基于LabVIEW和ARM嵌入式数据采集与远程传输控制系统

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                    　　基于嵌入式网络的远程数据采集系统具有不受地理环境、气候、时间的影响，小型便携，使用灵活方便，交互操作性好，传输速率高，可靠性高，功耗低和移动性好等优点。目前常用的嵌入式CPU中，ARM由于性价比在同类产品中比较突出，目前用得越来越多，尤其是结合开源的嵌入式Linux操作系统以后，更是得到越来越多设计者的青睐。LabVIW作为一种功能强大，简单易用和设计灵活的图形化编程语言，已经广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，越来越多地应用在虚拟仪器、测试测量、数据分析、信号处理以及远程控制中。本设计中，远程数据采集系统采用基于ARM和嵌入式Linux的方案来实现。采用高性能的ARM嵌入式微处理器Samsung S3C2440作为系统的核心，结合数据采集、下变频、存储模块，实现了数据高速实时采集。同时，利用处理器外部配备的以太网控制器CS8900完成与主机上运行的LabVIEW服务器通信，实现数据的传输与系统的远程控制。
　　1 系统整体结构
　　采用SamsungS3C2440作为前端数据采集系统的核心控制器件。系统的整体设计任务分为信号采集与下变频、数据存储与传输、信号显示与处理分析等。整体设计方案构架见图1。信号采集部分采用ADI公司的AD9244完成，AD9244是一款14 bit,40／65 MSPS的高性能ADC。为了满足AD9244差分输入的要求，在信号的输入端配合了AD8138低失真单端转差分ADC驱动芯片。信号采集完成后，送至ADC6620正交数字下变频器(Digital Down Conversion，DDC)处理，经过抽取和滤波后的I,Q两路正交信号在其输出的数据有效以及I／Q指示信号的配合下，由FPGA产生静态随机存取存储器(static Random Access Memory，SRAM)存储时序并存储至64 K×16 bit的SRAM中。









　　c)Config_6620：配置AD6620。此模块在Conf 6620位有效时接收由ARM传来的AD6620配置信息，完成DDC滤波器和控制寄存器配置。它除了本身使用ARM地址总线的3位ARM ADD[3：1]作为FPGA内部模块选择之外，还用了ARM ADD[6：4]作为AD6620的外部接口寄存器地址。Rdy in信号用于指示写入操作成功，ARM检测到此信号有效后，进行下一次的写操作。
　　d)PII：锁相环。Cyclone EP1C6Q240中有2个锁相环模块，设计中使用了其中的一个将20 MHz的时钟倍频至50 MHz，供AD9244，AD6620以及FPGA内部使用。
　　e)Ad_to_sram：AD6620输出数据写入SRAM时序产生模块。AD6620工作在单通道模式时典型输出时序见图。
　　此模块主要完成的功能有：用2个数据锁存器在DV与IQ信号的控制下锁存I路和Q路数据，产生写SRAM所需的地址。由于AD6620抽取率较高的缘故，输出数据率一般较低，在模块中使用了状态机在2次有效数据期间产生写SRAM的时序。此外，当写地址到达设定值时，模块产生写溢出中断，提示ARM改变控制寄存器内容，读取数据。
　　a)Read_add_gen：读地址产生。在Fetch_sram位的控制下，产生读SRAM时的地址，当读地址到达设定值时，产生读溢出中断，提示ARM改变控制寄存器内容，进行下一步操作。
　　b)Control_logic：控制逻辑。模块在Start_daq有效时选择由Ad_to_sram模块产生的写SRAM的地址、数据与控制总线与SRAM相接，而在Fetch_sram有效时选择读SRAM的地址、数据与控制总线与SRAM相接。与DMA读取有关的请求与响应信号也在此模块中处理。
　　3．3 嵌入式Linux驱动程序设计
　　驱动程序是硬件与应用程序的接口。针对设计任务与硬件特点，在驱动程序中设计了以下函数：
　　a) AD6620_read：申请DMA缓存，睡眠等待写溢出中断到来，DMA传输完成后，将数据从内核空间传送至用户空间，释放DMA缓存。
　　b) AD6620_ioctl：核心是一个switch选择结构，根据应用程序中用户命令，完成初始化DMA，写控制寄存器或者配置AD6620的工作。
　　c)AD6620 open：主要完成DMA通道参数设置，初始化IO端口和信号量。
　　d) AD6620 release：完成与AD6620_open相反的工作，主要是一些清理和释放申请资源的工作。
　　函数编写好后，通过下面的file_operations结构体联系起来：




