虛擬儀器LabView在FPGA數據采集系統中的應用

文/楊磊　劉美枝

虛擬儀器主要通過軟件設計方法完成各種測量、測試系統的自動化應用。虛擬儀器的設計軟件以計算機的硬件及操作系統為依托實現各種儀器具備的功能。LabView是使用較為廣泛的美國NI公司開發的一種虛擬儀器設計軟件，內部集成的圖形化開發環境，采用圖形編程語言構建程序框圖。本文采用傳感器連接USB-6361數據采集卡，利用LabView設計數據采集存儲程序框圖，將高速數據以存儲到計算機硬盤上，再利用MATLAB進行數據格式轉換， FPGA采用模塊化設計方法調用ROM中存儲的數據進行時序仿真分析處理。整個系統采用虛擬儀器完成高頻高精度數據采集，利用FPGA實現信號精確處理，有效縮短開發周期、驗證算法精度。

1　系統總體設計

系統通過USB-6361數據采集卡連接傳感器進行數據采集，利用虛擬儀器LabView設計合適不同采樣率和不同采樣精度的程序框圖將數據以TDMS格式存儲到計算機的硬盤中。利用MATLAB編寫M文件把TDMS格式數據轉換成MIF格式， 通過FPGA開發軟件Quartus II自帶的ROM IP核設計信號存儲模塊，將MIF格式數據存儲到ROM中，供FPGA其他模塊調用進行信號時序仿真和算法驗證。

2　LabView軟件設計

2.1　LabView程序框圖設計

LabView是一種集成圖形化模塊的虛擬儀器開發軟件。在LabVIEW中通過工具模版、控件框圖和函數模版設計各功能模塊及配置參數，控制模版中添加相應的輸入控制對象和輸出顯示對象，函數模版中創建程序框圖的對象集合，框圖窗口中完成調用。LabView設計的數據采集存儲器的程序框圖如圖1所示。

圖1中數據采集存儲的LabView程序框圖結構主要包括四個部分。Channel settings為通道和傳感器輸出信號電壓范圍設置單元，滿足不同幅值范圍多通道數據采集；timing settings為采樣時鐘單元，根據傳感器帶寬設置合適的采樣頻率；logging settings為數據存儲單元，通過TDMS File Path輸出對象將實時采集的數據以TMDS文件格式存儲到計算機的硬盤中；Acquire Data為實時數據顯示單元，傳感器和數據采集硬件電路采集的信號實時動態顯示。

2.2　數據采集和存儲實現

NI 公司的USB-6361數據采集卡含有高性能的多功能DAQ模塊，ADC的分辨率為16位，具有單端輸入和差分輸入兩種方式，PLL輸出時鐘基準為100Mhz，定時分辨率為10ns，能保持很高的采樣率和采樣精度。USB接口即插即用配合LabView軟件程序為現場數據采集提供極大的方便。LabView數據采集存儲顯示界面如圖2所示。

圖2中，界面左側依次設置通道，采樣信號電壓輸出范圍-10V～10V，采樣率為2.00MS/s，最后設置數據存儲路徑為計算機硬盤。界面右側為采樣信號動態顯示窗口，可以實時觀察采樣信號動態變化，當顯示窗口出現信號突變時也可按下Stop按鈕暫停，單獨保存某段需要分析的信號，極大的方便了信號處理分析。

3　FPGA系統設計

3.1　ROM模塊設計

Quartus II軟件的megawizard plug-in manager中自帶參數可調的宏功能模塊，選擇與系統時鐘同步的ROM模塊，時鐘信號為clock，數據精度為16位，由于FPGA自帶的邏輯單元LE有限，所以設置ROM存放數據深度為4096個，將LabView采集到的信號截取部分存放到ROM單元，進而在FPGA中進行讀取仿真，ROM模塊設置.

3.2　FPGA時序仿真

圖1：數據采集存儲LabView程序框圖

FPGA系統開發用的Verilog HDL硬件描述語言直接針對底層硬件，系統響應速度快，高達百兆級的系統時鐘適合高速信號實時處理。設計數據采樣控制模塊和信號濾波處理模塊，讀取ROM中的原始數據，經濾波后進行分析處理。對系統進行時序仿真時利用Modelsim波形仿真軟件，依托計算機強大的內存單元，可根據需求實時監測系統中各信號的運行情況，分析各時刻點信號的參數值。

4　結論

本文結合LabView和NI USB-6361數據采集存儲優勢，可移植性強，縮短測控系統開發周期，滿足信號不同頻率和精度的采樣要求。信號處理利用FPGA的高速實時特性，對LabView采集的信號進行算法分析驗證，可推廣到各種控制系統半實物仿真。