嵌入式多模控制系统的VXI总线数据采集技术

陆兴华，谢振汉，范太霖

(广东工业大学 华立学院，广东 广州 511325)

嵌入式多模控制系统的VXI总线数据采集技术

陆兴华，谢振汉，范太霖

(广东工业大学 华立学院，广东 广州 511325)

摘要为了实现嵌入式多模智能控制系统的有效应用，文中以传感器网络和射频识别RFID技术进行数据采样，以控制器执行控制指令，实现远程智能控制操作。采用波束形成器进行数据换能器基阵的输出响应波束形成，提高了数据采集性能。通过进行VXI总线数据采集系统调试实验，验证结果表明，本设计提高了系统的可靠性和稳定性，且功能全面、性能优越。

关键词嵌入式；智能控制；VXI总线；数据采集

在嵌入式多模智能控制系统设计中，采用传感器实现数据的采集，基于PXI、VXI、LXI等技术实现对多模控制系统的数据采集模块设计[1-3]。总线在仪器领域的扩展(VMEBus eXtension for Instrumentation，VME)，开发了基于VXI总线通过多模控制系统的阵列信号采集方法并进行数据的实时记录和回放[4]。首先进行了系统的总体结构设计，以波束形成器进行数据换能器基阵的输出响应波束形成，提高数据采集性能，进行VXI总线数据采集系统调试，展示了文中方法进行嵌入式多模控制系统VXI总线数据采集中的优越性能。

1系统集成分析和硬件仪器资源配置

1.1控制系统数据采集的集成分析

嵌入式多模控制系统的数据采集模块采用VXI总线设计，VXI总线系统是，在VME总线系统的基础上，通过数据传感器和换能器进行同步触发，实现对控制指令脉冲的自适应波束形成，达到数据采集的目的。VXI总线系统采用触发总线、模拟总线设计，总线数据传输速率为40 Mbyte/s，具有系统可靠性高和维护性好的特点，适合于嵌入式多模控制系统的数据采集设计中，VXI总线模块化仪器采用的是IEEE488.2标准和SCPI标准[5-7]。VXI总线系统物理结构包括了VXI总线模块、背板、主机箱以及相关附件，VXI总线系统通过背板将金属外壳接地，采用32位VME总线架构，在P2连接器外面增加插件模块进行信号传递，VXI总线系统物理结构图如图1所示。

图1　VXI总线系统物理结构图

本文采用VXI总线技术作为嵌入式多模控制系统的数据采集系统的时钟总线，以VME总线作为基础架构，提供两个时钟和一个时钟同步信号，用于识别任意槽上的异步通信脉冲信号，使两个或多个模块间实现多模控制和异步通信。采用TTL触发线来传送TTL、ECL电平信号和模拟信号，基于Versa模块驱动触发线，接收控制信号。嵌入式多模控制系统采用LabWindows/CVI实现人机通信，选择“接收信号回发”模式，直接对控制信号和数据进行采样、有效性检测和特征分析，通过信号预处理机进行放大、滤波，实现数据输出。设计得到系统设计的基本框图结构如图2所示。

图2　系统设计的基本框图

嵌入式多模控制系统采用的传感器模块进行原始信息采集，采用4个声学或者电子换能器并联组成，进行原始数据的电声﹑声电转换，声学基阵一般都是收发合置地采用一个单刀双掷开关进行发射和接收控制，根据系统功能和技术要求，需要设计一个模拟信号预处理机模块进行信号的预处理和数模转换，设计功率放大器模块负责信号采集、处理、与上位机通信，设置合理的采样频率调整模拟信号实现VXI总线系统的ECL差分信号分别送往每一模块，VXI星型线用来提供模块间的异步通信[8-10]。

1.2系统的硬件资源配置和指标分析

在上述进行了嵌入式多模控制系统数据采集模块的总体分析和构建的基础上，进行系统的硬件资源配和功能模块分析及指标参量描述，嵌入式多模控制系统数据采集模块的器件组成了数据采集仪器的VXI总线系统的基本逻辑单元，单机箱VXI系统采用256个器件进行集成设计，设计过程中，硬件资源配置主要包括了寄存器基器件、消息基器件、字符串协议和VXI模拟加法总线等，进行嵌入式多模控制的模块功耗达268 W。配置寄存器(Configuration Registers)访问VME总线上的控制指令，通过建立像共享内存这样的数据通信传输通道，消息基器件完成更高级的通讯。数据入(Data In)或数据出(Data Out)硬件寄存器实现VXI总线数据采集，根据测试需求本文设计的嵌入式多模控制系统的VXI总线，数据采集模块的主机箱采用NI公司C尺寸VXI-1200，构成32通道的阵列信号采集仪，选择美国HP公司的8通道数字化仪HP E1433A进行波束形成设计，通过满足VXI总线数据采集32通道实时数据采集需求，为嵌入式多模控制系统的数据指令输入和输出提供样带宽76.8 kHz的阵列信号。

另外，采用HP E1433A外部信号调理箱接入抗混叠滤波，设计时考虑到输入信号幅值，构建一个通用的自适应滤波器进行误差信号e(n)的控制并自动调整。自适应滤波器设计如图3所示。

图3　自适应滤波器设计

根据输入参量、输出参量及原参量值，采用滤波理论和算法，抑制干扰中的线谱成份，假设输入为x(k-1),…,x(k-M),得到VXI总线数据采集的误差信号为

ε(k)=d(k)-y(k)=

(1)

抑制高频成分后，得到误差平方为

ε2(k)=d2(k)-2d(k)XT(k)W+

WTX(k)XT(k)W

(2)

(3)

