英創(chuàng)信息技術(shù)主板EM9160實現(xiàn)波形數(shù)據(jù)采集

工控主板EM9160的精簡ISA總線的主要擴(kuò)展應(yīng)用之一，就是擴(kuò)展針對應(yīng)用的各種數(shù)據(jù)采集單元，即通常所說的AD單元。對低速采樣、且不要求樣點間有嚴(yán)格時間間隔的應(yīng)用，英創(chuàng)公司已推出了已ETA102、ETA197為代表的數(shù)據(jù)采集方案，這些方案可很好的應(yīng)用于常規(guī)的測溫、測壓等低速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。但對需要采集信號波形的應(yīng)用，如振動分析、電力諧波分析等，ETA102和ETA197的方案就不能滿足要求了，主要的原因是這些AD單元的數(shù)據(jù)采集都是由軟件啟動的，因此不能保證樣點間有嚴(yán)格固定的時間間隔。本文的目的，是在新的EM9160的硬件IRQ中斷驅(qū)動程序的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了一個基于中斷的AD采集單元，通過EM9160的PWM接口輸出固定周期的脈沖來啟動AD轉(zhuǎn)換，AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換好后，通過中斷通知EM9160工控主板。EM9160的IRQ驅(qū)動程序則讀取AD數(shù)據(jù)，并儲存在內(nèi)部緩沖區(qū)中，應(yīng)用程序則通過標(biāo)準(zhǔn)的文件讀的方式讀取設(shè)備文件”IRQ1:”的數(shù)據(jù)。
本設(shè)計的AD轉(zhuǎn)換芯片，選用了經(jīng)典的AD574A。AD574A是一款采樣率25Ksps、分辨率為12-bit的AD芯片，設(shè)計采用AD574A的獨立工作模式（Stand-Alone），其采集時序如下圖所示：

上圖中的AD轉(zhuǎn)換脈沖R/C#是一脈寬大于50ns的低電平脈沖，我們可以利用EM9160的PWM脈沖輸出來作為AD轉(zhuǎn)換啟動脈沖。AD574A的狀態(tài)輸出STS，在進(jìn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后變高，轉(zhuǎn)換完成后從高電平變?yōu)榈碗娖?。在設(shè)計中，把STS反相作為EM9160的IRQ輸入，上升沿（即STS的下降沿）將觸發(fā)中斷。
AD574A的基本設(shè)計如下：

注意，在上圖中沒有包括前端的模擬信號調(diào)理部分，因為這部分電路與具體應(yīng)用密切相關(guān)。客戶在具體的AD設(shè)計中還需要協(xié)調(diào)好模擬地和數(shù)字地的關(guān)系，以保證采集數(shù)據(jù)的實際精度滿足需求。
與EM9160精簡ISA總線的接口電路如下：

圖中的PWM1是來自于EM9160的GPIO12。EM9160共有3路PWM輸出，均與GPIO復(fù)用管腳，具體關(guān)系為：

由這兩部分電路構(gòu)成的完整設(shè)計如下：

本設(shè)計的主要優(yōu)點是擴(kuò)展電路非常簡單，是一種典型的低成本波形采集方案。但需要注意的是，由于每次AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，都需要中斷驅(qū)動程序讀取AD數(shù)據(jù)。采用本方案的波形數(shù)據(jù)采集對AD的采樣率就有一定限制，通常來說不能超過10ksps，即100us的采樣間隔。以電力諧波分析來看，50Hz的工頻信號，按5Ksps采樣率進(jìn)行波形采集，可獲得的諧波可達(dá)到49次諧波，可滿足絕大多數(shù)應(yīng)用。采用這樣的設(shè)計，客戶并不需要涉及驅(qū)動程序的編寫，就可實現(xiàn)實時的波形數(shù)據(jù)采集的功能。
客戶可在此設(shè)計的基礎(chǔ)上，方便的設(shè)計出多通道的波形數(shù)據(jù)采集方案。