基于ARM的高速數(shù)據(jù)采集卡

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數(shù)據(jù)采集要求的日益提高，在瞬態(tài)信號測量、圖像處理等一些高速、高精度的測量中，需要高速采集數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，存在以下缺點：安裝復(fù)雜，價格昂貴，受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴展性差，在一些電磁干擾性強的測試現(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。

本數(shù)據(jù)采集卡采用Philips公司的LPC2142微控制器(基于ARM7內(nèi)核，內(nèi)置了寬范圍的USB 2.0串行通信接口)，有效地解決了傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集卡的缺陷。

2 基于ARM的數(shù)據(jù)采集卡原理

本系統(tǒng)主要由雙通道模／數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9238、ARM微控制器及FPGA器件EP1C3T100組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。AD9238具有A、B 兩個通道，前端的差分放大器對模擬信號放大后送至AD9238，由AD9238將模擬信號轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號，同時送至FPGA中的FIFO緩存器。由LabVIEW設(shè)件制作的界面向LPC2142發(fā)送控制指令，LPC2142讀取FIFO緩存器中的數(shù)據(jù)并通過USB端口發(fā)送給主機。主機還可通過界面菜單選擇采樣頻率、采樣的起始點、模擬信號調(diào)理及讀取精度測頻數(shù)據(jù)等。

3 數(shù)據(jù)采集卡的硬件結(jié)構(gòu)

3.1 AD9238簡介

AD9238是美國模擬器件公司(ADI)推出的12位、雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器分為3種型號，采樣率最高分別可達20 MS／s,40 MS／s和65 MS／s。它提供與單通道A／D轉(zhuǎn)換器同樣優(yōu)異的動態(tài)性能，但是具有比采用2個單通道A／D轉(zhuǎn)換器更好的抗串?dāng)_性能；采用單3 V供電(2.7 V～3.6 V)；Rsn=70 dBc；Rsfd=85 dBc；ENOB=11.3 b；差分輸入時有500 MHz的3 dB帶寬；帶有片上的參考電壓和SHA；1～2 Vpp的模擬輸入范圍；輸出數(shù)據(jù)格式為偏移一進制碼或者一進制補碼。

AD9238的兩個通道分別采用一個AD8138做為運放驅(qū)動器。I／O兩路中頻模擬信號分別經(jīng)過2個AD8138變?yōu)椴罘中盘査徒oA／D轉(zhuǎn)換器(第2，3，14，IS引腳)。

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給每個通道單獨提供時鐘(引腳CLK_A和CLK_B)，當(dāng)2個通道的采樣時鐘同頻同相時，性能較好，當(dāng)2個通道不同步時，性能會有所下降。

本數(shù)據(jù)采集卡采用40 MHz的AD9238，單雙通道選擇和轉(zhuǎn)換頻率可由軟件控制。

3.2 Cyclone系列FPGA器件

由于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特殊要求，在眾多FPGA器件中選擇了Altera公司的Cyclone系列器件。Cyclone系列基于先進的 Stratix的工藝構(gòu)架，為高速應(yīng)用提供了極高的性價比，此外Cyelone系列器件內(nèi)部RAM存儲器可以生成FIFO緩存器，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(fā)工具，它集成了Altera的FPGA／CPLD開發(fā)流程中所涉及的所有工具和第三方軟件接口，界面友好，為設(shè)計提供了便利條件。

這里FPGA器件主要完成數(shù)據(jù)緩存、等精度測頻、采樣頻率分頻及觸發(fā)控制等工作。

3.3 FPGA在觸發(fā)控制中的應(yīng)用

由于此數(shù)據(jù)采集卡是高速緩存式的，緩存空間有限，所以不能采用連續(xù)式采集方式，而采用觸發(fā)式采集方式。為了提高數(shù)據(jù)采集卡的適用能力，不僅可以采集周期信號，而且可以采集觸發(fā)信號，還可手動觸發(fā)采集，筆者增加了觸發(fā)點捕捉電路。系統(tǒng)主要由AD8561電壓比較器和FPGA器件組成，AD8561轉(zhuǎn)換速度很高，可滿足判斷速度足夠高的要求。首先模擬信號送到AD8561比較器的正輸入端，負輸入端連接至LPC2142的D／A轉(zhuǎn)換器輸出端， LPC2142的D／A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的寄存器寫入不同值進行調(diào)節(jié)，此調(diào)節(jié)最終通過由LabVIEW制作的界面控制。當(dāng)輸人信號電壓高于參考電壓時，AD8561的輸出端TOUT拉高，TOUT的電平可以通過向 AD8561的LATCH端輸入高電平進行鎖存。觸發(fā)控制電路圖如圖2所示。

在手動采集方式下，TRIENO為低電平，TRIEN1高電平，當(dāng)緩存器為空即FWr_FUL為高電平，通過LabVIEW制作的界面控制QSTART為高電平時，F(xiàn)Wr_EN被拉高進行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)緩存器滿時FWr_FUL被拉低，停止采集數(shù)據(jù)。

在輸入信號觸發(fā)方式下，TRIEN0和QSTART為低電平，當(dāng)緩存器為空即FWr_FUL為高電平，輸入信號電壓高于比較器的參考電壓時， TOUT被拉高，F(xiàn)Wr_EN被拉高進行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)緩存器滿時FWr_FUL被拉低，停止采集數(shù)據(jù)。拉高TRIEN1后讀取緩存數(shù)據(jù)。

