第１１卷第６期 太赫兹科学与电子信息学报 ＶＯ１．１１．ＮＯ．６ ２０１３年１２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｅ．，２０１３ 文章编号：２０９５－４９８０（２０１３）０６—０９７７．０４ ＬａｂＶＩＥＷ现场可编程门阵列模块数据采集系统仿真 卢 航，高 峰，程 刚 （中国丁程物理研究院电子１二程研究所，四川绵阳６２１９９９） 摘 要：现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）在数据采集、信号处理、测量控制等领域发挥着越来越重 要的作用。目前，美国国家仪器（ＮＩ）公司已经将其图形化编程语言ＬａｂＶＩＥＷ的应用扩展到了ＦＰＧＡ 开发领域，从而使ＦＰＧＡ的开发变得相对容易和便捷。基于ＮＩ公司的ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ系统架构，选 用ＮＩ９２０５模块，利用仿真技术开发了一套数据采集系统，能够对信号进行采集并分析采集信号的 振幅谱和相位谱。该数据采集系统具有一定的实际意义和价值，并可进一步扩展为自动化软件测 试平台。 关键词：ＬａｂＶＩＥＷ；现场可编程门阵列；数据采集 中图分类号：ＴＮ９１９ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１ １８０５／ＴＫＹＤＡ２０１３０６．０９７７ Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ ＦＰＧＡ ｍｏｄｕｌｅ ＬＵ Ｈａｎｇ，ＧＡＯ Ｆｅｎｇ，ＣＨＥＮＧ Ｇａｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６２ １ ９９９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｅｔｃ．ＮＩ ｈａｓ ａｌｒｅａｄｙ ｅｘｐａｎｄｅｄ ＬａｂＶＩＥＷ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＦＰＧＡ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＦＰＧＡ ｍｕｃｈ ｅａｓｉｅｒ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｔｈｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ Ｏ１０－ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ ａｎｄ ＮＩ９２０５ ｍｏｄｕｌｅ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅａｒｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ａｎｄ ｖａｌｕｅ，ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｔｏ ａｎ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬａｂＶＩＥＷ；Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ；ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ 目前对于现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）的开发，主要采用硬件描述语言（￣ｔｔｌ Ｖｅｒｉｌｏｇ，ＶＨＤＬ等）和专门的开发工具 （如ＩＳＥ，Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ等）。开发者需要对硬件描述语言、开发工具、ＦＰＧＡ的基本结构以及相应的硬件知识具有较深 刻的了解，这就对开发者提出了较高的要求。随着图形化编程语言ＬａｂＶＩＥＷ进入ＦＰＧＡ开发领域，ＦＰＧＡ的开 发变得相对容易，在测量控制等领域的应用也越来越多¨Ｊ。 ＮＩ公司提供的ＦＰＧＡ设备主要有ＮＩ ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ系列、ＮＩ ＦｌｅｘｌＯ系列、Ｒ系列智能ＤＡＱ设备和ＮＩ Ｃｏｍｐａｃｔ 视觉系统等＿２】。其中，ＮＩ ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ系列由控制器、ＣＲＩＯ机箱和ｃ系列模块３部分硬件组成，ＦＰＧＡ芯片是 整个ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ系统的核心。ＣＲＩＯ系统的嵌入式控制器上运行实时操作系统（如ＶｘＷｏｒｋｓ，Ｐｈａｒｌａｐ等），在此基 础上开发的实时模块可以通过先入先出（Ｆｉｒｓｔ Ｉｎｐｕｔ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔｐｕｔ，ＦＩＦＯ）队列或者ＦＰＧＡ ＶＩ的前面板控件等来与 ＦＰＧＡ进行通信，同时可以对读取的数据进行分析、处理等；ＣＲＩＯ机箱背板上运行ＦＰＧＡ程序，其负责所有信 号采集以及信号输入、输出等的控制；Ｃ系列模块负责所有的外部信号采集等功能，ＮＩ公司提供了不同的Ｃ系 列模块供用户选择。基于ＮＩ ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ平台的应用系统开发分为３个部分，即ＦＰＧＡ开发、ＲＴ控制器嵌入式 软件开发和上位机图形接口软件开发等 Ｊ。 １ 数据采集系统设计 在ＬａｂＶＩＥＷ ８．ｘ以上版本中，可以在开发ＰＣ机上仿真运行ＦＰＧＡ模块和Ｈｏｓｔ模块等，从而便于脱离硬件 收稿日期：２０１２—０９ １４；修回日期：２０１２．