虚拟仪器LabView在FPGA数据采集系统中的应用

文/杨磊　刘美枝

虚拟仪器主要通过软件设计方法完成各种测量、测试系统的自动化应用。虚拟仪器的设计软件以计算机的硬件及操作系统为依托实现各种仪器具备的功能。LabView是使用较为广泛的美国NI公司开发的一种虚拟仪器设计软件，内部集成的图形化开发环境，采用图形编程语言构建程序框图。本文采用传感器连接USB-6361数据采集卡，利用LabView设计数据采集存储程序框图，将高速数据以存储到计算机硬盘上，再利用MATLAB进行数据格式转换， FPGA采用模块化设计方法调用ROM中存储的数据进行时序仿真分析处理。整个系统采用虚拟仪器完成高频高精度数据采集，利用FPGA实现信号精确处理，有效缩短开发周期、验证算法精度。

1　系统总体设计

系统通过USB-6361数据采集卡连接传感器进行数据采集，利用虚拟仪器LabView设计合适不同采样率和不同采样精度的程序框图将数据以TDMS格式存储到计算机的硬盘中。利用MATLAB编写M文件把TDMS格式数据转换成MIF格式， 通过FPGA开发软件Quartus II自带的ROM IP核设计信号存储模块，将MIF格式数据存储到ROM中，供FPGA其他模块调用进行信号时序仿真和算法验证。

2　LabView软件设计

2.1　LabView程序框图设计

LabView是一种集成图形化模块的虚拟仪器开发软件。在LabVIEW中通过工具模版、控件框图和函数模版设计各功能模块及配置参数，控制模版中添加相应的输入控制对象和输出显示对象，函数模版中创建程序框图的对象集合，框图窗口中完成调用。LabView设计的数据采集存储器的程序框图如图1所示。

图1中数据采集存储的LabView程序框图结构主要包括四个部分。Channel settings为通道和传感器输出信号电压范围设置单元，满足不同幅值范围多通道数据采集；timing settings为采样时钟单元，根据传感器带宽设置合适的采样频率；logging settings为数据存储单元，通过TDMS File Path输出对象将实时采集的数据以TMDS文件格式存储到计算机的硬盘中；Acquire Data为实时数据显示单元，传感器和数据采集硬件电路采集的信号实时动态显示。

2.2　数据采集和存储实现

NI 公司的USB-6361数据采集卡含有高性能的多功能DAQ模块，ADC的分辨率为16位，具有单端输入和差分输入两种方式，PLL输出时钟基准为100Mhz，定时分辨率为10ns，能保持很高的采样率和采样精度。USB接口即插即用配合LabView软件程序为现场数据采集提供极大的方便。LabView数据采集存储显示界面如图2所示。

图2中，界面左侧依次设置通道，采样信号电压输出范围-10V～10V，采样率为2.00MS/s，最后设置数据存储路径为计算机硬盘。界面右侧为采样信号动态显示窗口，可以实时观察采样信号动态变化，当显示窗口出现信号突变时也可按下Stop按钮暂停，单独保存某段需要分析的信号，极大的方便了信号处理分析。

3　FPGA系统设计

3.1　ROM模块设计

Quartus II软件的megawizard plug-in manager中自带参数可调的宏功能模块，选择与系统时钟同步的ROM模块，时钟信号为clock，数据精度为16位，由于FPGA自带的逻辑单元LE有限，所以设置ROM存放数据深度为4096个，将LabView采集到的信号截取部分存放到ROM单元，进而在FPGA中进行读取仿真，ROM模块设置.

3.2　FPGA时序仿真

图1：数据采集存储LabView程序框图

FPGA系统开发用的Verilog HDL硬件描述语言直接针对底层硬件，系统响应速度快，高达百兆级的系统时钟适合高速信号实时处理。设计数据采样控制模块和信号滤波处理模块，读取ROM中的原始数据，经滤波后进行分析处理。对系统进行时序仿真时利用Modelsim波形仿真软件，依托计算机强大的内存单元，可根据需求实时监测系统中各信号的运行情况，分析各时刻点信号的参数值。

4　结论

本文结合LabView和NI USB-6361数据采集存储优势，可移植性强，缩短测控系统开发周期，满足信号不同频率和精度的采样要求。信号处理利用FPGA的高速实时特性，对LabView采集的信号进行算法分析验证，可推广到各种控制系统半实物仿真。