基于LabVIEW和ARM嵌入式数据采集与远程传输控制系统

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。

在FPGA中主要完成SRAM读写时序产生、SRAM读写地址生成、数据通道选择等工作，FPGA中的逻辑在一个16 bit的控制字寄存器的控制下有序地工作。当SRAM中存储一定量的数据后产生中断信号，提示ARM将数据取走。为了提高系统的速度，ARM采用直接数据存储(Direct Memory Address，DMA)方式读取数据。之后运行在arm上的客户端程序将数据通过网络发送给远程主机。远程主机上的LabVIEW服务器程序对收到的数据进行显示、频谱分析、存储回放等处理，同时远程主机的控制信号以及为下变频器ADC6620设计的滤波器文件也可以通过网络发送给客户端，实现远程控制。

2 现场数据采集系统的硬件设计

2．1 ADC设计

外部模拟信号从SMA(Sub Miniature-A)接口输入，隔离直流后进入AD8138 ADC驱动芯片，AD8138将单路输入信号变成两路差分信号，送至AD9244转换。AD9244中几个重要引脚的含义及接法：

a)CML(Common　Mode Reference)：串联一个0．1μF的电容后接地。

b)DCS(Duty Cycle Stabilizer)：接+5 V电源时表示转换时钟为50％占空比，接地表示转换时钟的上升沿与下降沿均由外界控制。本设计中DCS接+5 V电源。

c)SENSE(Internal Reference Control)：接地时将输入信号峰峰值的范围限制为1 V，接VREF时将输入信号峰峰值的范围限制为2 V。本设计中SENSE接VREF。

d)DFS(Data Format Select)：接+5 V电源时输出数据格式为补码，接地时为直接二进制码输出。由于ADC6620将其输入数据解释成补码，本设计中DFS接+5 V电源。

2．2 ADC6620设计

AD6620的任务是将高速数据流变成当前可实时处理的中低速数据流。在本设计中，AD6620数据输入端代表指数含义的3位(EXP0～EXP2)接地，且工作在单输入通道模式下(A／B=3．3 V)，以模式0接收来自于arm的配置信息(MODE=GND)，采用并行方式输出数据(PAR／SER=3．3 V)。

2．3 其它设计

本设计所采用的arm开发板是由广州友善之臂公司所生产的QQ2440V3，其上有一个44针的系统总线接口，它与FPGA连接起来完成数据与控制信息的传输。FPGA与SRAM的设计比较简单，这里不再赘述。

3 数据采集系统的软件设计

为完成系统任务，需要实现几个方面的软件设计：

a)正交数字下变频器AD6620滤波器以及控制寄存器设计。

b)在FPGA上实现系统控制、SRAM读写地址生成、数据通道选择等功能的Verilog HDL程序。

c)arm上基于嵌入式Linux操作系统的数据采集硬件驱动程序。

d)arm上客户端应用程序。

e)远程主机上基于LabVIEW的服务器以及显示、频谱分析、存储与回放程序。

3．1 AD6620滤波器及控制寄存器设计

AD公司专门针对AD6620芯片推出了滤波器设计软件fltrdsn以及监视控制软件AD6620，但该软件是基于计算机并口与AD6620芯片连接的，不适应设计中远程数据传输与控制、多客户端的任务要求。可以利用该软件将设计成功的滤波器以及配置文件保存下来，利用LabVIEW的文件处理功能自动将信息提取出来，通过网络远程配置AD6620。

3．2 FPGA逻辑设计

FPGA内部逻辑电路结构见图2。考虑到后续设计的需要，FPGA内部使用arm地址总线的低3位来选择当前操作的模块，具体的地址与内部模块对应关系见表1。

图2中各模块功能进一步说明如下：

a)Input_db_part：双向数据总线分离。配合由Control_register送来的控制信号，在Conf_6620有效时将数据总线上的数据送至Config_6620模块，完成AD6620配置，在Fetch_sram信号有效时将读SRAM得到的数据传送至arm数据总线。

b)Control_register：控制寄存器。内部模块有序工作的核心，具体的控制定义见表2。

来源：中国IT实验室