基于LabVIEW和ARM嵌入式數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸控制系統(tǒng)

　基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有不受地理環(huán)境、氣候、時間的影響，小型便攜，使用靈活方便，交互操作性好，傳輸速率高，可靠性高，功耗低和移動性好等優(yōu)點。目前常用的嵌入式CPU中，ARM由于性價比在同類產(chǎn)品中比較突出，目前用得越來越多，尤其是結(jié)合開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)以后，更是得到越來越多設(shè)計者的青睞。LabVIW作為一種功能強大，簡單易用和設(shè)計靈活的圖形化編程語言，已經(jīng)廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，越來越多地應(yīng)用在虛擬儀器、測試測量、數(shù)據(jù)分析、信號處理以及遠(yuǎn)程控制中。本設(shè)計中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于ARM和嵌入式Linux的方案來實現(xiàn)。采用高性能的ARM嵌入式微處理器Samsung S3C2440作為系統(tǒng)的核心，結(jié)合數(shù)據(jù)采集、下變頻、存儲模塊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速實時采集。同時，利用處理器外部配備的以太網(wǎng)控制器CS8900完成與主機上運行的LabVIEW服務(wù)器通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

　　1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　采用SamsungS3C2440作為前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心控制器件。系統(tǒng)的整體設(shè)計任務(wù)分為信號采集與下變頻、數(shù)據(jù)存儲與傳輸、信號顯示與處理分析等。整體設(shè)計方案構(gòu)架見圖1。信號采集部分采用ADI公司的AD9244完成，AD9244是一款14 bit,40／65 MSPS的高性能ADC。為了滿足AD9244差分輸入的要求，在信號的輸入端配合了AD8138低失真單端轉(zhuǎn)差分ADC驅(qū)動芯片。信號采集完成后，送至ADC6620正交數(shù)字下變頻器(Digital Down Conversion，DDC)處理，經(jīng)過抽取和濾波后的I,Q兩路正交信號在其輸出的數(shù)據(jù)有效以及I／Q指示信號的配合下，由FPGA產(chǎn)生靜態(tài)隨機存取存儲器(static Random Access Memory，SRAM)存儲時序并存儲至64 K×16 bit的SRAM中。

　　在FPGA中主要完成SRAM讀寫時序產(chǎn)生、SRAM讀寫地址生成、數(shù)據(jù)通道選擇等工作，F(xiàn)PGA中的邏輯在一個16 bit的控制字寄存器的控制下有序地工作。當(dāng)SRAM中存儲一定量的數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷信號，提示ARM將數(shù)據(jù)取走。為了提高系統(tǒng)的速度，ARM采用直接數(shù)據(jù)存儲(Direct Memory Address，DMA)方式讀取數(shù)據(jù)。之后運行在ARM上的客戶端程序?qū)?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程主機。遠(yuǎn)程主機上的LabVIEW服務(wù)器程序?qū)κ盏降臄?shù)據(jù)進行顯示、頻譜分析、存儲回放等處理，同時遠(yuǎn)程主機的控制信號以及為下變頻器ADC6620設(shè)計的濾波器文件也可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給客戶端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　2．1 ADC設(shè)計

　　外部模擬信號從SMA(Sub Miniature-A)接口輸入，隔離直流后進入AD8138 ADC驅(qū)動芯片，AD8138將單路輸入信號變成兩路差分信號，送至AD9244轉(zhuǎn)換。AD9244中幾個重要引腳的含義及接法：

　　a)CML(Common　Mode Reference)：串聯(lián)一個0．1μF的電容后接地。

　　b)DCS(Duty Cycle Stabilizer)：接+5 V電源時表示轉(zhuǎn)換時鐘為50％占空比，接地表示轉(zhuǎn)換時鐘的上升沿與下降沿均由外界控制。本設(shè)計中DCS接+5 V電源。

　　c)SENSE(Internal Reference Control)：接地時將輸入信號峰峰值的范圍限制為1 V，接VREF時將輸入信號峰峰值的范圍限制為2 V。本設(shè)計中SENSE接VREF。

　　d)DFS(Data Format Select)：接+5 V電源時輸出數(shù)據(jù)格式為補碼，接地時為直接二進制碼輸出。由于ADC6620將其輸入數(shù)據(jù)解釋成補碼，本設(shè)計中DFS接+5 V電源。

