基于高速A/D轉(zhuǎn)換與快速存儲操作總線接口的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

隨著大規(guī)模集成的電路的飛速發(fā)展，PC機性能不斷提高。在PC機擴展槽中嵌入以高性能微處理器為核心的智能型功能卡，可以組成綜合性能極佳的分布式控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)方式可充分利用微處理器的控制功能、PC機的快速數(shù)據(jù)處理能力，以及多任務(wù)工作方式等特點。對于這種分布式控制系統(tǒng)，主機要頻敏接收到來自擴展卡從機所采集的數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等信息；向從機發(fā)送控制命令或處理數(shù)據(jù)等。這種主、從機之間的通訊，根據(jù)應(yīng)用條件的不同有多種方式。但在數(shù)據(jù)傳輸速度較高、數(shù)據(jù)量較大且需經(jīng)常交換信息的場合，采用雙口共享RAM緩沖區(qū)方式是最合適的。

為了用單片機實現(xiàn)對微秒級甚至納秒級高速瞬變信號進行采樣，研究了一種基于ISA總線、GPS同步時鐘、用硬件電路實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、高速尋址以及存儲的技術(shù)，保證了高速瞬態(tài)信號的實時采集。對于變化速極快、過程極短的高速瞬態(tài)信號的采集，需要高速A/D轉(zhuǎn)換單元、大量數(shù)據(jù)存儲單元、高速尋址和快速存儲等。

由于所采集的信號是高頻信號，用常規(guī)則方法受到單片機本身運行速度的限制，不僅造成成本提高，而且對高頻、遠距離多路信號的信號處理增加困難，有時無法區(qū)別所采集信號的真?zhèn)?。通過對8051單片機的外圍進行有效的擴展，采取在數(shù)據(jù)采集時由硬件實現(xiàn)采集和存儲，采集完畢后由8051系列單片機進行數(shù)據(jù)處理和通信，比較好地解決了二者的矛盾。

筆者研制的高速數(shù)據(jù)采集板采樣頻率為20MSPS；A/D轉(zhuǎn)換字長為8位，并且采樣速率可變；存儲容量為512K字節(jié)，符合ISA總線標準?？蓮V泛用于電力測量、繼電保護和故障定位等。

1 硬件系統(tǒng)基本工作原理

硬件電路框圖如圖1所示，它是由CPU1及CPU2基本系統(tǒng)、視頻閃爍ADC轉(zhuǎn)換器、高速緩存RAM、雙口RAM、地址計數(shù)器、采樣頻率控制、時序控制及譯碼電路等部分組成。

根據(jù)需要CPU采用DS80C320單片機。在時鐘頻率為33MHz條件下，單周期指令執(zhí)行時間是110納秒，充分發(fā)揮高速A/D轉(zhuǎn)換芯片的性能。DS80C320內(nèi)部有三個16位定時器/計數(shù)器、二個全雙工串行口、十三個中斷源（六個外部中斷端）、二個數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1。在33MHz晶振時，ALE的輸出信號頻率是8.25MHz。

CPU1主要用于數(shù)據(jù)采集、與PC機通訊；CPU2用于接收GPS時間報文，GPS時間報文可在任何時刻由CPU1從與之相接的雙口RAM2中讀取。高速雙端口RAM

IDT7130（2K×8位）、IDT7134（4K×8位），內(nèi)部具有判決電路以防止因?qū)δ骋粏卧瑫r操作而產(chǎn)生沖突。雙口RAM1

IDT7134主要用于CPU1存放采集的數(shù)據(jù)、同步時間信息及工作狀態(tài)等，供PC機定時取用，同時也接收來自PC機的命令。雙口RAM2

IDT7130其容量為2K字節(jié)，主要用于CPU1與CPU2交換GPS的同步時鐘信息。

對高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)而言，最為重要的是系統(tǒng)的分辨率、精度與通過速率。特別是系統(tǒng)通過速率，是區(qū)別高速數(shù)據(jù)采集與一般數(shù)據(jù)采集最為關(guān)鍵的一項技術(shù)指標。在硬件的具體實現(xiàn)過程中，則需要考慮兩個方面：（1）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間；（2）轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲時間［2］。