　　3．4 客户端应用程序
　　客户端应用程序为了保证数据与控制信息的可靠传输，采用的是基于TCP协议的Socket网络编程。本次设计客户端运行在ARM上，采用的是Linux下的C编程；而服务器端运行在远程主机上，利用LabVIEW的图形化语言实现。具体客户端的通信与控制流程图见图4。可以看出。客户端是依赖于读取由远程主机发送的控制字符来完成实时控制，实现与服务器端的交互操作的。因此，无论是客户端还是服务器端，在每一次发送数据与控制信息时，都会发送一个控制字符，接收端就是依靠识别此字符来完成相应的操作。表3中给出了控制字符与所执行操作之间的对应关系。




　　数据与控制信息内容放在LabVIEW事件框图中，当用户单击前面板上的控制按钮时，相应的信息被发送，这样就避免了系统无休止地查询，节约了系统资源。下面的循环框完成读SRAM数据接收、分离IQ信号、频谱分析与显示等，当用户使得存储文件路径不为空时，可以将此时数据显示控件上的数据保存下来；而当回放文件路径不为空时，用户可以回放之前保存的历史数据。频谱显示控件有线性与对数显示两种格式，它受前面板上的一个系统复选框的控制。
　　4 设计结果验证
　　采用了3组实验来验证设计的正确性。实验条件：现场数据采集系统IP地址192．168．1．230，远程主机IP地址192．168．1．1，二者位于同一个局域网内。系统工作主频50 MHz，AD6620滤波器为低通滤波器，通带截止频率10 kHz，阻带截止频率15 kHz，通带内衰减0 dB，阻带衰减-60 dB，三级滤波器的抽取系数分别为10，25，2。




　　第1组实验的输入信号为单频信号，频率1．005 MHz，幅度250 mV，AD6620中NCO频率字设定为1 MHz。实验恢复的I路信号及其频谱分析见图6(a)。从实验结果来看，系统采集数据频率准确，较好地恢复了信号。第2组实验的输入信号为调幅信号，载波频率1 MHz，幅度250 mV，单音调制信号频率为3 kHz，调制深度30％。AD6620中NCO频率字设定为1 MHz。实验恢复的信号与频谱分析见图6(b)。这时从频谱图上可以清晰地看出差频之后，在零频周围300 Hz处有1根清晰的谱线。第3组实验的输入信号为单频信号，频率1．018 MHz，幅度250 mV，AD6620中NCO频率字设定为1 MHz。实验恢复的I路信号与频谱分析见图6(c)。此时由于信号处于滤波器通带之外，衰减很大，不能恢复信号。I路信号显示图中类似于“毛刺”的信号是由于电路底噪声在AD6620中运算所产生。综合3组实验的结果，本次设计较好地完成了设计任务。
　　5 结论
　　数据采集与网络远程传输系统是一个高集成，特别讲究软硬件间相互配合的综合系统，强调的是协调、稳定、高速、精准地完成各项数据采样工作。本设计中，在合理设计硬件的基础上，分别对FPGA，ARM以及远程主机上的服务器程序精心设计，解决了以往系统在大量数据采集、传输、储存、读写和处理时的速度以及灵活性问题。利用LabVIEW功能强大、简单易用，设计灵活的图形化编程语言，很容易地实现了对远程数据采集终端的配置与控制。