基于cRIO平台实现428kHz方波信号测量

主要软件: LabVIEW Development Systems>>LabVIEW Professional Development System
主要软件版本: 2011
主要软件修正版本: N/A
次要软件: LabVIEW Modules>>LabVIEW Real-Time Module
硬件: CompactRIO>>Controllers>>cRIO-9025

问题:

在这个项目中，我们需要监测428kHz方波信号的频率、占空比、峰-峰值。如果要测量峰-峰值，则必须将待测信号做为模拟信号，通过模拟输入模块实现。但是NI cRIO平台下最高采样率只有1M (9223)，该如何实现频率、占空比和峰-峰值的测量。

解答:

我们需要监测的信号大概在428kHz，低电平为0V，高电平为8V。由于不需要测量整个信号的完整波形，因此1MHz的采样率是可以完成方波信号的峰值测量（注意，要使9223达到1MHz的采样率，9223必须使用User-Controller IO Sampling模式，这个请参考LabVIEW范例NI 9222 User-Controlled IO Sampling.lvproj，输入9223关键词）。当然如果信号本身偶尔会出现一些毛刺或尖峰，根据现场情况有可能不容易捕捉到。（如果信号的峰-峰值为+4V和-4V，而不是+8V和0V，则不能采用9223+9401这种方案。因为将-4V的电压施加在9401模块上，但9401只能检测TTL电平，这会导致9401会钳制负电压，使得9223不能获得真实的负的峰值）

那么频率和占空比如何测量呢？我们采用9401数值I/O模块，最大采样率10MHz，TTL电平（信号的高电平为8V，我们做了分压处理，实际加在9401 I/O上的电压为4V左右）。对于428kHz的方波信号，如果要实时监测其频率，9401的10MHz采样率还是远远不够的，其误差大概在5%（即相差一个采样周期），占空比的误差还要更大一些。在这个应用中，客户不需要实时的频率和占空比。以频率的测量为例：

在FPGA中以40MHz运行，对待测信号的上升沿进行计数，1s中内的上升沿个数即信号的频率。

图1. 上升沿计数

占空比的测量采用的是类似的方法：将9401 I/O端测量的结果通过FIFO传到cRIO控制器上，我们以20k的连续数据做为一个单元，20k数据中的布尔值为True的个数与20k的比值即占空比。从图2中看到，频率和占空比的结果非常稳定：

图2. RT端计算频率和占空比

最后RT端将结果通过UDP（AMC）发送到Host端。Host和RT之间的数据交互如图3所示：

图3. Host和RT端数据交互的原理图

图4. Host端显示测量结果

项目结构：

图5. 项目结构

这里需要注意的是，由于9401和9223同时对同一路信号进行测量，9401模块的输入阻抗较大，所以不会影响到9223模块对峰-峰值的测量的精度。并且9401是数字输入模块，待测方波信号不能有负电压。例如通过信号发生器将峰-峰值3.3V，直流偏置为0的信号接入9401，当信号为-3.3V时，这个负电压加在9401两端，9401会将负电压钳制在-1V以上。这时候用模拟输入模块采集到的负的峰值就不准确了！

相关链接:

1. Asynchronous Message Communication (AMC) Reference Library:

http://zone.ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6091

2. TCP&UDP Communication between Host and RT Target:

http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/ADE4F17364F0E65586257A55001D0C57?OpenDocument

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