　　2．2 ADC6620設(shè)計

　　AD6620的任務(wù)是將高速數(shù)據(jù)流變成當(dāng)前可實時處理的中低速數(shù)據(jù)流。在本設(shè)計中，AD6620數(shù)據(jù)輸入端代表指數(shù)含義的3位(EXP0～EXP2)接地，且工作在單輸入通道模式下(A／B=3．3 V)，以模式0接收來自于ARM的配置信息(MODE=GND)，采用并行方式輸出數(shù)據(jù)(PAR／SER=3．3 V)。

　　2．3 其它設(shè)計

　　本設(shè)計所采用的ARM開發(fā)板是由廣州友善之臂公司所生產(chǎn)的QQ2440V3，其上有一個44針的系統(tǒng)總線接口，它與FPGA連接起來完成數(shù)據(jù)與控制信息的傳輸。FPGA與SRAM的設(shè)計比較簡單，這里不再贅述。

　　3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　為完成系統(tǒng)任務(wù)，需要實現(xiàn)幾個方面的軟件設(shè)計：

　　a)正交數(shù)字下變頻器AD6620濾波器以及控制寄存器設(shè)計。

　　b)在FPGA上實現(xiàn)系統(tǒng)控制、SRAM讀寫地址生成、數(shù)據(jù)通道選擇等功能的Verilog HDL程序。

　　c)ARM上基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集硬件驅(qū)動程序。

　　d)ARM上客戶端應(yīng)用程序。

　　e)遠(yuǎn)程主機上基于LabVIEW的服務(wù)器以及顯示、頻譜分析、存儲與回放程序。

　　3．1 AD6620濾波器及控制寄存器設(shè)計

　　AD公司專門針對AD6620芯片推出了濾波器設(shè)計軟件fltrdsn以及監(jiān)視控制軟件AD6620，但該軟件是基于計算機并口與AD6620芯片連接的，不適應(yīng)設(shè)計中遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制、多客戶端的任務(wù)要求?？梢岳迷撥浖⒃O(shè)計成功的濾波器以及配置文件保存下來，利用LabVIEW的文件處理功能自動將信息提取出來，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程配置AD6620。

　　3．2 FPGA邏輯設(shè)計

　　FPGA內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)見圖2?？紤]到后續(xù)設(shè)計的需要，F(xiàn)PGA內(nèi)部使用ARM地址總線的低3位來選擇當(dāng)前操作的模塊，具體的地址與內(nèi)部模塊對應(yīng)關(guān)系見表1。

　　圖2中各模塊功能進一步說明如下：

　　a)Input_db_part：雙向數(shù)據(jù)總線分離。配合由Control_register送來的控制信號，在Conf_6620有效時將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)送至Config_6620模塊，完成AD6620配置，在Fetch_sram信號有效時將讀SRAM得到的數(shù)據(jù)傳送至ARM數(shù)據(jù)總線。

　　b)Control_register：控制寄存器。內(nèi)部模塊有序工作的核心，具體的控制定義見表2。

　　c)Config_6620：配置AD6620。此模塊在Conf 6620位有效時接收由ARM傳來的AD6620配置信息，完成DDC濾波器和控制寄存器配置。它除了本身使用ARM地址總線的3位ARM ADD[3：1]作為FPGA內(nèi)部模塊選擇之外，還用了ARM ADD[6：4]作為AD6620的外部接口寄存器地址。Rdy in信號用于指示寫入操作成功，ARM檢測到此信號有效后，進行下一次的寫操作。

　　d)PII：鎖相環(huán)。Cyclone EP1C6Q240中有2個鎖相環(huán)模塊，設(shè)計中使用了其中的一個將20 MHz的時鐘倍頻至50 MHz，供AD9244，AD6620以及FPGA內(nèi)部使用。

