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0 引言 在瞬態信號測量和圖像處理等一些高速、高精度的測量中，往往都需要進行高速數據采集。現在通用的高速數據采集卡(一般多是PCI卡或ISA卡)存在有安裝麻煩、價格昂貴、受計算機插槽數量／地址／中斷資源的限制、可擴展性差，而且在一些電磁干擾性強的測試現場無法專門對其進行電磁屏蔽，因而會導致采集的數據失真等缺點。為此，本文給出了采用PHILIPS公司的一款LPC2142芯片(基于ARM7內核，內置了寬范圍的USB2.0 Device全速串行通信接口)設計的數據采集卡的設計方案，從而有效解決了傳統高速數據采集卡的上述缺陷。 1 基于ARM的數據采集卡系統結構 該系統主要由雙通道模／數轉換器AD9238、ARM微控制器LPC2142及FPGA器件EP1C3T100組成，圖1所示是其結構框圖。AD9238具有A、B兩個通道，前端的差分放大器把模擬信號通過放大送入AD9238，由AD9238把模擬信號轉換成12的數字信號同時送入FPGA中的FIFO緩存器進行緩存。然后由LabVIEW軟件制作的界面便可向LPC2142發送控制指令，LPC2142讀取FIFO緩存器中的數據后可通過USB端口發送給主機。而主機也可通過界面菜單選擇采樣頻率、采樣的起始點、模擬信號調理及讀取精度測頻數據等。 2 基于ARM的數據采集卡的硬件設計 2.1 AD9238模數轉換芯片 AD9238是美國模擬器件公司(ADI)推出的快速12位雙通道模數轉換器。AD9238有3種型號，采樣率最高分別可達20 MS／s、40 MS／s和65MS／s。AD9238可提供與單通道A／D轉換器同樣優異的動態性能，但是比使用2個單通道A／D轉換器具有更好的抗串擾性能；AD9238采用單3 V供電(2.7～3.6 V)；Rsn=70 dBc；Rsfd=85 dBc；ENOB為11.3 b；差分輸入時，具有500 MHz的3 dB帶寬；并有片上參考電壓和1～2 Vpp的模擬輸入范圍。 AD9238的兩個通道分別采用一個AD8138做為運放驅動芯片。I／Q兩路中頻模擬信號分別經過2個AD8138后變為差分信號送給A／D轉換器(第2，3，14，15管腳)。 高速ADC對時鐘的占空比很敏感。一般來說需要有50％(±5％)的占空比。AD9238可給每個通道單獨提供時鐘(管腳CLK_A和CLK_B)，當2個通道的采樣時鐘同頻同相時，系統會有比較好的性能，當2個通道小同步時，性能會有所下降。 本數據采集卡采用40 MHz的AD9238芯片，單雙通道選擇和轉換頻率采用軟件控制。 2.2 Cyclone系列FPGA器件 由于高速數據采集系統的特殊要求，本設計在眾多FPGA器件中選擇了ALTERA公司生產的Cyclone系列器件。Cyclone系列的高性能和高密度是基于它先進的Stratix的工藝構架，可為高速應用提供非常高的性價比，此外，Cyclone系列器件內部RAM存儲器還可以生成FIFO緩存器以便為高速采樣提供緩存空間。 Altera公司的Quartus II軟件是一款易于使用的綜合開發工具，它集成了Altera公司FPGA／CPLD開發流程中所涉及的所有工具和第三方軟件 接口，其友好界面為設計提供了便利條件。 在這里，FPGA器件主要用于完成數據緩存、等精度測頻、采樣頻率分頻及觸發控制等工作。 2.3 FPGA在觸發控制中的應用 由于此數據采集卡是高速緩存式的，且緩存空間有限，所以不能采用連續式采集方式，而是采用觸發式采集方式。為了提高數據采集卡的適用能力，使系統不僅可以采集周期信號，而且要能采集觸發信號，還要能手動觸發采集，筆者增加了觸發點捕捉電路。該電路主要由AD8561電壓比較器、FPGA芯片組成，由于AD8561芯片的轉換速度很高，故能滿足判斷速度足夠高的要求。可首先把模擬信號送到AD8561比較器的正輸入端，負輸人端則連接到LPC2142的D／A轉換器輸出端，LPC2142的D／A轉換器輸出電壓作為AD8561比較器的參考電壓，此參考電壓可以通過向LPC2142的D／A轉換器的寄存器寫入不同的值來進行調節。此調節最終可通過LabVIEW制作的界面來控制。當輸入信號高于 參考電壓時，AD8561的TOUT被拉高，TOUT的電平可以通過向AD8561的LATCH端輸入高電平來進行鎖存。 在手動采集方式下，TRIEN0為低電平，TRIEN1為高電平，當緩存器為空(即FWr_FUL為高電平)時，可通過LabVIEW制作的界面控制QSTART為高電平，并將FWr_EN拉高以進行數據采集。當緩存器滿時，FWr_FUL被拉低，同時FWr_EN被拉低以停止采集。