（通信与信息系统专业论文）基于fpga的多平台虚拟仪器研究设计.pdf

摘要 虚拟仪器技术是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而 形成的一门综合应用技术。目前虚拟仪器大部分是基于p c 机，利用p c i 等总线 技术传输数据，数据卡插拔不便，便携性差。随着嵌入式技术的飞速发展，嵌 入式系统平台已经应用到各个领域，而市场上的嵌入式虚拟仪器系统还相当少， 各种研究工作才刚刚起步，各种高性能的虚拟仪器和处理系统在现代工业控制 和科学研究中己成为必不可少的部分。因此在我国开发具有较高性能、接口灵 活、功能多样化、低成本的虚拟仪器装置势在必行。 针对目前虚拟仪器系统发展趋势和特点，采用f p g a 技术，进行一种支持 多种平台的高速虚拟仪器系统的设计与研究，并针对高速虚拟仪器系统中的一 些技术难点提出解决方案。首先进行了系统的总体设计，确定了采用f p g a 作 为系统的控制核心，并选取了l a b v i e w 作为p c 平台应用程序开发工具，利用 u s b 2 0 接口来进行数据传输：同时选取嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 以及w i n c e 作 为嵌入式系统硬软件平台。随后进行了各个具体模块的设计，在硬件方面，分 别设计了前端处理电路，a d c 电路以及u s b 接口电路。在软件方面，进行了 f p g a 控制程序的设计工作，实现了对各个模块和接口电路的控制功能。在上层 应用程序的设计方面，设计了l a b v i e w 应用程序，实现了波形显示和频谱分析 等仪器功能，人机界面良好。在嵌入式平台上面，进行了w i n c e 下g p i o 驱动 程序设计，并在上层应用程序中调用驱动来进行数据的读取。为了解决高速a d c 与数据缓存器的速度不匹配的问题，提出利用多体交叉式存储器结构的设计方 案，并在f p g a 内对控制程序进行了设计，对其时序进行了仿真。 最后对系统进行了联合调试工作，利用上层软件对输入波形进行采集。根 据调试结果看，该系统对输入信号进行了较好的采样和存储，还原了波形，达 到了预期效果。课题研究并且对设计出一种支持多平台的新型虚拟仪器系统， 具有性能好、使用灵活，节省成本等特点，具有较高的研究价值和现实意义。 关键字：虚拟仪器，嵌入式平台，w i n c e ，驱动程序 a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n ti s ai n t e g r a t e dt e c h n i c a lb a s e do ns e n s o r s ，s i g n a l m e a s u r e m e ma n dp r o c e s s i n g ，m i c r o - c o m p u t e rt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，m o s to ft h e v i r t u a l i n s r u m e n t sa r eb a s e do np c ，w h i c hu s ep c ib u st e e h n o l o g yt ot r a n s m i td a t a i n t h e s es y s t e m ，d a t aa c q u i s t i o nc a r d sa r ep l u gi n c o n v e n i e n c e l ya n dt h ep o r t a b i l i t yi s b a d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y ，e m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r mh a s b e e na p p l i e dt ov a r i o u sf i e l d s w h i l et h em a r k e to ne m b e d d e dv i r t u a li n s t r u m e n t s y s t e mi s s t i l l q u i t es m a l l ，a l l k i n d so fr e s e a r c hw o r kh a sj u s tb e g u n s o ，t h e d e v e l o p m e n to fh i g hp e r f o r m a n c e ，f l e x i b l ei n t e r f a c e ，f u n c t i o n a l d i v e r s i f i c a t i o n ， l o w c o s tv i r t u a li n s t r u m e n td e v i c e sw i l lb ei m p e r a t i v ei n0 1 1 1 c o u n t r y i nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tv i r t u a l i n s t r u m e