　　e)Ad_to_sram：AD6620輸出數(shù)據(jù)寫入SRAM時序產(chǎn)生模塊。AD6620工作在單通道模式時典型輸出時序見圖。

　　此模塊主要完成的功能有：用2個數(shù)據(jù)鎖存器在DV與IQ信號的控制下鎖存I路和Q路數(shù)據(jù)，產(chǎn)生寫SRAM所需的地址。由于AD6620抽取率較高的緣故，輸出數(shù)據(jù)率一般較低，在模塊中使用了狀態(tài)機在2次有效數(shù)據(jù)期間產(chǎn)生寫SRAM的時序。此外，當(dāng)寫地址到達設(shè)定值時，模塊產(chǎn)生寫溢出中斷，提示ARM改變控制寄存器內(nèi)容，讀取數(shù)據(jù)。

　　a)Read_add_gen：讀地址產(chǎn)生。在Fetch_sram位的控制下，產(chǎn)生讀SRAM時的地址，當(dāng)讀地址到達設(shè)定值時，產(chǎn)生讀溢出中斷，提示ARM改變控制寄存器內(nèi)容，進行下一步操作。

　　b)Control_logic：控制邏輯。模塊在Start_daq有效時選擇由Ad_to_sram模塊產(chǎn)生的寫SRAM的地址、數(shù)據(jù)與控制總線與SRAM相接，而在Fetch_sram有效時選擇讀SRAM的地址、數(shù)據(jù)與控制總線與SRAM相接。與DMA讀取有關(guān)的請求與響應(yīng)信號也在此模塊中處理。

　　3．3 嵌入式Linux驅(qū)動程序設(shè)計

　　驅(qū)動程序是硬件與應(yīng)用程序的接口。針對設(shè)計任務(wù)與硬件特點，在驅(qū)動程序中設(shè)計了以下函數(shù)：

　　a) AD6620_read：申請DMA緩存，睡眠等待寫溢出中斷到來，DMA傳輸完成后，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間傳送至用戶空間，釋放DMA緩存。

　　b) AD6620_ioctl：核心是一個switch選擇結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用程序中用戶命令，完成初始化DMA，寫控制寄存器或者配置AD6620的工作。

　　c)AD6620 open：主要完成DMA通道參數(shù)設(shè)置，初始化IO端口和信號量。

　　d) AD6620 release：完成與AD6620_open相反的工作，主要是一些清理和釋放申請資源的工作。

　　函數(shù)編寫好后，通過下面的file_operations結(jié)構(gòu)體聯(lián)系起來：

　　e) AD6620 init：初始化函數(shù)，完成驅(qū)動程序注冊、中斷與中斷處理函數(shù)注冊、創(chuàng)建設(shè)備文件節(jié)點等。其中的驅(qū)動程序注冊的核心就是上面的file_operations結(jié)構(gòu)體。

　　驅(qū)動程序編寫好后，用戶就可以在應(yīng)用程序中調(diào)用這些函數(shù)，實現(xiàn)通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用來操作底層硬件。

　　3．4 客戶端應(yīng)用程序

　　客戶端應(yīng)用程序為了保證數(shù)據(jù)與控制信息的可靠傳輸，采用的是基于TCP協(xié)議的Socket網(wǎng)絡(luò)編程。本次設(shè)計客戶端運行在ARM上，采用的是Linux下的C編程；而服務(wù)器端運行在遠(yuǎn)程主機上，利用LabVIEW的圖形化語言實現(xiàn)。具體客戶端的通信與控制流程圖見圖4?？梢钥闯??？蛻舳耸且蕾囉谧x取由遠(yuǎn)程主機發(fā)送的控制字符來完成實時控制，實現(xiàn)與服務(wù)器端的交互操作的。因此，無論是客戶端還是服務(wù)器端，在每一次發(fā)送數(shù)據(jù)與控制信息時，都會發(fā)送一個控制字符，接收端就是依靠識別此字符來完成相應(yīng)的操作。表3中給出了控制字符與所執(zhí)行操作之間的對應(yīng)關(guān)系。