1.1 高速A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換采用閃爍ADC器件AD9048，其最大轉(zhuǎn)換速率為35MSPS，分辨率為8位。利用高速雙極工藝制造，采樣速率快，頻帶寬，無代碼遺失，輸入電容?。▋H為16pF），功耗低（為500mW）。AD9048內(nèi)部時鐘鎖定比較器可使編碼邏輯電路和輸出緩沖寄存器作在35MSPS的高速，并避免了多數(shù)系統(tǒng)對取樣保持電路（S/H）和跟蹤保持電路（T/H）的需要。數(shù)字輸入、輸出及控制電平與TTL兼容。AD589和AD741、2N3906等構(gòu)成穩(wěn)壓可調(diào)電路，提供給9048的RB、RT接地。AD9618作為輸入緩沖放大器［3］。由于AD9048的數(shù)據(jù)輸出沒有三態(tài)門控制，故在輸出加上74LS241作三態(tài)門控制。AD9048是否工作取決于輸入轉(zhuǎn)換脈沖信號，在脈沖信號上升沿取樣。轉(zhuǎn)換脈沖來自采樣頻率控制電路中的8254分頻器的輸出。

1.2 高速尋址

對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)不受CPU控制。每當ADC轉(zhuǎn)換一次后，由控制電路發(fā)出相應(yīng)的信號，將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入高速緩存RAM某單元中，再使地址計數(shù)器加1，直到地址計數(shù)器記滿后產(chǎn)生采樣結(jié)束信號，封鎖RAM寫信號，利用二進制地址發(fā)生器的最高位通過中斷方式通知主機采樣已完成。

地址計數(shù)器可根據(jù)地址位數(shù)由若干同步記有選舉權(quán)器級聯(lián)而成，五片74LS163可構(gòu)成19位地址形成電路。計數(shù)器每收到一個脈沖即產(chǎn)生一個地址。地址的初值可通過時序控制電路清零。若采用循環(huán)地址，則在計數(shù)滿后，用進位信號迫使計數(shù)器的同步預(yù)置電平發(fā)生變化，使計數(shù)器恢復(fù)初值，進入新一輪計數(shù)。

1.3 快速存儲

單片機與上位PC機間串口通訊的數(shù)據(jù)傳輸速率往往不能滿足實時要求；DMA通道最的大數(shù)據(jù)傳輸率也不超過5MB/s［1］，這顯然無法滿足本系統(tǒng)中高達20MB/s的采樣速度。為了解決高速數(shù)據(jù)采集與低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿埽趩纹瑱C系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲器選用雙端口RAM

IDT7134（圖1中RAM1）。在上位PC主機與單片機之間建立了一個4K字節(jié)大小的緩沖區(qū)，單片機只須將經(jīng)過預(yù)處理的采樣值通過一個端口存放緩沖區(qū)，上位PC主機通過另一端口從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)。這樣就解決了高速采樣與低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿?，可滿足實時采集和控制的要求。

1.4 總線控制

單片機系統(tǒng)總線上掛有若干RAM或I/O口，尋址和數(shù)據(jù)傳輸均由CPU發(fā)出指令通過系統(tǒng)總線實現(xiàn)的。對于高速數(shù)據(jù)采集，為了提高尋址和數(shù)據(jù)傳輸速度，避免總線沖突或堵塞，必須建立局部總線。系統(tǒng)總線與局部總線應(yīng)該既區(qū)別、又統(tǒng)一，既隔離、又結(jié)合，彼此通過合理的控制邏輯聯(lián)系起來。

總線仲裁的基本原則實際就是在不同的總線請求時，采用不同長度的讀寫周期，以使各個使用者對總線的占用時間互相交錯，而使用者并不感覺到仲裁的存在。在內(nèi)存映射的傳輸方式中，A/D不斷地將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寫入高速緩存RAM，CPU根據(jù)數(shù)據(jù)處理的需要從高速緩存RAM讀取數(shù)據(jù)至雙口RAM1，雙口RAM1還需要將所有單元刷新一遍。這三種操作都要占用卡上的數(shù)據(jù)、地址總線。但它們發(fā)生的時間是隨機的，因此對總線的占用必然會產(chǎn)生沖突，總線仲裁電路的功能就是對這三種操作進行協(xié)調(diào)。這里，通過五片74LS241二選一開關(guān)協(xié)調(diào)地址計數(shù)器與CPU1對高速緩存RAM讀地址的沖突，二片74LS241協(xié)調(diào)高速緩存RAM與AD9048和雙口RAM之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突。

1.5 PC總線接口技術(shù)

PC系統(tǒng)總線對4KB的雙口RAM尋址是一個難點。本數(shù)據(jù)采集卡采用PC總線，又稱8位ISA總線。它使用靈活，便于同8位單片機構(gòu)成接口電路。有62條引線，分五類：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、輔助與電源線。本數(shù)據(jù)采集卡只用了其中一部分引線：8條數(shù)據(jù)線、10條地址線、IOR和IOW控制線、電源線。譯碼電路詳細框圖如圖2。

