FPGA数据采集系统中虚拟仪器LabView的应用

范月圆

（江苏航空职业技术学院，江苏 镇江 212134）

虚拟仪器就是一种基于计算机的仪器，当前仪器发展的重要方向就是计算机和仪器的结合，一般来说，这种结合可以有两种方式，其主要方式是指以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器的功能。FPGA相对于传统的数据采集系统中运用单片机作为主要控制模块工作的方式具有极大的优势，实现了数据快速、高效的采集。在高速数据采集系统中采用LabView语言，能够实现数据的采集、保存以及公众波形现实，对数据进行监测等功能，极大地满足了数据采集中数据精准、存储量大、采集过程稳定可靠等方面的要求。

1 LabView以及FPGA概述

1.1 LabView概述

LabView是一种计算机语言，它是由美国NI公司研制开发的，类似于C和BASIC，都属于一种程序开发环境。但是，LabView与其他的计算机语言不同的是，其他的计算机语言都是通过文本语言产生的计算机代码，而LabView是采用基于图形的编辑语言G进行程序的编写，所产生的程序呈现出的是一种框图的形式。总体来说，LabView就是一种图形化的编程语言，它是将文本用图标来代替，从而创建应用程序。这种图形化的编程语言采用的是数据流编程方式，程序框图中节点间的数据流向决定了虚拟仪器以及函数的执行顺序。当前LabView作为一种图形化编程语言的开发环境，已经大范围的应用于工业生产以及学术研究等领域，它不仅能够满足不同的最终用户使用自己所熟悉的程序语言，还能够帮助用户构建自己的工程或者科学系统，使得在仪器编程进行数据采集更加便捷，从而极大地提高了工作效率。

1.2 FPGA概述

FPGA（Field-Programmable Gate Array）即现场可编程逻辑门阵列，它是专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路。FPGA的出现一方面弥补了定制电路的不足，另一方面也解决了原有的可编程器件门电路数有限的问题。系统设计师将FPGA内部的逻辑块根据需要连接起来，好比将一个电路实验板放在一个芯片当中，因此，成品的FPGA的逻辑块和连接能够依照设计者的想法而变化，从而完成设计者需要的逻辑功能。

2 原理与设计

2.1 数据采集系统的整体架构

通常来说，原始信号、信号调理设备、数据采集设备以及计算机测量采集软件是组成数据采集系统的主要几部分。但在很多情况下，因为一些原始信号并不是能够直接测量的电信号。在这种情况下，这些原始的物理信号能够通过传感器的转换，变成数据采集设备能够识别的电信号，从而采集到系统当中。然而，还因为一些输入信号的测量不能够被直接的进行，就需要信号调理设备对这一类的信号进行调理，从而达到数据采集设备能够对这些信号精确测量的目的。由此可见，数据采集设备就是用来将模拟的电信号转换成计算机能够识别并处理的数字信号输入到计算机当中。在计算机上建立LabView程序开发环境，极大地方便了与硬件的交互，顺利完成数据采集的任务，还可以对数据进行后续的分析处理。数据采集存储系统的整体架构以及控制状态可以描述为将被测量的物理对象所发出的物理量信号传入到传感器当中，再由传感器将模拟的电信号传递到信号调理器当中，由信号调理器将调理后的信号传入FPGA数据采集系统中，再在计算机中进行信号的调理、数据的存储以及将数据呈现到交互界面与用户完成交互。

2.2 系统总体设计

数据采集卡主要是通过 USB、PXI、PCI、PCI Express、火线（IEEE1394）PCMCIA、ISA、485、232以及各种无线网络等总线接入个人计算机，是计算机与外界的主要接口。数据采集系统通过数据采集卡连接传感器将采集到的数据输入到计算机中，再通过虚拟仪器 LabView将采集到的数据设计合适的程序框图，以TDMS（飞机技术资料数据化管理系统）的格式将数据存储到计算机的硬件当中。然后，在利用MATLAB（矩阵实验室，一种先进的科学计算软件）编写M文件，将数据由TDMS格式转换成为MIF（是Mapinfo用来想歪交换数据的一种中间交换文件）格式，然后在通过Quartus II综合性FPGA开发软件里的ROM IP核设计一个数据信号的存储模块，再将MIF格式的数据存储到ROM（只读内存镜像）中，以便于FPGA软件的其他模块在进行数据信号的时许仿真以及算法的验证时能够调用。