n td e v e l o p m e n tt r e n d sa n d c h a r a c t e r i s t i c s ah i g h s p e e dv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns y s t e m w h i c h s u p p o r t s m u l t i p l a t f o r ma r ed e s i g n e da n dr e s e a r c h e di nt h eu s eo ff p g at e c h n o l o g y a n dt h e p a p e rc o m e su pw i t has o l u t i o nf o rs o m eo f t h et e c h n i c a lp r o b l e m si ns y s t e m f i r s t l y ，a s y s t e m a t i cd e s i g ni si d e n t i f i e d t h es y s t e mu s e sf p g aa st h ec o r ec o n t r o ls y s t e ma n d s e l e c t sl a b v i e wa st h ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tt o o l si np cp l a t f o r m t h es y s t e mu s e s u s b 2 0i n t e r f a c ef o rd a t at r a n s m i s s i o na n ds e l e c tt h e $ 3 c 2 410w i t ht h ew i n c ea s t h ee m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r m n e nt h ep a p e rp e r f o r m st h ed e s i g no fs p e c i f i c m o d u l e s o nt h eh a r d w a r es i d e ，t h ep a p e rd e s i g n e dt h ef r o n t e n dp r o c e s s i n gc i r c u i t d e s i g n a d cc i r c u i t o nt h e s o f t w a r es i d e ，t h ef p g ac o n t r o lp r o g r a m m e sa r e d e s i g n e d a tt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m m ed e s i g n ，l a b v i e wa p p l i c a t i o ni sd e s i g n e df o r t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ew a v e f o r md i s p l a ya n ds p e c t r u ma n a l y s i sc a p a b i l i t i e sw i t ha g o o dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e o ne m b e d d e dp l a t f o r m ，ag p i o d r i v e ri sd e s i g n e d i n o r d e rt os o l v et h em i s m a t c hb e t w e e nh i g h - s p e e da d c sa n dd a t am e m o r yc h i p s ，t h e p a p e rp r o p o s e sam u l t i b o d yc r o s s m e m o r ys t r u c t u r ed e s i g n ，a n dd e s i g n e dt h ef p g a c o n t r o lp r o g r a m m ew i t ht i m i n gs i m u l a t i o n f i n a l l y t h ed e b u g g i n gw o r k i sp e r f o r m a n c e df o rt h es y s t e m t h eu p p e ra p p l i c a t i o n s o f t w a r ep e r f o m a n c ea c q u i s i t i o nf o ri n p u tw a v e f o r m a c c o r d i n gt ot e s t i n gr e s u l t s ，t h e s y s t e mp e r f o m a n c e sab e t t e rs a m p l i n ga n dr e s t o r e t h ew a v e f o r i l lt oa c h i 【e v et h e d e s i r e de f f e c t t h ep a p e rr e s e a r c h e sa n dd e s i g n sam u l t i p l a t f o r mw h i c hs u p p o r t sf o r an e w t y p eo fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mw i t hg o o dp e r f o r m a n c e 功es y s t e mi sf l e x i b l e 。 