１１．２１ 基金项目：国防科 局技术基础课题资助项目（Ｚ１１２０１１Ａ００１） 第６期 卢 航等：ＬａｂＶＩＥＷ现场可编程门阵列模块数据采集系统仿真 ９７９ ＮＩ９２０５采集到的数据读取到实时嵌入式系统模块中，并通过网络传送给上位机模块。实时模块设计时，通过打 开ＦＰＧＡ ＶＩ、配置ＤＭＡ ＦＩＦＯ、运行ＦＩＦＯ、读取ＦＩＦＯ等将数据读人系统中。实时模块的原理图如图４所示。 Ｆｉｇ．４ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｒｅａｌ‘ｔｉｍｅ ｍｏｄｕｌｅ 图４实时模块原理图 １．４上位机模块设计 在上位机模块中创建用户操作界面见图５。通过上位机，用户 可以控制数据的采集行为，并且可以观察到所采集信号的波形、信 号的频谱分析情况以及波形的幅值等，同时可以将波形保存到文件 中。在设计中，采用共享变量的方式来实现上位机和下位机之间的 网络通信，从而实现在上位机中控制数据采集行为、采样率等以及 获取下位机传递的采集数据。对采集的波形采用ＦＦＴ变换ｆ快速傅 里叶变换）获取波形的频谱分析结果，包括波形的振幅谱和相位谱 波形。 １．４．１共享变量 在ＬａｂＶＩＥＷ中，共享变量拥有全局变量的所有性质，并且因 Ｆｉｇ．５ Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ 图５上位机用户界面 为其采用了内部的缓冲机制，在不同ｖＩ之间传递数据时避免了数据竞争的问题。ＬａｂＶＩＥＷ提供３种类型的共享 变量：单进程共享变量、网络发布共享变量和时间触发型共享变量＿５】。网络发布共享变量可以被网络中的不同计 算机访问，因此设计时不需要考虑网络的具体实现，从而使网络通信设计变得非常简便。只需要在共享变量的属 性设置中，将其变量类型设置为“网络发布”，这样就能实现网络通信功能，否则只能被本地的ｖＩ访问。共享变 量可以是ＬａｂＶＩＥＷ支持的所有数据类型，甚至是自定义的数据类型，其网络地址由计算机名、项目库和变量名 称共同组成。在ＬａｂＶＩＥＷ中，通过共享变量引擎来发布和管理系统中的共享变量。在设计中，共享变量主要用 于传递采集行为、采集数据和采样率等信息。 １．４．２频谱分析 计算机可以通过离散傅里叶变换（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＤＦＴ）得到信号的频谱。有限长序列 （ ）的离散傅 里叶ｆＤＦＴ）变换为： ｋｎ （ ）＝∑ｘ（ ）ｅ ｋ＝Ｏ，１，…，Ⅳ一１ （１） Ｊｖ点的ＤＦＴ变换的计算量与Ⅳ的平方成正比，当．ｖ较大时，计算量太大，进行频谱分析是不切实际的。通 过将Ⅳ点的ＤＦＴ划分为若干较短的ＤＦＴ，并利用指数函数的周期性，可以使运算量大幅下降，这就是ＦＦＴ变换 的基本思想。ＦＦＴ变换有种类繁多的算法，最常用到的：有基２ＦＦＴ算法、基４ＦＦＴ算法、分裂基ＦＦＴ算法和离散 哈特莱变换等Ｉ６］。采用ＦＦＴ算法可以将ＤＦＴ的运算效率提高１－２个数量级，这大大推动了数字信号处理技术的 发展。在本设计中，采用ＦＦＴ变换来计算信号的傅里叶变换，得到采集信号的频谱，进而得出信号的振幅谱和 相位谱。 ２ 结论 ＦＰＧＡ所具有的并行执行的特点，可以大幅提高数据采集系统的效率和实时性，ＬａｂＶＩＥＷ的并行编程方式 也非常适合进行ＦＰＧＡ开发 Ｊ。通过ＮＩ公司提供的ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ开发平台，可以方便地利用图形化的编程语言 ＬａｂＶＩＥＷ进行ＦＰＧＡ开发，降低了ＦＰＧＡ开发的难度，从而更方便、快捷地开发出所需的测量与控制系统等 Ｊ。 但是基于ＮＩ ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ平台的应用开发是ＬａｂＶＩＥＷ图形化编程语言、实时系统和ＦＰＧＡ三者共同开发的结合， 一般ＬａｂＶＩＥＷ开发中的很多编程技巧并不适用，这对开发者是新的挑战。 基于ＮＩ ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ平台设计的数据采集系统实现了采集系统所需的基本功能，比如：信号采集、显示、 ９８０ 太赫兹科学与电子信息学报 第１１卷 保存和频谱分析等。在此设计的基础上添加相应的信号输出的Ｃ系列模块，并在ＦＰＧＡ ＶＩ、实时嵌入式ＶＩ和用 户界面ｖＩ中做适当修改，就可以将数据采集系统扩展为一个自动化的测试平台，完成包括软件测试等在内的测 试任务。 参考 文献： ｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．Ｔｈｏｒｏｕｇｈ Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ＬａｂＶＩＥＷ ＦＰＧＡ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ［Ｚ］．２００６． ［１］ ＮａｔＥＷ Ｂｉｂｌｅ［Ｍ］．ＢｅｉＪｉｎｇ：Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２０１ １． ［２］ ＣＨＥＮ Ｓｈｕｘｕｅ．ＬａｂＶＩＸｉａｏｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｗｅｎｊｉｅ，ＹＩ Ｊｉａｎｇｙｉ．Ｆｅａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｄｅ ｓｉｇｎ ｏｆ Ｆｌｏｗｓ Ｔｅｓｔｉｎｇ＆Ｃ０ｎｔｒ０ｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ ［３］ ＰＥＮＧ ＦＰＧＡ［Ｊ］．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，２００７，２０（５）：２２－２３． Ｐｅｉｐｅｉ，ＨＥ Ｑｉａｎｇ，ＨＡＮ Ｚｈｕａｎｇｚｈｉ，ｅｔ ａ１．