基于ARM嵌入式平臺的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)①

余貴水　魏鐘記　韋有平

摘 要：針對雷達(dá)接口信號測試復(fù)雜問題，提出了基于ARM9系列嵌入式平臺作為硬件開發(fā)平臺的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將采集系統(tǒng)按照便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)兩大分系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 模擬信號 數(shù)字信號 特殊信號

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

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的歷史較為悠久，近年來，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品層出不窮。根據(jù)不同的采集信號，有不同的設(shè)計產(chǎn)品。雷達(dá)接口信號采集系統(tǒng)由于待采集信號的復(fù)雜性和未知性，其設(shè)計更為復(fù)雜。

1 數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品現(xiàn)狀

一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(chǎn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計原理一般比較簡單，一種比較典型的設(shè)計是，設(shè)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(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。這樣把由MAX1312采集的數(shù)據(jù)直接通過USB控制器向上位機發(fā)送。設(shè)計框圖如圖1所示。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只能實現(xiàn)較簡單的數(shù)據(jù)采集功能，不具備功能擴展性。

2 基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，不少人投入到基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究開發(fā)中，開發(fā)的成果也相當(dāng)豐富。

按照是否使用ARM將基于嵌入式開發(fā)平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

非ARM嵌入式平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都采用單片機作為其控制核心。結(jié)構(gòu)一般包括選路控制器、AD轉(zhuǎn)換、單片機等幾個部分。

不使用ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也只能完成最簡單的數(shù)據(jù)采集功能，而沒有進(jìn)行特殊應(yīng)用的擴展，其功能甚至不如某些公司非嵌入式系統(tǒng)的USB采集卡。

2.2 基于ARM的嵌入式平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

ARM系列微處理器功耗低、性能優(yōu)于單片機，是便攜式設(shè)備理想的選擇，所以ARM越來越多的被應(yīng)用到便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

由于ARM功能強大，能支持一些高級的應(yīng)用，所以很多情況下，基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(guān)的應(yīng)用功能。

目前基于ARM的嵌入式系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集中已經(jīng)有比較多的應(yīng)用。每種應(yīng)用都有它們自己的針對性，并根據(jù)對象的不同要求進(jìn)行了不同的設(shè)計?；贏RM的嵌入式系統(tǒng)，是基本原理相似，實質(zhì)卻是天壤之別。

3 基于ARM嵌入式平臺的雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該采集系統(tǒng)分為便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)兩大部分。便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的前期處理，獲得數(shù)據(jù)的特征信息，并能回顯數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理及分析系統(tǒng)部署于上位機，用于對數(shù)據(jù)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(shù)字信號和特殊信號。由各自獨立的采集電路實現(xiàn)。模擬信號通過量程自動控制及AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由FPGA進(jìn)行采集處理；數(shù)字信號則經(jīng)過緩沖驅(qū)動后直接由FPGA處理；特殊信號經(jīng)過幅值控制和適當(dāng)?shù)姆聪蚝?，交由FPGA處理。

倍程自動控制通過壓控繼電器來實現(xiàn)，將輸入電壓按比例衰減到合適的范圍，然后和基準(zhǔn)電壓比較確定輸入電壓的大小范圍，根據(jù)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(shù)。

AD轉(zhuǎn)換電路采用頻率500 Ksps的AD采集芯片AD7665，實現(xiàn)-10 V～+10 V的模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

若待采集的數(shù)字信號為TTL信號，而FPGA的輸入信號是CMOS信號，則信號進(jìn)入FPGA前需要先經(jīng)過一級緩沖驅(qū)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(wěn)壓電路就可以實現(xiàn)穩(wěn)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(jù)控制指令，將信號存儲于外接的大容量SRAM中。為了實現(xiàn)這些功能，需要編寫一套FPGA程序，實現(xiàn)一個控制系統(tǒng)的功能。該程序包括：采集電路的數(shù)字部分、系統(tǒng)時鐘、AD采集控制、特殊信號采集控制、數(shù)字信號采集控制、SRAM控制、控制系統(tǒng)核心、嵌入式系統(tǒng)接口等部分。如圖3所示

嵌入式系統(tǒng)部分采用比較小巧的ARM9系列的嵌入式平臺作為硬件開發(fā)平臺，從而使工作組要集中在軟件開發(fā)上。開發(fā)系統(tǒng)選用了開源的操作系統(tǒng)Linux，從而增加開發(fā)的可控性。圖形開發(fā)環(huán)境使用了嵌入式QT，嵌入式QT作為一款開源的圖形開發(fā)平臺有著廣泛的應(yīng)用。與FPGA的通訊使用了串口，F(xiàn)PGA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(tǒng)端。而S3C2410可以達(dá)到460800的串口波特率。嵌入式系統(tǒng)最終將數(shù)據(jù)存儲于SD卡中，便于轉(zhuǎn)存到PC機。

PC機軟件系統(tǒng)屬于Windows操作系統(tǒng)，所以采用了MFC作為開發(fā)平臺。軟件系統(tǒng)首先需要將SD卡中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到PC機的指定目錄便于管理。軟件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)顯示、比較功能，為后續(xù)分析提供基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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