求一种数据采集与网络远程传输系统的设计方案

　　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。
　　
　　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：
　　
　　e） AD6620 init：初始化函数，完成驱动程序注册、中断与中断处理函数注册、创建设备文件节点等。其中的驱动程序注册的核心就是上面的file_operations结构体。
　　驱动程序编写好后，用户就可以在应用程序中调用这些函数，实现通过一组标准化的调用来操作底层硬件。
　　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。
　　
　　3．5 LabVIEW服务器程序设计
　　服务器端的完整程序见图5。服务器在指定的端口上侦听，等待远程客户端的连接。程序的核心是两个循环框，上面的循环框完成发送数据和控制信息的任务，主要包括传送AD6620滤波器设计与控制寄存器配置文件、实时改变AD6620可动态配置寄存器内容、开始数据采集以及停止系统控制等模块。
　　
　　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。