Ｌａｂｖｉｅｗ ＦＰＧＡ—Ｂａｓｅｄ Ｄａｔａ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｔｗｏ Ｃｌｏｃｋ Ｄｏｍａｉｎｓ［Ｊ］． ［４］ ＣＵＩＭｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１ １，３４（１７）：１４９—１５２． ｌｉｔｙ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ［５］ ＨＥ Ｚｈｉｘｉａ．Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｅｈ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ＤｕｒａｂｉＡｕｔｏ—Ｓｗｉｔｃｈ［Ｄ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００９． Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉ ｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ／Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ［６】 ＬＩＵ Ｐｅｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｊｉａｎ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆＬａｂＶＩＥＷ ａｎｄ ＡＲＭ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，７（５）：４５９—４６４． ｎ．Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ Ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｗｉｔｈ ＬａｈＶＩＥＷ ＦＰＧＡ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，２００６（１２） ［７］ ＴＡＮＧ Ｍｉ７２－７５． Ｌｉａｎｚｈｉ，ＸＩＥ Ｍｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ，ｅｔ ａ１．Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ＶＩ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］． 【８］ ＱＩＪｏｕｒｎａｌ ｏｆＴｅｒａｈｅｒｔｚ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，９（１）：１０１—１０２． 作者简介： 卢 航（１９８３一），男，四川Ｉ省雅安市人，硕 士，主要研究方向为软件测试以及ＦＰＧＡ设计 和验证．ｅｍａｉｌ：ｌｕｈｌ００３＠１６３．ｃｏｎ． 高 峰（１９７１一），男，河北省唐山市人，硕士 高级工程师，主要研究方向为软件测试与开发． 程 刚（１９７０一），男，四川省绵阳市人，硕士 高级Ｔ程师，主要研究方向为软件开发． （上接第９７６页） Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｋ Ｏ，Ｈｅｏｎ Ｙ Ｙ．Ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｄｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｖａｒｉａｂｌｅ—ｂｉｔ ｒａｔｅ ｖｉｄｅｏ ｓｔｒｅａｍｓ［Ｊ Ｊ． 【１３］ Ｌｅｅ１９９９，７（４）：３０５—３１ １． Ｘｉｅ Ｌ．Ｔｈｅ ｍａｐｐｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｖｉｄｅｏ ｏｂｊｅｃｔｓ ｉｎ ｖｉｄｅｏ ｓｅｒｖｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｊｏｕｒｎａｌ，ｆ１４］ Ｚｈｏｕ Ｘ Ｂ，２０００，１ １（１２）：１６２０－１６２７． ＿．随机学习与优化——基于灵敏度的方法【Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０１１．（ＣＡＯ Ｘｉｒｅｎ Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｌｅａｒｎｉｎｇ 【１５］ 曹希ｆａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ－－ａ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｂａｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｍ］．Ｂｅ ｎｇ：Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２０１ １．） 作者简介： 一 士控通ｓａｌ研制信ｘｈ刘究、＠网兴生马ｍ络ａ华尔，ｉｌ主（．可的ｕ１９ｓ要夫ｔ８性ｃ５研．决ｅ—能ｄ１究策ｕ，．分方ｃ男过ｎ．向析 ，程南为和、随昌系优机市统化人系控统等，制在估．理ｅｍ读计论ａ博与ｉ、ｌ ：奚宏生ｆ１９５０一），上海市人，教授，博士生导师， 曾担任中国科学技术大学信息学院副院长，在国内 外主要期刊发表论文１００余篇，主要研究方向为随 机系统估计与控制、通信网络的性能分析和优化、 Ｈｙｂｒｉｄ系统的性能分析与优化、排队网络及离散事 件动态系统的研究．
