基于Compact RIO的多路信号采集及处理平台设计＊

（91388部队94分队 湛江 524022）

1 引言

利用水听器基阵接收信号是水声学研究中最常用的手段之一，现在大多数的水声试验仍然使用模拟基阵获取水声信号，将多路模拟信号直接上传至信号接收端。这就涉及到多路模拟信号的同步采集问题。本文基于LabVIEW语言和Compact RIO 硬件平台，实现了多路信号的实时同步采集，采集到的信号可以在Compact RIO 的FPGA 模块上直接进行信号处理，解决了普通采集卡只能在计算机中进行信号处理的问题，大大提高了程序运行的速度。

图1 系统硬件结构图

2 系统硬件简介

系统硬件设计主要包括PC 机和Compact RIO。本设计利用信号发生器发射信号，经水听器发送出来，由于水听器出来的信号很小，采集卡不能够采集，所以在接收端我们加了一个信号预处理器，对水声信号进行滤波、放大，便于采集卡采集。为了实时的采集处理信号，我们选用CRIO9014编程控制器和NI 9215 采集卡，其分辨率为16位，4路差分模拟输入，最大采样率为100kS／s。

NI Compact RIO 硬件平台是一个基于FPGA 技术的嵌入式系统，包含一个嵌入式实时处理器和一个可重复配置I／O FPGA 核的底板。FPGA 芯片是Compact RIO 体系结构的核心，内置数据传输机制，负责把数据传到嵌入式处理器以进行实时分析、离线处理、数据记录或与联网主机通信。同时，利用LabVIEW FPGA 基本的I／O 功能，用户可以直接访问Compact RIO 平台的每个I／O 模块的输入输出电路。所有的I／O 模块都包含内置的接口，信号调理、转换电路（如ADC或DAC），以及可选的隔离屏蔽，用户根据测试需求可选用不同的I／O 模块。Compact RIO 实物如图2所示。

图2 Compact RIO 实物图

3 信号采集及处理平台设计

为了信号采集及处理平台软件开发的周期，同时又便于程序的可读性与可维护性，设计过程中采用了模块化和结构化编程的基本思路。软件设计基于LabVIEW 2011开发环境，利用Real-Time和FPGA 工具包，并借助信号采集及处理函数实现信号的采集、滤波、时域分析及频域分析等功能。软件结构分为两层：Compact RIO 平台的程序设计以及上位PC机的程序设计。

3.1 Compact RIO 平台的程序设计

数据的采集与处理是基于Compact RIO 平台由Lab-VIEW RT 和LabVIEW FPGA 实现的。FPGA VI部分程序框图如图3所示，While循环中，采用顺序结构执行定时采集四通道的数据采集。数据在缓存过程中，由于是四通道的数据采集，为了保证通道之间的数据互不影响，使用函数选板中Build Array函数建立一维数组，然后将数据依次写入DMA FIFO 缓存区中。

图3 FPGA 程序框图

3.2 上位PC机主程序设计

信号采集及处理平台程序的前面板是与用户交互的操作面板，因此要求其界面友好、直观、便于操作。主程序功能模块由4部分组成：数据采集、数据处理分析、文件管理以及帮助信息。主程序VI对各功能子VI动态调用是基于事件结构节点实现的，通过点击界面上各功能模块按钮就可以调用相应的功能。

3.3 主要功能模块设计

3.3.1 数据采集模块

数据采集模块是整个软件的核心，只有采集到正确的信号才能够对信号进行后续的处理，Compact RIO 的数据采集是利用FPGA 技术控制采集卡采集信号。在进行数据采集时，必须协调同步FPGA 程序和RT 程序，两者工作采用握手方式，使RT 程序通过触发FPGA 程序相应的属性控制FPGA 程序运行。在运行过程中，RT 程序中首先需要配置FIFO 的存储深度；在FPGA 程序中，主要用到两个控件：FPGA I／O Node控件和Write FIFO 控件。FPGA I／O Node控件用来执行数据采集的操作；Write FIFO 控件是将采集到的数据写入FIFO 中，在数据传输时，FPGA 程序将采集到的数据先存储到FIFO 中，RT 程序再从FIFO 中读取数据。通过FIFO 实现了FPGA 与RT 的数据传递。

图4 RT 程序框图

3.3.2 数据处理与分析模块

数据的处理与分析模块可以对采集到的信号进行时域、频域以及时频联合分析。程序的前面板由Tab控件来组织，用户可以点击不同选项来查看分析结果；程序面板由While循环和Case Structure（选择结构）组成。其中，时域分析主要包括时域波形显示、特征参数分析、自相关分析和互相关分析；频域分析包含FFT、功率谱、幅值相位谱等多种分析，用户可以在列表中选择。

图5 数据的处理与分析模块框图

3.3.3 文件管理模块

文件管理模块实现数据存储功能。数据存储完成原始信号的记录，在需要进行数据回放或后续处理时，可以读取原始信号记录文件；在帮助信息模块中，用户可以点击“帮助信息”按钮获得使用说明和实时帮助。

4 试验与结果分析

为了验证系统的可行性，在实验室对整个系统进行了实验，利用信号发生器发射频率为10KHz，宽度为10ms的单频信号，通过换能器将信号发射出来，信号经过信号预处理器后传送至采集卡。本文选择的是NI CRIO-9014及9215采集卡，可实现四通道的动态信号采集，最大采样率为100kS／s。基于Compact RIO 平台实现四通道的数据采集，上位PC通过以太网进行实时远程监测，四路水听器接收水声信号，经NI 9215采集卡采集后在CRIO-9014的FPGA 底版上直接进行信号处理，对信号经过滤波、取包络、判决大小、测时延等一系列处理，得出每路信号测得的目标声源的时延值。用户还可以通过点击数据处理与分析模块中不同选项来查看时域、频域以及其它信息。结果表明，本文开发的信号采集及处理平台能够满足测试的要求。

图6 相关分析显示面板

5 结语

本文利用虚拟仪器技术，结合NI公司的Compact RIO编程控制器及主控计算机，建立了一套集数据采集、存储、显示和信号实时处理于一身的综合系统。系统可以独立完成水声阵列信号的采集和大运算量的实时信号处理，同时可以通过波形显示控件的设置，实现示波器的部分功能。本系统开发周期短、效率高，其可靠性、稳定性、测试精度等方面性能优越，并具备良好的扩展性和可维护性，有着广泛的应用前景。

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