通过上述滤波器抑制直流偏置误差，有效消除数据采集过程中的高频成分干扰，模拟滤波器可以滤掉低频噪声。使用Motorola 56002定点DSP完成滤波器的硬件设计，滤波和采样率变化是通过数字实现，得到本文设计的嵌入式多模控制系统的VXI总线数据采集工作频率为192.00 kHz 、163.84 kHz，采样频率为时域测量值，为65.536 kHz，在频域上(1 024点FFT)各谱线间的间隔为100 Hz，5倍抽取采用10阶椭圆数字滤波器，根据上述指标参量进行系统设计。

2数据采集中波束形成算法描述

在上述进行了系统描述和功能模块分析的基础上，进行数据采集的波束形成算法设计，在嵌入式多模控制系统中，采用阵列信号处理方式，进行VXI总线数据采集的波束阵列的级联陷波原理如图4所示。

图4　波束阵列的级联陷波原理

采用均匀加权方法得到波束形成器中的M个换能器阵元构成基阵，对各个波束的输出xi(t)的自适应加权值为ωi(θ)，在输入信号为线性调频信号的情况下，求和得到基阵的输出功率谱密度v(t,θ)，即

(4)

式中，“*”表示复共轭。当滤波器输入为功率谱密度为Gn(ω)=N0/2，采用向量符号则有

v(t,θ)=ωH(θ)x(t)=xH(t)ω(θ)

(5)

式中，“H”表示复共轭转置；对应的匹配滤波器的冲击响应为x(t)和ω(θ)分别为嵌入式多模控制系统的加权系数，可以表示为

(6)

(7)

假设VXI总线数据采集的其各个阵元的加权系数一样，采用汉宁窗加权，得到加权值

(8)

以阵元间隔为Δ的均匀线列阵为旁瓣波束向量，数据采集过程中的输出时间延迟为τm(θ)=(m-1)τ0(θ) ，基阵输出端的空间功率谱为

P(θ)=E[‖v(t,θ)‖2]=E[v(t,θ)v*(t,θ)]=

E[ωH(θ)x(t)xH(t)ω(θ)]=

ωH(θ)E[x(t)xH(t)]ω(θ)=ωH(θ)Rω(θ)

(9)

式中R为VXI总线数据采集观测数据的协方差矩阵，经过加权，各阵元输出相同。在M个阵元中有d个信号源si(t)，i=1,2,…,d，表示为

(10)

式中，x(t)为M×1嵌入式控制指令信号的列矢量；n(t)为数据采集干扰噪声矢量，信号源的数目d是已知的，且d

(11)

若噪声子空间记为EN，则波束形成输出简写为

(12)

式中，a(θ)称为扫描向量，通过上述方法进行设VXI总线数据采集波束形成处理，实现输入信号a(θi)与噪声子空间正交，PMUSIC出现峰值，提高数据分析和信号处理能力。

3系统调试与实验

图5　系统用户界面

根据前期的嵌入式多模控制系统设计样机，结合本文设计的VXI总线数据采集系统进行系统调试和仿真实验，仿真实验用DDS技术芯片AD9850进行控制系统的A/D转换和数据采样调试，通过DAC变换转化成模拟信号实现远程多模式控制，使用4通道任意波形发生器作信号源，测试各板卡之间的同步采集、触发测试功能，得到本文设计系统的用户界面如图5所示。在系统软件开发过程中，通过设计用户接口程序，信号源分别接到不同的4块HP E1433A通道上，通过用户界面进行系统测试和远程控制，系统初始化成功后进行数据采集，采样设置面板中有很多陷阱设置，仿真虚警和误报。由于系统的采集通道较多，采用切换监视进行多模控制指令的切换，得到本文设计的嵌入式多模控制系统的VXI总线数据采集输出及信号处理结果如图6所示，采用本文方法进行嵌入式多模控制系统的VXI总线数据采集和阵列信号处理，能有效实现对控制系统输入信息的波束扫描和参量估计，功能全面，系统集成性较好。

图6　功能实现及仿真输出

4结束语

朝向判断模块的灵敏度为1°，测算精度为±5°；系统的距离累计平均误差在5%以内；系统可以正确引导使用人员沿着最优路径前行，并具有一定的容错性。

加速度计阈值的设定可以确实判断出人员有移动的时间段，所以相应的距离累计运算针对的是各个有效时间段，而不是从系统运行开始到结束的一整段时间，这样可有效减小时间累计误差。距离累计程度cosα的引入，可得到行走距离在所处路段上的投影，使累计的距离带上方向信息，从而更为准确。

当室内环境发生改变时，只需修改相应的地图路径数据，而惯性传感器的使用依旧，不需要重新部署方案，系统适应性良好。

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VXI Bus Data Acquisition Technology of Embedded Multi Mode Control System

LU Xinghua，XIE Zhenhan，FAN Tailin

(Huali College Guangdong University of Technology, Guangzhou 511325, China)

AbstractIn order to realize the effective application of the embedded multi-mode intelligent control system, the data sampling is carried out by the sensor network and the radio frequency identification RFID technology. By using the beam forming device, the output response of the transducer array is formed, which can improve the performance of data acquisition. Through debugging the VXI bus data acquisition system, the results show that the design improves the reliability and stability of the system, and the function is comprehensive and the performance is superior.

Keywordsembedded; intelligent control; VXI bus; data acquisition

收稿日期:2015-11-07

基金项目:2012广东省质量工程人才培养实验区基金资助项目 (粤教高函[2012]204号)；2014年度广东省大学生科技创新培育基金资助项目(pdjh2015b0938);2014年国家级大学生创新创业训练计划基金资助项目(201413656005)；2012广东省质量工程基金资助项目 (粤教高函[2012]204号)

作者简介:陆兴华(1981-)，男，硕士，讲师。研究方向：计算机控制技术。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.052

中图分类号TP316.2

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-182-04