基于OMAP-L138的便攜式設備狀態監測與診斷儀設計

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。設計中參考了信邁的OMAPL138+SPARTAN6評估板， 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。

評估板簡介

基于TI OMAP-L138（定點/浮點 DSP C674x+ARM9）+ Xilinx Spartan-6 FPGA處理器；

OMAP-L138 FPGA 通過uPP、EMIFA、I2C總線連接，通信速度可高達 228MByte/s；OMAP-L138主頻456MHz，高達3648MIPS和2746MFLOPS的運算能力；

FPGA 兼容 Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45，平臺升級能力強；

開發板引出豐富的外設，包含千兆網口、SATA、EMIFA、uPP、USB 2.0 等高速數據傳輸接口，同時也引出 GPIO、I2C、RS232、PWM、McBSP 等常見接口；

通過高低溫測試認證，適合各種惡劣的工作環境；

DSP+ARM+FPGA三核核心板，尺寸為 66mm*38.6mm，采用工業級B2B連接器，保證信號完整性； ?

支持裸機、SYS/BIOS 操作系統、Linux 操作系統。

XM138F-IDK-V3.0 是一款基于深圳信邁XM138-SP6-SOM核心板設計的開發板，采用沉金無鉛工藝的4層板設計，它為用戶提供了 XM138-SP6-SOM核心板的測試平臺，用于快速評估XM138-SP6-SOM核心板的整體性能。

XM138-SP6-SOM引出CPU全部資源信號引腳，二次開發極其容易，客戶只需要專注上層應用，大大降低了開發難度和時間成本，讓產品快速上市，及時搶占市場先機。不僅提供豐富的 Demo 程序，還提供詳細的開發教程，全面的技術支持，協助客戶進行底板設計、調試以及軟件開發。

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.

Windows 硬件開發

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