基于LPC2142微控制器和EP1C3T100器件實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)

1、 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)數(shù)據(jù)采集要求的日益提高，在瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量、圖像處理等一些高速、高精度的測(cè)量中，需要高速采集數(shù)據(jù)。現(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(diǎn)：安裝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差，在一些電磁干擾性強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，無法專門對(duì)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(gè)通道，前端的差分放大器對(duì)模擬信號(hào)放大后送至AD9238，由AD9238將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)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(jī)。主機(jī)還可通過界面菜單選擇采樣頻率、采樣的起始點(diǎn)、模擬信號(hào)調(diào)理及讀取精度測(cè)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(jiǎn)介

AD9238是美國(guó)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(hào)，采樣率最高分別可達(dá)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(dòng)態(tài)性能，但是具有比采用2個(gè)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(shí)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(jìn)制碼或者一進(jìn)制補(bǔ)碼。

AD9238的兩個(gè)通道分別采用一個(gè)AD8138做為運(yùn)放驅(qū)動(dòng)器。I／O兩路中頻模擬信號(hào)分別經(jīng)過2個(gè)AD8138變?yōu)椴罘中盘?hào)送給A／D轉(zhuǎn)換器（第2，3，14，IS引腳）。

高速ADC對(duì)時(shí)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(gè)通道單獨(dú)提供時(shí)鐘（引腳CLK_A和CLK_B），當(dāng)2個(gè)通道的采樣時(shí)鐘同頻同相時(shí)，性能較好，當(dāng)2個(gè)通道不同步時(shí)，性能會(huì)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(jìn)的Stratix的工藝構(gòu)架，為高速應(yīng)用提供了極高的性價(jià)比，此外Cyelone系列器件內(nèi)部RAM存儲(chǔ)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(jì)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(cè)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(hào)，而且可以采集觸發(fā)信號(hào)，還可手動(dòng)觸發(fā)采集，筆者增加了觸發(fā)點(diǎn)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(hào)送到AD8561比較器的正輸入端，負(fù)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(jìn)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(hào)電壓高于參考電壓時(shí)，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(jìn)行鎖存。觸發(fā)控制電路圖如圖2所示。

在手動(dòng)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(shí)，F(xiàn)Wr_EN被拉高進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)緩存器滿時(shí)FWr_FUL被拉低，停止采集數(shù)據(jù)。

在輸入信號(hào)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(hào)電壓高于比較器的參考電壓時(shí)，TOUT被拉高，F(xiàn)Wr_EN被拉高進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)緩存器滿時(shí)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(hào)和輸入信號(hào)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(shí)．觸發(fā)信號(hào)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(jì)

4.1 基于μC／OS-II的USB驅(qū)動(dòng)編程

μC／OS-II提供了多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核。在應(yīng)用該操作系統(tǒng)時(shí)，通常需要用戶自己編寫基于μC／OS-II的外圍器件驅(qū)動(dòng)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(qiáng)、易維護(hù)，筆者在編寫LPC2142 USB固件時(shí)綜合考慮USB協(xié)議、LPC2142 USB硬件條件，把驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)程序，用戶可在此平臺(tái)上完成用戶軟件所要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，如圖4所示。單向線表示主任務(wù)對(duì)讀寫任務(wù)的控制。主任務(wù)通過信號(hào)量控制讀／寫任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)FIFO緩存器的讀和寫；雙向線表示各個(gè)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(diǎn)1作為控制命令的傳輸通道，把端點(diǎn)2作為數(shù)據(jù)的傳輸通道。

主任務(wù)不斷的讀取端點(diǎn)1，當(dāng)接收到PC機(jī)發(fā)來的讀命令時(shí)，就激活高優(yōu)先級(jí)讀任務(wù)的準(zhǔn)備就緒信號(hào)量。讀任務(wù)被喚醒進(jìn)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(jī)，發(fā)送完畢后就關(guān)閉讀任務(wù)的就緒信號(hào)量，返回到主任務(wù)的循環(huán)中，等待PC機(jī)發(fā)來的下一個(gè)命令。寫任務(wù)與此相似，不再敘述。

4.2 基于LabWindow／CVI的主機(jī)軟件編程

4.2.1 LabWindows／CVI簡(jiǎn)介

作為虛擬測(cè)量?jī)x器，關(guān)鍵是要具有易于生成良好操作界面和強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的工具軟件。本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)是用LabVIEW開發(fā)的。LabVIEW是美國(guó)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(jì)出符合實(shí)際要求、新穎美觀的操作界面。此外LabVIEW具有很強(qiáng)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L(zhǎng)abVIEW開發(fā)的系統(tǒng)操作界面。

4.2.2 程序設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)計(jì)程序包括四個(gè)部分：面板設(shè)計(jì)、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(jì)程序，基本完成了預(yù)定的各項(xiàng)測(cè)量功能。并保證了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。各部分功能介紹如下。

（1） 面板設(shè)計(jì)：提供友好的操作界面，符合常規(guī)測(cè)量?jī)x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(yùn)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(jì)的硬件，作為一個(gè)開放式開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW提供了DLL接口，使用戶在LabVIEW平臺(tái)上能調(diào)用其他軟件平臺(tái)編譯的模塊。并提供對(duì)象連接和嵌入技術(shù)（簡(jiǎn)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(shí)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(xiàng)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(gè)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(duì)DLLBulk.dsw下的各個(gè)文件進(jìn)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(duì)內(nèi)存中的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理用于不同測(cè)量目的。包括信號(hào)波形實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)測(cè)量信號(hào)幅度和時(shí)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(gè)虛擬測(cè)量系統(tǒng)完全在人機(jī)交操作下運(yùn)行，并隨時(shí)可更改測(cè)量參數(shù)及進(jìn)行各種信號(hào)處理。系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)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(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)波形、信號(hào)最大值、最小值、峰峰值顯示，同時(shí)提供了顯示圖形文件存盤、回放、刪除處理功能。

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