c o s t s a v i n gf e a t u r e sa n dh a sh i g hr e s e a r c hv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，e m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r m ，w i n c e ，d r i v e rp r o g r a m m e i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特，i , j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 凝：埘f 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：_ 耿三钳导师( 签名) ：e t 期：趟! 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章绪论 近些年来，随着计算机科学技术的飞速发展，特别是p c 机处理器能力的飞 跃式发展，给传统的仪器仪表领域带来了技术变革和创新的机遇，传统的一台 仪表只能测试一项指标的测量模式缺点日益显著。虚拟仪器技术作为结合传感 器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的- i 1 综合应用技术成 为了新一代测量测试领域中所普遍采用的新技术。 1 1 虚拟仪器技术概述 一套虚拟仪器系统由一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软 件、低成本的硬件( 例如插入式板卡) 及驱动软件组成，他们在一起共同完成 传统仪器的功能【lj 。虚拟仪器利用数据采集卡来完成信号的采集，利用p c 机的i o 接口来进行数据的传输，用计算机上运行专用软件来实现信号数据的运算、分 析、处理，并利用软件的人机界面完成信号的采集的显示功能并以多种形式表 达输出检测结果。 虚拟仪器与传统的仪器仪表相比，其结构和原理都有很大的不同，其特点 主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 控制与显示面板虚拟化 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“部件 所完成 的功能是相同的。使用者用鼠标操作虚拟仪器面板，看起来就如同使用一台专 用测量仪器，其波形和数据的显示也是显示在软件的界面上。 ( 2 ) 数据运算和处理器的集成 虚拟仪器利用通用计算机平台，其数据运算和处理都利用计算机c p u 来完 成，不需要专用的处理器和外围电路，充分发挥了现代计算机c p u 的强大运算 和处理能力。 ( 3 ) 测量功能由软件编程实现 在以计算机为核心组成的硬件平台支持上，通过软件编程设计来实现仪器 的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功 1 武汉理- t 大学硕士学位论文 能，提出了“软件就是仪器的概念。 虚拟仪器的出现代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量 系统的根本性转变，相对于传统的以硬件为主的仪器仪表测量系统相比具有很 强的技术优势： ( 1 ) 虚拟仪器集成度高 虚拟仪器技术将数据调理采集功能交给专用数据采集卡实现，将数据运算 处理功能利用计算机来实现，将数据显示和控制交给应用软件来实现，极大地 整合了传统仪器中复杂的各个模块电路，使得系统结构紧凑，集成度大大提高【2 1 。 ( 2 ) 性能高 虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承 了以现 成即用的p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能卓越的处理器和文件 i o ，使得在数据高速导入磁盘的同时也能实时地进行复杂的分析。 ( 3 ) 灵活性强 虚拟仪器技术建立在强大的软件技术上。得益于软件的灵活性，系统功能 的更新只需要对软件进行升级，能够以最少的硬件投资即可改进整个系统。 ( 4 ) 开发时间短 在驱动和应用两个层面上，虚拟仪器技术软件构架能与计算机、仪器仪表 和通讯方面的最新技术结合在一起。同时还提供了灵活性和强大的功能，可以 轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案【3 】。 