圖2所示是本系統的觸發控制電路。 在輸入觸發方式下，TRIEN0和QSTART為低，當緩存器為空(即FWr_FUL為高電平)且輸入信號高于比較器的參考電壓時，TOUT被拉高，同時FWr_EN也被拉高以進行數據采集。而當緩存器滿時，FWr_FUL被拉低，FWr_EN也被拉低以停止采集。拉高TRIEN1后可讀取緩存數據。 采集周期信號和輸入信號觸發方式相似，只是要保持TRIEN1為高電平。而在讀取緩存數據時。只要觸發信號到來就可進行采集。 3 基于ARM的高速數據采集卡軟件設計 3.1 基于uC／OS-II的USB驅動編程 雖然uC／OS-II提供了多任務實時操作系統的內核，但在應用這個操作系統時，用戶通常仍然需要自己編寫基于uC／OS-II的外圍器件驅動程序，以使外圍器件能在操作系統的協調下更好的為用戶服務。為了使軟件可移植性、易維護，筆者編寫LPC2142 USB固件時綜合考慮了USB協議和LPC2142的USB硬件條件，并把驅動程序分為5層，圖3所示是LPC2142的USB固件分層結構圖。圖中的雙向線表示用戶軟件與USB固件之間存在著數據交換，單向線表示上層軟件對下層軟件的調用，這樣設計，固件結構比較分明。 有了USB驅動程序，用戶就可以在此平臺上完成用戶軟件所要實現的任務。用戶所要完成的任務如圖4所示，圖中的單向線表示主任務對讀寫任務的控制。主任務通過信號量來控制讀／寫任務的運行狀態，從而實現對FIFO緩存器的讀和寫。雙向線則表示各個模塊之間存在著數據交換。為了加快大量數據的收發，本程序把LPC2142 USB的邏輯端點1作為控制命令的傳輸管道，而把端點2作為數據的傳輸管道。 主任務會不斷地讀取端點1，如接收到PC機發來的讀命令，就激活高優先級讀任務的就緒信號量，以喚醒讀任務并進入讀中斷服務程序，同時把緩存器數據通過USB總線發給PC機，發送完畢關閉讀任務的就緒信號量并同到主循環，以等待PC機發來下一個命令。寫任務則與此相似。 3.2 LabWindows／CVI工具簡介 虛擬測量儀器的關鍵是要具有易于生成良好操作界面和強大數據處理能力的工具軟件。本系統的全部程序是用LabVIEWI開發的。LabVIEW是美國NI公司開發的基于C／C++的、專門用于虛擬儀表及過程控制的可視化編程語言。用Lab-VIEW提供的控制件庫(包括開關、旋鈕、圖表等)可以很容易地設計出符合實際要求、界面新穎美觀的操作界面。此外LabVIEW具有很強的數據處理功能，它提供了豐富的庫函數以用于數據輸入接口、數據處理(FFT等)和圖形顯示等功能，為開發應用軟件帶來了極大方便。圖5是用LabVIEW開發的系統操作界面。 3.3 基于LabWindow／CVI的主體軟件設計 整個主機運用程序包括面板設計、初始化、數據采集、數據處理和結果顯示等幾部分。 (1) 面板設計 主要是提供友好的操作界面，設計要求能符合常規測量儀器的操作習慣。 (2) 初始化 完成系統初始化功能，包括復位、送工作方式字、設置程序運行參數等。 (3) 數據采集 由于LabVIEW不能直接訪問用戶自己設計的硬件，因此，作為一個開放式開發平臺，Lab-VIEW提供了DLL接口，以使用戶在LabVIEW平臺上能調用其它軟件平臺編譯的模塊，并提供對對象連接和嵌入技術(簡稱OLE)的支持。筆者利用VC++6.0編寫了一個DLL文件，并在LabVIEW環境下調用該文件，從而實現了LabVIEW程序與數據采集卡的數據通信。下面是為讀寫USB設備所創建的DLL編譯項目的相關文件： DLLBulk.h：聲明變量或功能函數的頭文件； DLLBulk.def：模塊定義文件，是由若干個描述DLL模塊參數的語句組成的文本文件； DLLBulk.cpp：該文件為DLL主要代碼文件； 對DLLBulk.dsw下的各個文件進行編譯之后，即可在菜單欄中選擇Build->Build DLLBulk.dll以生成可以被LabVIEW調用的DLL文件。 (4) 數據處理及顯示 將采集并保存在內存中的采樣數據進行各種處理以用于不同測量目的。包括信號波形實時顯示、自動測量信號幅度和時間、圖形存盤、刪除圖形及回放等。限于篇幅，程序清單此處略。 4 結束語 本文給出的整個虛擬測量系統完全可在人機交互操作下運行，并可隨時更改測量參數及進行各種信號處理。系統各項指標如下： (1) 最高采樣率40 MHz，并可按1／2、1／4、1／8、…、1／128程控分頻采樣，雙路模擬輸入；ADC精度為12 bit；模擬輸入范圍為0～2 V；在板數據緩存4 K字節／路，傳輸方式為塊傳輸。 (2) 系統可對信號波形進行實時、最大值、最小值、或峰峰值顯示。 (3) 系統可提供顯示圖形的存盤、回放、刪除圖形文件等處理功能。 |
