配层(OAL)，设备驱动以及系统镜像的配置文件四个组成部分。应用集成开发环境Platform Build根据特定的BSP，可以生成针对不同硬件的特定操作系统镜像。对嵌入式操作系统Windows CE进行剪裁，结合板级支持包编译生成可在硬件上运行的操作系统，达到Windows CE对硬件系统移植的目的。通过对Windows CE部分代码的修改，实现系统需求的新软件特性的扩展。
设备驱动的设计和开发,包括数据采集系统的驱动、红外测温模块、面板功能键盘模块及电源管理模块等设备的驱动；并且面向系统和应用程序提供友好而灵活的接口，方便上层调用。
2.2 数据采集功能模块设计
　数据采集模块是设备状态监测与诊断仪的核心部分，其驱动的高效性和稳定性是影响整个系统的关键因素。其基本工作流程如图3所示。

在启动数据采集之前，可以先对采样点数、采样频率以及单/双通道采集等进行设置。在采集过程中，当A/D转换器完成一个周期的转换后，会给FPGA发出一个中断，FPGA对FIFO发出写信号并将转换完成后的数据写入FIFO。当FIFO达到半满时,其半满标志位会发出中断信号，FPGA接收到该信号后,控制OMAP对FIFO执行读操作。非触发采集方式和触发采集方式不同之处是:在非触发采集方式下，A/D的启动、停止信号由OMAP提供，当需要转换时，OMAP发出启动转换信号，启动AD转换，停止亦然;在触发采集方式下，采集启动、停止信号由键相信号来提供。
以OMAPL138为处理器平台的便携式设备状态监测与诊断仪，满足了手持仪器低功耗高性能的要求。ARM核与DSP核的协同工作，既满足了高速数字信号处理的要求，完成复杂的故障诊断算法，又具备强大的外设管理及控制能力，同时Window CE还为用户提供了丰富友好的操作界面，以满足用户的需求。
参考文献
[1] Texas Instrument. OMAP-L138 Technical Reference Manual [EB/OL]. 2009.
[2] 任雷，林岩,张干沫阳. 基于CPLD的OMAP-L137与 ADS1178数据通信设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2009，8：26-28.
[3] 武昱. 嵌入式数据采集系统的研究与开发[D]. 北京：北京化工大学，2008.