1 2 虚拟仪器国内外发展状况 虚拟仪器的主要特点体现在软件就是仪器的思想，它对特定的软件支持取 代了相应的电子线路，充分利用计算机软硬件资源，用计算机完成传统仪器硬 件的部分甚至全部功能，它是传统仪器功能和外形的模块化和软件化【3 】。1 9 8 6 年，美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司提出了“软件即仪器的口号”，推出了l a b v i e w 直观的流程图编程风格的开发和运行程序平台，成为了第一个商用化的虚拟仪 器应用平台。 a d 、d a 转换器近年也呈现高速发展的趋势，闪存型和逐次逼近型受到关 注。随着工艺的发展，高集成度及高速工作成为可能，以往被认为很难的技术 问题也都相继得到解决1 4 j 。便携式电子产品普遍要求a d 转换器的功耗尽可能地 2 武汉理丁大学硕士学位论文 低，当时的a d 转换器功耗为m w 级，而现在已经可以降到“w 级。a d 转换器的 转换精度和速度也在不断提高，转换速度已达到数百m s p s ，分辨率已经达到2 4 位。 与虚拟仪器系统相关的p c 技术及数字信号处理技术得到了飞速的发展，处 理速度提高了三个数量级，p c 总线的带宽获得了5 0 0 倍的提高，同时系统工程师 的设计难度、系统设计成本都随着技术的进步和工艺的提高大大降低【5 】。 现阶段仪器和计算机技术进行了前所未有的融合。首先，越来越多的仪器 选用以w i n d o w s 软件和i n t e l 芯片为平台，采用w i n d o w s g u i ，用w i n d o w s 软件代 替仪器内部操作软件，利用w i n d o w s h e l p 提高了仪器操作学习的方便性；其次， 微型计算机的很多成果很快就应用到测量和仪器领域，如图形化用户界面，分 布式处理、网络功能等等，不久都移植到了测量和仪器中【6 j 。u s b 和以太网接口 等接口技术正在虚拟仪器系统中得到越来越广泛的使用，目前p c 机以及p d a 基 本都配有以太网、u s b 等接口，便携式虚拟仪器系统越来越得到用户的青睐i _ 7 1 。 目前，国际上基于标准总线的高速虚拟仪器系统产品非常多，占据市场主 流的厂商主要有美国h p 、s p e c t r u ms i g n a lp r o c e s s i n g 、s p e c 、s i g n a t e c 、a c q u i s i t i o n l o g i c 、b l u e w a v e 等公司。另外，示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、网络分析 仪等也属于高速虚拟仪器系统范畴，主要知名公司有安捷伦、泰克等。国内主 要的虚拟仪器厂商有凌华、恒颐、阿尔泰、北京中仪联众科技等。 1 3 当前虚拟仪器技术局限性和不足 目前绝大多数的虚拟仪器均是采用数据采集卡与个人电脑( p c ) 的设计方 案。基于p c 机的虚拟仪器系统，充分利用了p c 机所带来的最新科技，从其诞 生之日起就具有取代传统仪器仪表系统的技术和应用优势。通过近些年来的发 展，无所不在的计算机应用又为虚拟仪器的推广提供了良好的基础，但在一些 关键技术上还存在着一些不足和有待解决的问题： ( 1 ) 目前虚拟仪器大部分是基于p c 机，数据采集卡将采集到的数据通过 p c i 、i s a 、u s b 等总线传输到p c 上进行显示、分析和处理。基于p c 的虚拟仪 器系统无法脱离p c 机的束缚，系统安装不便，设备功耗大、系统组建成本高、 灵活性和便携性差等弱点较突出。 ( 2 ) 在数据采集的关键技术方面，随着目前芯片设计技术的飞速发展，高速 3 武汉理工人学硕士学位论文 a d 芯片的采样速度越来越高，但目前的高速存储技术还远远跟不上a d 采样速度 的发展，造成了高速采样的数据无法有效存储的技术难点，在一定程度上限制 住了高速采样的高性能虚拟仪器的发展。 ( 3 ) 与传统的通用计算机相比，嵌入式系统具有小型化、专用型强、灵活可 靠等诸多优点。近些年来嵌入式处理器不断飞速发展，嵌入式系统的性能如主 频、存储容量等方面都得到了大幅度地提高，配合专用的嵌入式操作系统以及 相应的应用软件，可以快速地组成一个应用平台。因此可以考虑将虚拟仪器系 统和嵌入式平台进行有机结合，从而形成一个专用型强、灵活可靠的小型化测 量测试系统。但目前市场上的基于嵌入式平台的虚拟仪器系统的研究才刚刚起 步，成熟产品还相当少，性能也不是很高。 1 4 课题研究任务及内容 通过查找国内国外文献和相关资料，在深入理解虚拟仪器技术的基本原理、 组成结构和关键技术的基础上，将基于f p g a 的多平台虚拟仪器技术的设计和 实现作为课题研究的主要任务，利用高速a d 对信号进行采样，利用f p g a 系 统来整个系统进行控制，实现完整的数据采集功能。课题还提出一种解决a d 采 样速度与数据缓存速度不匹配问题的方案，并且对目前嵌入式系统在现有的虚 拟仪器系统中的应用进行设计和研究，设计出一种支持多平台的虚拟仪器系统， 使其具有技术新颖、应用灵活等特点。具体研究设计内容如下： l 、虚拟仪器系统前端硬件电路设计，包括信号放大电路，a d 采集模块电 路等硬件电路设计。 