基于ARM嵌入式平臺的雷達數據采集系統①

余貴水　魏鐘記　韋有平

摘 要：針對雷達接口信號測試復雜問題，提出了基于ARM9系列嵌入式平臺作為硬件開發平臺的雷達數據采集系統。將采集系統按照便攜式數據采集系統和數據管理及分析系統兩大分系統進行了詳細闡述。

關鍵詞：嵌入式系統 模擬信號 數字信號 特殊信號

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0037-02

數據采集系統的歷史較為悠久，近年來，隨著電子工業的發展，便攜式數據采集系統產品層出不窮。根據不同的采集信號，有不同的設計產品。雷達接口信號采集系統由于待采集信號的復雜性和未知性，其設計更為復雜。

1 數據采集產品現狀

一般數據采集系統會按照其總線的不同而分類。常用的總線有以下幾種：ISA、PCI、USB、PC104、CAN。

其中USB總線的產品憑借其極高的傳輸速率和便攜性，在市場上占有重要的地位。

USB總線便攜式數據采集系統產品的設計原理一般比較簡單，一種比較典型的設計是，設計者使用Cypress公司的USB2.0控制器CY7C68013來控制Maxim公司的MAX1312采樣數模轉換芯片。這樣把由MAX1312采集的數據直接通過USB控制器向上位機發送。設計框圖如圖1所示。

該數據采集系統只能實現較簡單的數據采集功能，不具備功能擴展性。

2 基于嵌入式系統的數據采集系統現狀

近年來，不少人投入到基于嵌入式系統的數據采集系統的研究開發中，開發的成果也相當豐富。

按照是否使用ARM將基于嵌入式開發平臺的數據采集系統分為非基于ARM和基于ARM兩類。

2.1 非基于ARM嵌入式平臺的數據采集系統

非ARM嵌入式平臺的數據采集系統一般都采用單片機作為其控制核心。結構一般包括選路控制器、AD轉換、單片機等幾個部分。

不使用ARM的數據采集系統，其功能受到單片機功能的限制，采樣速率有限，存儲空間較小，不能滿足高速大容量采樣的需求，更不可能在儀器上運行分析軟件，從而擺脫電腦獨立工作。某些基于單片機的數據采集系統也只能完成最簡單的數據采集功能，而沒有進行特殊應用的擴展，其功能甚至不如某些公司非嵌入式系統的USB采集卡。

2.2 基于ARM的嵌入式平臺的數據采集系統

ARM系列微處理器功耗低、性能優于單片機，是便攜式設備理想的選擇，所以ARM越來越多的被應用到便攜式數據采集系統。

由于ARM功能強大，能支持一些高級的應用，所以很多情況下，基于ARM的嵌入式系統的數據采集系統具有一定的針對性。它們往往是針對一種專門的對象，提供相關的應用功能。

目前基于ARM的嵌入式系統在數據采集中已經有比較多的應用。每種應用都有它們自己的針對性，并根據對象的不同要求進行了不同的設計。基于ARM的嵌入式系統，是基本原理相似，實質卻是天壤之別。

3 基于ARM嵌入式平臺的雷達數據采集系統

該采集系統分為便攜式數據采集系統，數據管理及分析系統兩大部分。便攜式數據采集系統主要完成數據的采集和數據的前期處理，獲得數據的特征信息，并能回顯數據。數據管理及分析系統部署于上位機，用于對數據的存儲管理和對比分析。如圖2所示

采集對象分為三種類型：模擬信號、數字信號和特殊信號。由各自獨立的采集電路實現。模擬信號通過量程自動控制及AD轉換電路轉換為數字信號，再由FPGA進行采集處理；數字信號則經過緩沖驅動后直接由FPGA處理；特殊信號經過幅值控制和適當的反向后，交由FPGA處理。

倍程自動控制通過壓控繼電器來實現，將輸入電壓按比例衰減到合適的范圍，然后和基準電壓比較確定輸入電壓的大小范圍，根據這個范圍，決定繼電器的開合，最終將輸入電壓降低到-10 V～+10 V的范圍，并記錄衰減的倍數。

AD轉換電路采用頻率500 Ksps的AD采集芯片AD7665，實現-10 V～+10 V的模擬信號到數字信號的轉換。

若待采集的數字信號為TTL信號，而FPGA的輸入信號是CMOS信號，則信號進入FPGA前需要先經過一級緩沖驅動芯片處理。

特殊信號為脈寬僅有0.2 us的信號，使用簡單運算放大穩壓電路就可以實現穩壓和反向的功能。不過為了保證信號不失真，需要采用高速運放。

FPGA則接收上面各種信號，并根據控制指令，將信號存儲于外接的大容量SRAM中。為了實現這些功能，需要編寫一套FPGA程序，實現一個控制系統的功能。該程序包括：采集電路的數字部分、系統時鐘、AD采集控制、特殊信號采集控制、數字信號采集控制、SRAM控制、控制系統核心、嵌入式系統接口等部分。如圖3所示

嵌入式系統部分采用比較小巧的ARM9系列的嵌入式平臺作為硬件開發平臺，從而使工作組要集中在軟件開發上。開發系統選用了開源的操作系統Linux，從而增加開發的可控性。圖形開發環境使用了嵌入式QT，嵌入式QT作為一款開源的圖形開發平臺有著廣泛的應用。與FPGA的通訊使用了串口，FPGA端的串口的波特率基本不受太大的限制，串口速度的主要限制在嵌入式系統端。而S3C2410可以達到460800的串口波特率。嵌入式系統最終將數據存儲于SD卡中，便于轉存到PC機。

PC機軟件系統屬于Windows操作系統，所以采用了MFC作為開發平臺。軟件系統首先需要將SD卡中的數據轉存到PC機的指定目錄便于管理。軟件系統提供數據顯示、比較功能，為后續分析提供基礎。

參考文獻

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