一種高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對武器系統(tǒng)模擬信號的采集和數(shù)據(jù)分析，根據(jù)PC／104總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計思想，數(shù)據(jù)采集卡以A／D轉(zhuǎn)換器、CPLD和FIFO相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)信號的連續(xù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?。A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號的采樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換，CPLD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲過程的控制。實(shí)驗結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集卡操作簡單、實(shí)時性強(qiáng)、性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)對被測信號高速連續(xù)的數(shù)據(jù)采集。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；復(fù)雜可編程邏輯器件；FIFO；時序控制；邏輯控制

O 引言
    測試設(shè)備是武器系統(tǒng)中最主要的子系統(tǒng)之一，它的工作正常與否將直接影響到整個武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能。在對武器系統(tǒng)進(jìn)行測試的過程中，需要對一系列的電壓、電流等模擬量信號進(jìn)行快速、實(shí)時的數(shù)據(jù)采集和分析，檢查這些模擬量的指標(biāo)是否符合要求，可以對武器系統(tǒng)是否發(fā)生故障做出診斷，保證武器系統(tǒng)的正常工作。根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)需求，提高快速機(jī)動保障能力，研制出體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、便攜式的測試設(shè)備就成為主要的目標(biāo)。
    本文設(shè)計了一種基于PC／104總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其目的在于替代示波器在武器系統(tǒng)測試中的作用。常規(guī)采集方案主要有兩種：
    (1)由單片機(jī)直接控制的采集方案，這是最簡單最常用的控制方案。由于每次采樣都要有單片機(jī)的參與，需占用單片機(jī)的時間，影響其數(shù)據(jù)處理，而且對于多通道、多個A／D轉(zhuǎn)換器的控制，因所需處理的信息更多，則更加不方便。
    (2)由DMA控制的采集方案。此方案硬件電路復(fù)雜，若與單片機(jī)配合使用，需要單片機(jī)具有總線掛起功能，否則還需要進(jìn)行總線切換，影響數(shù)據(jù)的及時處理。
    綜合以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本數(shù)據(jù)采集卡自動采樣硬件電路主要采用可編程邏輯器件CPLD和先進(jìn)先出FIFO(First In First Out)技術(shù)設(shè)計而成，可以很好地實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。

1 數(shù)據(jù)采集卡總體方案設(shè)計
    數(shù)據(jù)采集卡是由信號調(diào)理電路、帶采樣保持器的A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)、FIFO數(shù)據(jù)緩存、CPLD芯片及時鐘電路等部分組成，具有高精度、高可靠性、高抗干擾能力等特點(diǎn)。總體結(jié)構(gòu)設(shè)計原理如圖1所示。

2 芯片介紹
    該數(shù)據(jù)采集卡采用的芯片主要有：AD9283模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、AD508A多路選擇開關(guān)、EPM7128SCL84-6CPLD和CY7C4261 FIFO緩存器。下面對以上所用芯片做一簡要介紹。
2．1 AD9283模／數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介
    本數(shù)據(jù)采集卡選用了ANALOG DEVICE公司生產(chǎn)的高速8位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9283。它采用先進(jìn)CMOS制作工藝，提供20腳表面貼裝封裝形式。片內(nèi)集成高性能采樣和保持放大器，輸入信號可采用單輸入或差分輸入；處理輸入電壓峰峰值在0～1 V之間的模擬信號；采用單+3 V模擬電源和單+3 V數(shù)字電源；片內(nèi)提供+1．2～+1．3 V的參考電壓；最高抽樣速率可達(dá)100 MSPS；具有高速并行輸出接口。
2．2 EPM7128SCL84-6 CPLD芯片簡介
    本數(shù)據(jù)采集卡選用一片Altera公司生產(chǎn)的EPM7128SLC84-6CPLD作為核心處理芯片，它具有高阻抗、電可擦除等特點(diǎn)，可用門單元為2 500個，有64個用戶可用I／O引腳，工作電壓為+5 V，管腳間最大延遲為5 ns，采用PLCC-84封裝，通過JTAG接口可實(shí)現(xiàn)在線編程。
2．3 CY7C4261 FIFO緩存器簡介
    本數(shù)據(jù)采集卡選用的FIFO器件是CYPRESS公司生產(chǎn)的高速、低功耗、先入先出存儲器芯片CY7CA261。它的容量為16K×9位，讀寫周期為10 ns，支持異步和同步讀寫操作，寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)分別具有時鐘和使能信號，具有“空、滿、可編程幾乎空、可編程幾乎滿”四個狀態(tài)標(biāo)志位，沒有絕對地址的概念，只有讀指針和寫指針的相對位置，只要標(biāo)志不為0，就可以進(jìn)行寫操作，只要標(biāo)志不為0，就可以進(jìn)行讀操作，讀寫操作可以同時進(jìn)行。