　　3．5 LabVIEW服務(wù)器程序設(shè)計

　　服務(wù)器端的完整程序見圖5。服務(wù)器在指定的端口上偵聽，等待遠(yuǎn)程客戶端的連接。程序的核心是兩個循環(huán)框，上面的循環(huán)框完成發(fā)送數(shù)據(jù)和控制信息的任務(wù)，主要包括傳送AD6620濾波器設(shè)計與控制寄存器配置文件、實時改變AD6620可動態(tài)配置寄存器內(nèi)容、開始數(shù)據(jù)采集以及停止系統(tǒng)控制等模塊。

　　數(shù)據(jù)與控制信息內(nèi)容放在LabVIEW事件框圖中，當(dāng)用戶單擊前面板上的控制按鈕時，相應(yīng)的信息被發(fā)送，這樣就避免了系統(tǒng)無休止地查詢，節(jié)約了系統(tǒng)資源。下面的循環(huán)框完成讀SRAM數(shù)據(jù)接收、分離IQ信號、頻譜分析與顯示等，當(dāng)用戶使得存儲文件路徑不為空時，可以將此時數(shù)據(jù)顯示控件上的數(shù)據(jù)保存下來；而當(dāng)回放文件路徑不為空時，用戶可以回放之前保存的歷史數(shù)據(jù)。頻譜顯示控件有線性與對數(shù)顯示兩種格式，它受前面板上的一個系統(tǒng)復(fù)選框的控制。

　　4 設(shè)計結(jié)果驗證

　　采用了3組實驗來驗證設(shè)計的正確性。實驗條件：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)IP地址192．168．1．230，遠(yuǎn)程主機IP地址192．168．1．1，二者位于同一個局域網(wǎng)內(nèi)。系統(tǒng)工作主頻50 MHz，AD6620濾波器為低通濾波器，通帶截止頻率10 kHz，阻帶截止頻率15 kHz，通帶內(nèi)衰減0 dB，阻帶衰減-60 dB，三級濾波器的抽取系數(shù)分別為10，25，2。

　　第1組實驗的輸入信號為單頻信號，頻率1．005 MHz，幅度250 mV，AD6620中NCO頻率字設(shè)定為1 MHz。實驗恢復(fù)的I路信號及其頻譜分析見圖6(a)。從實驗結(jié)果來看，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)頻率準(zhǔn)確，較好地恢復(fù)了信號。第2組實驗的輸入信號為調(diào)幅信號，載波頻率1 MHz，幅度250 mV，單音調(diào)制信號頻率為3 kHz，調(diào)制深度30％。AD6620中NCO頻率字設(shè)定為1 MHz。實驗恢復(fù)的信號與頻譜分析見圖6(b)。這時從頻譜圖上可以清晰地看出差頻之后，在零頻周圍300 Hz處有1根清晰的譜線。第3組實驗的輸入信號為單頻信號，頻率1．018 MHz，幅度250 mV，AD6620中NCO頻率字設(shè)定為1 MHz。實驗恢復(fù)的I路信號與頻譜分析見圖6(c)。此時由于信號處于濾波器通帶之外，衰減很大，不能恢復(fù)信號。I路信號顯示圖中類似于“毛刺”的信號是由于電路底噪聲在AD6620中運算所產(chǎn)生。綜合3組實驗的結(jié)果，本次設(shè)計較好地完成了設(shè)計任務(wù)。

　　5 結(jié)論

　　數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)是一個高集成，特別講究軟硬件間相互配合的綜合系統(tǒng)，強調(diào)的是協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、高速、精準(zhǔn)地完成各項數(shù)據(jù)采樣工作。本設(shè)計中，在合理設(shè)計硬件的基礎(chǔ)上，分別對FPGA，ARM以及遠(yuǎn)程主機上的服務(wù)器程序精心設(shè)計，解決了以往系統(tǒng)在大量數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲存、讀寫和處理時的速度以及靈活性問題。利用LabVIEW功能強大、簡單易用，設(shè)計靈活的圖形化編程語言，很容易地實現(xiàn)了對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端的配置與控制。