2 、f p g a 主控程序设计，整个虚拟仪器系统均由f p g a 模块控制，各个部 分在f p g a 的统一控制下协调工作，并通过数据接口与上位机进行通信。 3 、交叉存储式数据缓存系统设计与f p g a 控制程序设计及时序仿真。 4 、对嵌入式处理器和操作系统并对其在虚拟仪器系统中的应用进行相关设 计和实现，并对其中关键技术点提出设计解决方案，具体工作有w i n c e 操作系 统移植以及g p i o 接口驱动程序设计和调试等。 4 武汉理工火学硕十学位论文 第2 章系统总体设计及技术方案 虚拟仪器技术是采用数据采集前端对信号进行采集，并将原始数据通过总 线接口进行传输，通过上位机进行数据的运算和处理。基于f p g a 的多平台虚 拟仪器的总体设计主要包括前端数据采集器的总体设计，数据传输接口的选取 和设计以及上位机运行平台和软件的设计方案和思路以及相应的技术路线及方 案。 2 1 系统总体构成与工作原理 基于f p g a 的多平台虚拟仪器系统的主要包括输入信号调理部分、a d 转换 部分、系统控制中心、数据缓冲存储部分、数据传输接口、上位机平台等几部 分。总体设计框图如图2 1 所示。 图2 一l系统总体组成框图 首先，模拟输入信号经过信号调理电路的整形和处理，达到a d 采样器的输 入信号幅度的要求。随后a d 转换器对输入的已调模拟信号进行高速采样转化成 数字信号，数据缓存器对a d 转换后的数据进行缓冲存储，达到存储深度后通过 s 武汉理r t 大学硕士学位论文 数据通信接口电路将数据发送给上位机。最后，上位机软件通过读取i o 接口的 数据进行运算、处理以及显示，同时应用软件还可以通过通信接口将控制指令 发送给数据采集前端从而对其实现控制。 2 2 数据采集前端设计技术方案 2 2 1 信号调理部分设计 被测量的信号往往要经过一定的预处理才能进行有效而准确的变换，这种 对信号的前端预处理过程称为信号的调理。当输入信号小于一定值的时候，调 理电路的需要将小信号进行放大，同时还应该可以将信号的平均值进行抬升或 下降，以实现对信号负电压部分的采样。系统拟采用运算放大器反相比例加法 电路来实现对信号的预处理，主要实现将输入信号幅度进行比例放大或缩小、 将输入信号平均值进行提升两种处理功能。 2 2 2a d 转换部分方案 信号通过信号调理电路后，就要经过a d c 进行模数转换。a d c 数据采集 系统是虚拟仪器系统数据采集的核心器件，它的选取直接决定着系统的速度和 精度。a d 转换器主要有三种：逐次逼近法a d 、双积分法a d 和并行比较法 a d 。其中逐次逼近法和双积分法a d c 主要应用于采样速度要求不高的，但可 靠性和抗干扰性要求比较高的场合，比如数字万用表等；并行比较型a d 采用多 个比较器，仅作一次比较就可以实行转换，但其电路规模也极大，功耗较高， 价格较贵，只适用于视频a d 转换器等速度特别高的领域【8 】。目前应用较为广泛 的高速a d 还有分多步实现转换的流水线( p i p e l i n e d ) 型a d c ，对比于其他两 种a d c 来说，高速流水线型a d c 芯片的主要优点有： 1 、逐次逼近型和积分型的串行工作方式从本质上限制了其的工作速度，最 高约为几m s p s 左右，但是其分辨率较高。流水线a d c 则不同，它是并行结构， 各级同时以逐次方式得到1 位或几位，因此其采样速率远大于前者，基本在几 十至l o o m s p s 左右。 2 、与全并行a d c 相比，在相同的采样速率下，流水线a d c 结构比闪速 a d c 小的多，其消耗功率也少得多。 6 武汉理1 ：大学硕士学位论文 3 、集成度高。将基准电压源、采样保持器等外围与a d c 一起集成在一块 芯片上，可以用较少的外围电路来实现高性能的采集。 基于流水线型a d c 良好的性能，对于几十m s p s 到1 0 0 m s p s 的8 位高速a d ， 流水线结构已经成为最流行的模数转换器结构【9 】。因此在本系统的设计中，综合 考虑到系统的采样速率和价格等因素，拟采用流水线a d c 来实现对信号的采集 和模数转换。 2 2 3 系统控制中心设计方案 系统控制中心是整个系统工作的核心部分，它统一协调各个功能模块和部 分的工作，接受上位机指令并对各个模块进行统一的控制，同时各个模块内部 单元电路的控制也需要一定的时序控制。系统控制在虚拟仪器其主要实现的功 能有完成系统控制逻辑、进行快速的数据存储、提供高速数据接口等。 f p g a 集成度高、体积小、功耗低，工作频率高，可以集采集控制、缓冲、 处理、传输控制、通讯于一个芯片内，编程配置灵活，开发周期短，系统简单， 其具有高的可重配置性、巨大的i o 带宽、高速的运算能力，使其在仪器中的使 用越来越广泛【l 们。基于f p g a 的数据控制电路，将原先比较分散的控制电路集 中在一片f p g a 中，利用f p g a 的高度集成性和可配置性来解决复杂的系统控 制，这样只需要进行软件程序的修改而不需要较大的硬件改动就是系统可以应 用于不同的场合，可移植性好，同时简化了电路，占用的印制板面积小，电路 结构也变得相对的简单。 本设计中拟采用f p g a 构建高速数据采集模块核心控制电路，主要任务是控 制a d 采样、以及实现数据高速缓存的读写，数据传输接口控制等。 2 2 4 数据传输接口技术方案 虚拟仪器系统中数据采集器需要和上位机进行数据传输并接受上位机的指 令，需要实现相应的接口功能。