3 數(shù)據(jù)采集卡電路設(shè)計
3．1 信號調(diào)理電路
    被測信號在進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器之前，都必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，使之符合A／D轉(zhuǎn)換器的量程要求。對大信號需經(jīng)過適當(dāng)?shù)乃p，而小信號則需要放大。本數(shù)據(jù)采集卡采用的A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓峰峰值在0～1 V之間，而被測信號幅度都大于此值，所以信號在進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器之前需對其進(jìn)行衰減處理。具體的分壓限幅電路如圖2所示。

3．2 A／D轉(zhuǎn)換與FIFO緩存電路
    由于AD9283數(shù)據(jù)最大采集頻率為100 MHz，所以其最大數(shù)據(jù)存儲頻率至少應(yīng)為100 MHz，而CY7C4261的最大存儲速率為100 MHz，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)中CY7C4261的寫時鐘與A／D轉(zhuǎn)換采用同一個時鐘進(jìn)行控制。在測試過程中，有些待測信號周期較大，而本數(shù)據(jù)采集板的采樣頻率為100 MHz，為了在數(shù)據(jù)采集過程中不丟數(shù)據(jù)，需要連續(xù)采集大量數(shù)據(jù)。一片CY7C4261的存儲容量不夠，需要兩片輪流存儲。AD9283與CY7C4261的接口電路連接如圖3所示。

4 CPLD在數(shù)據(jù)采集卡中的應(yīng)用
    CPLD作為整個數(shù)據(jù)采集過程的控制核心，負(fù)責(zé)地址譯碼、多路開關(guān)選通、A／D轉(zhuǎn)換啟動、將轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入FIFO以及兩片F(xiàn)IFO之間的切換等一系列操作。它的三個功能模塊分別為：地址譯碼模塊、多路開關(guān)控制模塊、A／D采樣及FIFO控制模塊。
4．1 地址譯碼模塊
    該模塊實(shí)現(xiàn)了CPLD內(nèi)部與PC／104總線的接口單元。本數(shù)據(jù)采集卡是作為PC／104的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)進(jìn)行工作的。PC／104規(guī)定，外設(shè)的操作地址為A[9：0]，在系統(tǒng)軟件設(shè)計中要防止地址沖突。PC／104中使用A0～A9地址位來表示I／O端口地址，即可有1 024個口地址，前512個供系統(tǒng)板使用，后512個供擴(kuò)充插槽使用，當(dāng)A9=O時表示系統(tǒng)板上的口地址；當(dāng)A9=1時表示擴(kuò)充插槽接口卡上的口地址。因此本數(shù)據(jù)采集板的基地址由A[9：4]來確定，偏移地址由地址線的A[3：O]確定，選擇該地址就意味著相應(yīng)的操作，CPLD對地址進(jìn)行譯碼后就產(chǎn)生相應(yīng)的控制。在Qu-artusⅡ上設(shè)計的地址譯碼模塊原理圖程序如圖4所示。