采集周期信號和輸入信號觸發(fā)方式相似，只是保持TRIEN1為高電平。在讀取緩存數(shù)據(jù)時．觸發(fā)信號到來后采集數(shù)據(jù)。

4 高速數(shù)據(jù)采集卡的軟件設(shè)計

4.1 基于μC／OS-II的USB驅(qū)動編程

μC／OS-II提供了多任務(wù)實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核。在應(yīng)用該操作系統(tǒng)時，通常需要用戶自己編寫基于μC／OS-II的外圍器件驅(qū)動程序，以使外圍器件能在操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下更好地為用戶服務(wù)。為了使軟件可移植性強、易維護，筆者在編寫LPC2142 USB固件時綜合考慮USB協(xié)議、LPC2142 USB硬件條件，把驅(qū)動程序分為5層，如圖3所示。圖中的雙向線表示用戶軟件與USB固件之間存在著數(shù)據(jù)交換，單向線表示上層軟件對下層軟件的調(diào)用，這樣使得固件結(jié)構(gòu)分明。

擁有了USB驅(qū)動程序，用戶可在此平臺上完成用戶軟件所要實現(xiàn)的任務(wù)，如圖4所示。單向線表示主任務(wù)對讀寫任務(wù)的控制。主任務(wù)通過信號量控制讀／寫任務(wù)的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)對FIFO緩存器的讀和寫；雙向線表示各個模塊之間存在著數(shù)據(jù)交換。為了加快大量數(shù)據(jù)的收發(fā)，本程序把LPC2142USB的邏輯端點1作為控制命令的傳輸通道，把端點2作為數(shù)據(jù)的傳輸通道。

主任務(wù)不斷的讀取端點1，當(dāng)接收到PC機發(fā)來的讀命令時，就激活高優(yōu)先級讀任務(wù)的準備就緒信號量。讀任務(wù)被喚醒進入讀中斷服務(wù)程序，將緩存器的數(shù)據(jù)通過USB總線發(fā)送給PC機，發(fā)送完畢后就關(guān)閉讀任務(wù)的就緒信號量，返回到主任務(wù)的循環(huán)中，等待PC機發(fā)來的下一個命令。寫任務(wù)與此相似，不再敘述。

4.2 基于LabWindow／CVI的主機軟件編程

4.2.1 LabWindows／CVI簡介

作為虛擬測量儀器，關(guān)鍵是要具有易于生成良好操作界面和強大數(shù)據(jù)處理能力的工具軟件。本系統(tǒng)的程序設(shè)計是用LabVIEW開發(fā)的。LabVIEW是美國NI公司開發(fā)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，采用LabVIEW提供的控制件庫(包括開關(guān)、旋鈕、圖表等)很容易地設(shè)計出符合實際要求、新穎美觀的操作界面。此外LabVIEW具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，它提供了豐富的庫函數(shù)用于數(shù)據(jù)輸入接口、數(shù)據(jù)處理(FFT等)和圖形顯示等功能，為開發(fā)應(yīng)用軟件帶來極大方便。圖5為LabVIEW開發(fā)的系統(tǒng)操作界面。

4.2.2 程序設(shè)計

整個設(shè)計程序包括四個部分：面板設(shè)計、初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示，通過精心設(shè)計程序，基本完成了預(yù)定的各項測量功能。并保證了系統(tǒng)的運行速度。各部分功能介紹如下。

(1) 面板設(shè)計：提供友好的操作界面，符合常規(guī)測量儀器的操作習(xí)慣。

(2) 初始化：完成系統(tǒng)初始化功能，包括復(fù)位、送工作方式字、設(shè)置程序運行參數(shù)等。

(3) 數(shù)據(jù)采集：LabVIEW不能直接訪問用戶自己設(shè)計的硬件，作為一個開放式開發(fā)平臺，LabVIEW提供了DLL接口，使用戶在LabVIEW平臺上能調(diào)用其他軟件平臺編譯的模塊。并提供對象連接和嵌入技術(shù)(簡稱OLE)的支持。筆者利用VC++6.0編寫了DLL文件，并在LabVIEW環(huán)境下調(diào)用該文件，實現(xiàn)了LabVIEW程序與數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)通信。

下面即為讀寫USB設(shè)備所創(chuàng)建的DLL編譯項目的相關(guān)文件：

DLLBulk.h：聲明變量或功能函數(shù)的頭文件。
DLLBulk.def：模塊定義文件，是由若干個描述DLL模塊參數(shù)的語句組成的文本文件。
DLLBulk.cpp：是DLL的主要代碼文件。

對DLLBulk.dsw下的各個文件進行編譯之后，在菜單欄中選擇Build->Build DLLBulk.dll就生成了可以被LabVIEW調(diào)用的DLL文件。

(4) 數(shù)據(jù)處理及顯示：對內(nèi)存中的采樣數(shù)據(jù)進行各種處理用于不同測量目的。包括信號波形實時顯示、自動測量信號幅度和時間、圖盤、刪除圖形以及回放等附加功能。限于篇幅，程序清單此處略。

5 結(jié)束語

文中所述的整個虛擬測量系統(tǒng)完全在人機交操作下運行，并隨時可更改測量參數(shù)及進行各種信號處理。系統(tǒng)各項指標為：最高采樣率為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位；模擬輸入范圍為0 V～2V；在板數(shù)據(jù)緩存4 KB字節(jié)／路，傳輸方式為塊傳輸。該系統(tǒng)可進行實時信號波形、信號最大值、最小值、峰峰值顯示，同時提供了顯示圖形文件存盤、回放、刪除處理功能。