一般各类接口无论是有线方式还是无线方式， 在数据传输方式上都可分为串行接口和并行接口，传统意义上串行接口传输速 度低于并行接口，但是串口的成本低廉，常用于低速、较长距离的数据传输， 如r s 2 3 2 。而并行接e l 常用于高速、短距离数据传输，如p c i 、s c s i 等【l 。对 于p c 机系统，常用的高速接口主要有p c i 接口与u s b 。 7 武汉理：f 大学硕士学位论文 p c i 接口 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t i o n ，外设部件互连标准) 总线采用内置 形式，将高速、高精度连续采样系统控制和数据通道部分做成板卡的形式，占 用p c 的一个i s a p c i 总线扩展槽，通过i s a p c i 总线的高速数据传输率实现p c 与采样系统的大容量数据交换l l2 。这种内置式形式很容易受到机箱内电磁干扰 的影响，降低系统的采样精度和稳定性，数据采集卡插拔不便，便携性差。 u s b 接口 u s b 接口是i n t e l 、n e c 、m i c r o s o f t 、i b m 等公司联合提出的一种新的串行 总线接口规范。u s b 接口的数据采集模块采用外置形式，不会占用p c 机上的串 行口和主板上的i s a p c i 总线扩展槽i l 引，不仅能够提高系统的稳定性，其即插 即用的性能使得系统使用方便，增强了系统的灵活性，同时还有利于系统的维 护。 对于嵌入式系统平台，目前主流的嵌入式系统均提供了g p i o 接口与外部电 路进行数据通信交换。g p i o 口属于并行接口，外部数据通过g p i o 接口传输进 嵌入式处理器，对处理器中的内部寄存器进行访问即可以方便地读取发送数据。 因此在嵌入式平台上，选用g p i o 口可以迅速快捷地实现数据通信与交换。由于 其并行的结构特点，其数据传输速率远远大于串行接口。 基于各种数据接口总线方式的比较和分析，设计中拟采用u s b 2 0 接口来实 现与p c 机的数据通信，而在嵌入式平台上拟采用g p i o 接口来实现数据的传输。 2 3 系统应用平台的分析和选用 虚拟仪器系统中另外一个重要的组成部分就是上层应用平台，包括硬件系 统、操作系统以及数据处理显示软件。目前应用最多最成熟的是基于p c 机的虚 拟仪器系统，这种系统利用p c 机来做为数据处理和运算平台，通过p c 机上的 各种接口进行数据的通信，并采用w i n d o w s 操作系统平台，利用人机交互界面 来进行数据显示和系统控制。 随着嵌入式处理器和嵌入式操作系统的出现，在一些专用的系统中，p c 机 的地位正在被逐渐取代。由于嵌入式系统具有结构精简，专用性强的特点，将 嵌入式系统应用于新型的虚拟仪器中是发展的必然趋势，采用嵌入式系统的虚 拟仪器具有便携性好，使用灵活等显著优点。课题首先将设计和实现基于p c 机 8 武汉理工大学硕士学位论文 平台的虚拟仪器，随后将对其在嵌入式平台上的应用进行相关研究设计。 2 3 1p c 机平台应用软件开发方案 随着p c 机技术的发展，p c 机硬件和操作系统的应用已经相当成熟。因此在 p c 平台上进行虚拟仪器的开发的主要工作集中在w i n d o w s 操作系统下应用程序 的开发。l a b v i e w 作为美国国家仪器公司的创新软件产品自1 9 8 6 年问世以来，在 测量仪器制造和开发等众多领域得到广泛的应用。利用l a b v i e w 中丰富的控件资 源可以在电脑屏幕上方便快速地创建出良好的用户界面。同时l a b v i e w 中集成了 功能强大的数字信号处理库，利用其中的数字信号处理v i 可以方便地对采集到 的数据进行相关处理和运算，在保持系统的功能与灵活性的同时能大大加快开 发速度。因此课题选择l a b v i e w 作为基于p c 机的应用软件开发平台，利用l a b v i e w 中直观的波形显示v i 以及信号处理v i 来进行信号的显示和处理。 2 3 2 嵌入式系统平台设计方案 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统，具有软件代码小、高 度自动化、响应速度快等特点【1 4 】。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围支撑 硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统几部分组成，它是可独立工作的小型化 计算机。 嵌入式处理器的选用 目前主流的嵌入式处理器有a r m 、p o w e rp c 、m i p s 系列等。其中应用最广 泛的是a r m 系列，a r m 处理器是3 2 位处理器，同时也配置了1 6 位指令集【1 5 1 。a r m 处理器目前有a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 ，a r m ll 系列产品，适合于中低端 的网络设备、终端、各种通用型的嵌入式应用和工业控制等领域。其中a r m 9 尤其适合于智能手机、p d a 和先进的控制管理和仪器仪表应用【1 6 1 。