本數(shù)據(jù)采集卡使用308H、309H、30AH三個口地址實現(xiàn)在板緩存4KB的尋址。這里的譯碼電路使用了GAL20V8和兩片74HC574。當PC機要訪問某一地址時，首先寫入雙口RAM的低8位地址。此時GAL20V8的輸出信號選中74HC574（右），將PC-DB上的數(shù)據(jù)鎖存，形成雙口RAM的低8位地址Addrl；然后寫入雙口RAM的高8位地址。GAL20V8的輸出信號選中74HC574（左），將PC-DB上的數(shù)據(jù)鎖存，形成雙口RAM的高8位地址Addrh。最后通過選中雙口RAM的片選端cs，完成一次數(shù)據(jù)的讀/寫過程。

1.6 采樣頻率控制電路

采樣頻率挖掘電路是由晶振、可編程分頻器8254及一些控制電路組成。8254是可編程分頻器，工作頻率在8MHz～20MHz。通過不同的分頻數(shù)，可以輸出不同頻率，分頻數(shù)在值為2～65535。它的輸出由觸發(fā)控制電路控制。其輸出時鐘分別送往地址計數(shù)器、高速緩存RAM的寫信號控制電路及AD9048的轉(zhuǎn)換脈沖輸入端。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的主要功能是為用戶提供一個良好的操作環(huán)境，及時響應(yīng)用戶的命令。用戶操作界面采用Vi-sual

basic語言編寫。通過采用一系列命令。用戶操作界面采用Visual

basic語言編寫。通過采用一個系列命令按鍵，將電力系統(tǒng)采集到的實際信號的波形、故障發(fā)生的時刻等映射到計算機屏幕上，用戶可以對采集到的信息有一個直觀的認識。用軟件虛擬硬件操作界面，可以充分利用計算機的強大運算功能、靈活多變的軟件優(yōu)勢和VGA強大的顯示功能。為便于系統(tǒng)的擴充和軟件復(fù)用，整個軟件分為幾個相對獨立的功能模塊，模塊內(nèi)代碼封裝，相互之間設(shè)立統(tǒng)一的接口規(guī)范。

由于本系統(tǒng)中不僅有高層次、面向磁般文件的操作，也有許多直接控制硬件的操作，采用了TURBO

C和匯編語言混合編程技術(shù)，各模塊根據(jù)操作對象采用適當?shù)恼Z言。這樣可以同時利用高級語言編程方便、結(jié)構(gòu)性好、匯編語言快速、靈活、針對性強的特點。

系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。

硬件驅(qū)動程序用于完成對硬件的操作，全部采用匯編語言編寫。使用系統(tǒng)前，先運行本程序，程序修改PC機系統(tǒng)中斷，運行后常駐內(nèi)存，和主程序的接口通過標準軟中斷形式。

高速圖形單元是對PC機VGA寄存器和顯示存儲器的直接操作，通過調(diào)用相關(guān)函數(shù)和VGA圖形庫，以較快速度將采樣信號顯示出來。

數(shù)據(jù)分析單元主要是對采樣信號進行后處理，可以完成小波變換、信號奇異性檢測、譜分析和相關(guān)分析等數(shù)據(jù)處理功能，并通過波形輸出單元同時將時域信號和分析結(jié)構(gòu)用曲線顯示來出。

整個系統(tǒng)提供給用戶的是一個基于WINDOWS的快速圖形操作界面，系統(tǒng)主控程序協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運行，控制硬件自動運行。在系統(tǒng)界面上包括用于波形顯示的高速視口和命令按鍵等，可以通過簡單操作直觀地觀察實時采集到的數(shù)據(jù)波形、幅值和故障發(fā)生的時刻。同時提供了對外的軟件接口，用戶可以按照規(guī)定的格式組織數(shù)據(jù)，利用本系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)分析功能處理數(shù)據(jù)。

本高速采集卡具有采樣速率高、運行方式靈活、同步時鐘精度高并符合ISA總線標準等特點。以DS80C320單片機為核心，采用GPS同步時間，配合適當?shù)耐鈬O(shè)備及合理的總線控制技術(shù)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。同時兼有數(shù)字存儲示波器功能和數(shù)據(jù)分析能力，可以廣泛用于電力測量、電力系統(tǒng)故障定位和繼電保護領(lǐng)域。