    地址譯碼的工作過程為：在撥碼開關(guān)上手工設(shè)基地址，在CPLD內(nèi)部劃出一片74LS688地址比較器，比較CPU發(fā)出的基地址與手工設(shè)定的基地址是否一致，若不一致，則地址譯碼電路不工作，進(jìn)而整個數(shù)據(jù)采集板都不工作；若一致，則74LS688輸出低電平，使得偏移地址譯碼電路中的4-16譯碼器74LS154正常工作，在IOR，IOW信號的作用下產(chǎn)生各種控制信號，使數(shù)據(jù)采集板正常工作。
4．2 多路開關(guān)控制模塊
    該模塊實(shí)現(xiàn)了對八選一多路選擇開關(guān)ADG508A的選通控制。通過控制使能引腳EN以及CH0～CH2引腳，可對多路開關(guān)的輸入通道進(jìn)行可編程選擇。PC／104CPU通過地址譯碼選中CSWE[2]，并寫入數(shù)據(jù)D0～D7，就可以選擇不同的通道導(dǎo)通。在QuartusⅡ上設(shè)計的多路開關(guān)控制模塊原理圖程序如圖5所示。

4．3 A／D采樣及FIFO控制模塊
    該模塊主要負(fù)責(zé)A／D芯片的轉(zhuǎn)換時序，實(shí)現(xiàn)對A／D采樣的合理控制，同時將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入FIFO中，并且控制著兩片F(xiàn)IFO的輪流存儲，實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的采集。PC／104CPU通過地址譯碼選中CSWE[O]，寫入數(shù)據(jù)D0～D7，將與門inst15打開，輸出端ENCODE1輸出100 MHz的時鐘信號，PWRDWN1端輸出為低電平，啟動A／D轉(zhuǎn)換，同時，與門inst14被打開，WCLK1端輸出100 MHz時鐘，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入FIFO(1)中。選中CSRD[0]，寫人數(shù)據(jù)D0～D7，將與門inst21打開，OE2端輸出低電平，使CY7C4261(2)輸出使能，RCLK2端輸出100 MHz的時鐘信號，將數(shù)據(jù)讀出。當(dāng)FIFO(1)存儲滿時，CPLD控制由FIFO(2)來進(jìn)行存儲，同時將FIFO(1)中的數(shù)據(jù)讀出；當(dāng)FIFO(2)存儲滿時，轉(zhuǎn)由FIFO(1)進(jìn)行存儲，同時將FIFO(2)中數(shù)據(jù)讀出。如此反復(fù)，直至預(yù)定的延時時間止，實(shí)現(xiàn)了兩片F(xiàn)IFO的輪流存儲和讀取，進(jìn)而達(dá)到了采集大量數(shù)據(jù)的目的。另外，在每次采樣及向FIFO中存儲數(shù)據(jù)之前，都要求選通CSWE[5]或CSWE[6]將FIFO芯片復(fù)位，使其讀指針和寫指針都指向第一個物理存儲地址。在QuartusⅡ上設(shè)計的A／D采樣及FIFO控制模塊原理圖程序如圖6所示。

    CPLD硬件控制邏輯設(shè)計的關(guān)鍵是分析各個器件的工作時序和采樣保持時間，A／D轉(zhuǎn)換時間以及數(shù)據(jù)存入FIFO的時間等。在設(shè)計的時序處理進(jìn)程中，要根據(jù)CPLD的工作頻率計算各個等待周期，等器件準(zhǔn)備好以后才能進(jìn)行下一個處理。

5 結(jié)語
    采用CPLD和FIFO器件設(shè)計了一種基于PC／104總線的高速數(shù)據(jù)采集卡，它可以作為PC／104總線標(biāo)準(zhǔn)模件使用。該采集板上的大部分控制邏輯被集成到CPLD芯片中，大大減少了擴(kuò)展卡上的器件數(shù)量，同時降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。該數(shù)據(jù)采集板非常適合搭建高密度、小體積的便攜式測試設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于武器控制系統(tǒng)的測試等多種場合，對控制系統(tǒng)的模擬量信號進(jìn)行快速、實(shí)時的數(shù)據(jù)采集和分析。