本文选取应 用广泛的三星公司的a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 作为嵌入式平台的处理器，主要原因 有： l 、其工作主频高，处理能力强。系统工作主频为l o o m h z 2 3 3 m h z ，适合 于进行仪器仪表的应用。 2 、$ 3 c 2 4 1 0 处理器具有丰富的片上外围设备，它片内集成了s d r a m 、f l a s h 、 9 武汉理工大学硕士学位论文 u s b 、串口、s p i 、音频多种通信接口控制器以及时钟、复位、电源等电路，大 大简化了系统外围电路的设计【l7 1 。 3 、支持多种操作系统平台。$ 3 c 2 4 1 0 内部集成有m m u ，广泛支持主流的操 作系统，如l i n u x ，w i n c e 等，可以方便地在其上移植和运行各种操作系统，大 大方便的系统软件平台的设计。 4 、功耗低。$ 3 c 2 4 1 0 处理器的功耗是同档次其他嵌入式处理器中较低的。 低电压、微电流供电的a r m 处理器使其更加适合于便携型系统。 5 、价格低廉。在各种嵌入式处理器中，$ 3 c 2 4 1 0 处理器的价格适中，而且 使用量大，技术资料比较全面且容易购买。 嵌入式操作系统的选用 嵌入式系统中一个极为重要的组成部分就是嵌入式操作系统，通常包括与 硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、图形界面等。嵌入式操 作系统具有通用操作系统的基本特点，能够有效管理越来越复杂的系统资源； 能够把硬件虚拟化，能够提供库函数、驱动程序、工具集等，并且能够在上面 进行应用程序开发l l 引。目前主流的嵌入式操作系统有：w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、 嵌入式l i n u x 、以及微软的w i n c e 。 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实 时操作系统( r t o s ) ，在嵌人式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。然而其 价格昂贵，软件的开发和维护成本都非常耐1 9 】。 嵌入式l i n u x 操作系统本身并不提供图形库供用户进行设计应用软件，而是 需要其他的专用的g u i 库才能开发出较好的人机界面，如q t ，m i n i g u i 等。因此 给需要较好人机界面应用软件的开发带来了不便。 w i n d o w sc e 操作系统与w i n d o w s 系列有良好的兼容性。是一种针对小容量、 移动式、智能化、3 2 位、设备模块化的实时嵌人式操作系统。其最大的特点就 是它的模块化设计，允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备 进行定制【2 训。由于其和w i n d o w s 系统的相似性，熟悉p c 机上w i n d o w s 编程的设 计者可以很快熟悉w i n c e 应用程序设计，其应用程序的设计和p c 机极大地相似， 大大缩短了产品开发周期和难度，并且利用其控件可以较好地设计出人机界面。 基于w i n c e 操作系统功能强大、兼容性好、开发周期短，开发环境熟悉， 课题拟采用w i n c e 作为嵌入式平台的操作系统，利用其专用的e v c 开发环境来 进行应用程序的开发工作。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统数据采集前端的设计与实现 在虚拟仪器系统中处在系统最前端的是数据采集模块，它负责对信号进行 调理、采样、数据传输等工作。基于f p g a 的多平台虚拟仪器系统中采用f p g a 对整个系统进行统一控制，协调各个模块之间工作时序。数据采集前端的设计 与实现主要包括系统硬件电路设计、f p g a 系统控制程序设计和编写等。 3 1 系统硬件电路设计 3 1 1 信号调理电路 被测量的输入信号的幅度往往并不能刚好符合a d c 采样的要求，因此必须 对数据的信号进行一定的处理，使其处在a d c 要求的输入信号范围内，这部分 电路称之为信号调理电路。根据电路的设计，推测a d c 输入电压值应该限定在 0 0 3 - 2 5 3 v 之间。所以当输入的信号为几十伏时，应该将其进行衰减后再进行 处理；当输入信号较小时应该对信号进行适当放大。同时由于a d c 为差分式输 入，因此需要将信号进行一定的抬升，以便实现对负电压信号的采样。 在设计时采用了a d 8 0 0 9 运算放大器，它一款超高速，宽带宽的集成放大器， 十分适合在数据采集系统做前置放大。通过改变这两个放大器外围电路的参数， 来实现增益的调节功能。电路如图3 一l 所示。 武汉理t 大学硕十学位论文 图3 1 信号调理电路 由图中可见，信号调理部分由两个a d 8 0 0 9 运算放大器电路构成，由两级构 成。第一级为一个反相比例加法器电路，输出电压为计算为 u 。= 一r ：。( “，r + v 1 r ：。) 。在第一级电路中加入了增益控制电路，通过改变输 入r 2 4 、r 2 5 和r 2 6 的并联方式达到改变输入电阻的大小，可以实现将信号进 行按比例放大或缩小。