3 LabView软件设计

3.1 LabView程序框图设计

采用基于图形的编辑语言G进行程序的编写，所产生的程序呈现出的是一种框图的形式。在虚拟仪器LabView中，包括了工具模板、函数模板设计、控件框图各项功能模块和参数配置模块，将相应的输入控制对象以及输出显示队形调价到控制模板当中，程序框图的对象集合需要在函数模板中进行创建，最后在框图窗口中完成对数据的调用。虚拟仪器LabView设计的数据采集存储器的程序框图主要包括了四个部分，一是为满足不同的幅值范围多个通道进行的数据采集，将Channel settings设置为给多通道以及传感器输出信号电压范围的单元；二是根据传感器的带宽，设置合适的采样频率，将timing settings作为采样时钟单元；三是将实时采集的数据，通过TDMS File Path（TDMS文件路径）输出对象以TDMS文件格式存储到计算机硬盘当中，以logging settings作为采集数据的存储单元；四是将传感器以及数据采集硬件电力中采集到的信号进行实时的动态现实，以Acquire Data作为实时数据显示单元。

3.2 数据采集和存储实现

在数据采集系统中，应用了外置USB数据采集卡，这种采集卡具有随插随用的优点，配合着LabView软件程序极大地方便了在现场的数据采集。而在外置USB数据采集卡中，选用美国NI公司的USB-6361数据采集卡，这种数据采集卡具有高性能的多功能数据采集（DAQ）模块，ADC的分辨率为16位，输入方式包括单端输入和差分输入两种，PLL输出时钟基准为100MHz，定时分辨率为10ns。这种数据采集卡能够保持高度的采样率以及采样数据的精确程度。在LabView数据采集存储显示界面中，将通道依次设置在界面的左侧，采样信号电压的输出范围在-10V～10V，采样率为2.00MS/s，最后将数据存储路径设置为计算机硬盘。LabView数据采集存储显示界面右侧显示的是采样信号动态，能够使用户实时观察到采样信号的动态变化，同时，当窗口显示出采样信号出现突然性的变动时，还可以随时按下停止按钮暂停，将突变的信号段进行保存从而方便之后的分析，为信号的处理分析提供了便利。如图1所示。

图1 LabView数据采集存储显示界面

4 FPGA系统设计

4.1 ROM模块设计

Quartus II软件的megawizard plug-in manager本身具有参数可调宏功能模块，ROM模块需要与系统的时钟模块同步，以clock作为时钟信号，数据的精确度为16位，在LabView中采集到的信号可以将其部分截取放入ROM单元，从而能够诗读取仿真在FPGA中进行，ROM 模块设置。

4.2 FPGA时序仿真

FPGA数据采集系统开发中应用的Verilog HDL硬件描述语言是直接针对于底层硬件的，系统相应的速度非常快，高速的系统时钟能够满足高速信号的实时处理。在ROM中读取的原始数据信号需要经过滤波后再进行处理分析，因此需要设计数据采样的控制模块及信号滤波处理模块。FPGA数据采集系统的时序仿真是通过Modelsim波形仿真软件，以计算机的内存单元为依托，将系统中的信号运行状态进行实时监测，根据需要分析各信号段的参数值。

5 结语

虚拟仪器LabView和数据采集卡USB-6361的结合具有强大的存储优势，并且有较强的可移植性，缩短了测控系统的开发周期，满足了不同频率和精度的信号的采样要求。同时，FPGA的信号处理具有高速实时的特点，能够对LabView采集的信号进行算法分析的验证。因此，在FPGA数据采集系统中应用虚拟仪器LabView，能够推广到各种控制半实物仿真系统。