电路同时可以将输入信号的平均值抬高到1 2 v 1 ，可以通 过调节v l 的大小可以控制信号抬升的大小，从而可以实现对输入信号的负电压 部分进行采样。由于通过第一级后输出信号进行了反相，因此第二级电路为一 个反相电路，将信号再翻转一次，从而使输出信号与输信号极性相同。 3 1 2a d 转换电路 由上一章分析可知，基于流水线技术的a d c 是一种经济实用的选择。本文 选择的是a d i 公司的a d 9 2 8 3 模数转换器，该芯片是一款8 位p i p e l i n e 型高速 低功耗的模数转换芯片，输入模拟带宽4 0 m h z ，转换速率可达到1 0 0 m s p s 。该 芯片提供片上基准源电压，采用+ 3 3 v 单电源供电，电流消耗小于1 2 0 m a ，如 果长时间不需要采集数据，可启动休眠模式使总功耗小于1 2 m w 2 ，对于高速 的数据采集系统是一个较好的选择。其各个管脚的功能如下： p w r d w n ：省电模式使能端，当这个引脚处在高电平时，芯片处于休眠状态， 停止工作。在设计中利用f p g a 管脚来控制，使其在数据传输时处于休眠状态， 武汉理工人学硕十学位论文 降低系统整体功耗。 v r e fo u t ：输出参考电压，由芯片内部电路给出。在芯片处于正常供电的情况 下，该引脚输出固定为1 2 5 v 。 v r e fi n ：外部的参考电压输入引脚，在该管脚处接一电阻器，可以改变参考 电压，从而可以改变数据信号的最大范围。 a i n 、a i n ：信号输入引脚，a d 转化的电压值根据两者之差得到，为了能够转 换负电压值，因此将a i n 管脚接一固定电压值，同时需要将输入电压平 均值抬升。 d 0 - - d 7 ： 转换数字量输出。 a d 9 2 8 3 电路设计如图3 2 所示。将6 脚和输出参考电压连接，即固定 a i n = 1 2 5 v ，需要将输入信号平均值抬高1 2 5 v ，从而该系统可以测量电压有负 值的波形。当采用外部输入参考电压取2 5 6 v ，计算可知输入a d 9 2 8 3 的信号电 压幅值范围应该在0 0 3 v 和2 5 3 之间。 a g n d 一 - - a - = _ c 3 = 0 1 u fb w l l p w p w nd o 2 0a d l o ic a 厂 2 v r e f o u td 1 1 9a d l l - 1 0 u f v r e f i3 v r e f n 、id 2 1 8a d l 2d 3 3 v 1 a g n d 】 ； g n dd 3 1 7a d l 3 7 a 3 3 v i； v dg n d 1 6 。 o1 5= 一i c 2 0 = -nd$1gin7 a i nv d d 1 4a d l 4 c a p ： a i nd 4 v dd 5 1 3a d l 5 1 0 u f a g n d 】 a d c l k l10a3 3 v i i 7 g n d d 6 1 2a d l 6 l ia u l ， 一 e n c o d ed 7 图3 2a d 9 2 8 3 模数转换电路 3 1 3f p g a 控制系统电路 f p g a 集成度高、体积小、功耗低，工作频率高，可以将诸多数字电路集成 在一个芯片内，编程配置灵活，开发周期短，适用于大规模控制电路的设计。 c y c l o n e l i 系列是a l t e r a 公司系列f p g a 中较新的产品，具有用户定义功能、领 先的性能、低功耗、高密度等性能优点。其基于一种全新的低成本架构，为高 性能，低成本的应用提供了一种解决方案2 2 1 。各种型号产品如表3 1 所示。 c 2 1 c a p 0 1 u f 武汉理工人学硕士学位论文 表3 1c y c l o n ei i 系列f p g a 器件的主要性能特性 性能 e p 2 c 5e p 2 c 8e p 2 c 2 0e p 2 c 3 5e p 2 c 5 0e p 2 c 7 0 逻辑单元数量 4 6 0 88 2 5 61 8 7 5 23 3 2 1 65 0 5 2 86 8 4 1 6 r a m 总耸( k ) l1 91 6 52 3 9 4 8 35 9 41 1 5 2 p l l s224444 可用最大i o 1 4 21 8 23 1 54 7 54 5 06 2 2 根据系统电路控制设计要求、电路所需要资源的大小、控制电路需要的i o 接口数量以及成本价格综合估算，设计中采用c y c l o n ei i 系列e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 n 。 其具体优点有： l 、提供逻辑单元多，资源丰富。e p 2 c 5 一共可以提供4 6 0 8 个逻辑单元， 适用于系统设计规模。1 0 接口数量较多。用户最多可以使用1 4 2 个i o 接口，并 支持多种i o 标准，比如l v t t l ，l v c m o s 等，完全满足系统设计需要。 2 、内部具备2 个增强型锁相环，提供先进的时钟管理能力，如：频率合成、 可编程相移、外部时钟输出等。可以方便地实现采样时钟输出与同步。 3 、价格便宜，性价比高、用量大。 f p g a 部分电路如图3 3 所示。其主要实现的功能包括：采样时钟的输出， 与a d c 输出数据接口、u s b 2 0