雙通道邏輯控制高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，需要實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的實時采集和處理，以使生產(chǎn)過程得到及時控制。參考文獻[1]介紹了基于一個模擬開關CD4052和A/D轉換器AD574設計的數(shù)據(jù)采集卡，可以實現(xiàn)8路信號采集，該數(shù)據(jù)采集卡只適用于小系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集；參考文獻[2]介紹了基于AD1674實現(xiàn)的雙通道并行高速數(shù)據(jù)采集卡，可實現(xiàn)16路信號采集，采用ISA總線計算機接口。而對于更多路信號的采集處理，在實時性方面對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的ISA總線接口的低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)不能適應現(xiàn)行的要求。

本文設計了一種全新構架的高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用現(xiàn)行的高速微機PCI數(shù)據(jù)通信接口[3-4]；運用了高速高精度的A/D器件[5]、片上緩沖存儲技術[6]、靈活的多通道數(shù)據(jù)轉換和CPLD[7-8]技術，使系統(tǒng)的硬件得到簡化，可同時采集32路不同的信號，對信號進行實時、快速處理。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。32路采樣的模擬信號分為互相獨立的兩個通道輸入，每個通道接收16路信號，由兩個互相獨立的8路模擬開關控制。這樣給系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獲取提供了比較大的自由度，可根據(jù)實際需要實現(xiàn)不同的控制組合。

每個通道輸入的模擬信號送入一個A/D轉換器，進行獨立數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)緩存入不同的FIFO SRAM地址空間。4組8路數(shù)據(jù)的存儲和傳輸互相獨立，這樣使得數(shù)據(jù)采集速度得到提高。

系統(tǒng)使用了CPLD技術。在CPLD中央控制邏輯的協(xié)調下，重新組織數(shù)據(jù)包，通過PCI數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳送到計算機，實現(xiàn)高速實時的數(shù)據(jù)采集和處理。

2 系統(tǒng)硬件設計

整個系統(tǒng)的硬件分為數(shù)據(jù)輸入模塊、A/D轉換模塊、數(shù)據(jù)緩沖存儲模塊、PCI接口模塊及CPLD控制模塊五大部分。

2．1 數(shù)據(jù)輸入模塊

數(shù)據(jù)輸入模塊主要功能是在CPLD控制下進行采集輸入通道的實時切換，實現(xiàn)不同模擬信號的采集。主要是由MAX4781和MAX4783組成的組合開關[9]。MAX4781為八選一高速模擬開關，MAX4783為單刀雙擲開關。開關典型工作電壓為＋3V，導通電阻0.7Ω，接通時間11ns，關斷時間4ns，輸出漏電流0.002nA。每一通道由兩片并聯(lián)的MAX4781和MAX4783級聯(lián)組成，可同時采集16路模擬信號。

2．2 A/D轉換模塊

由數(shù)據(jù)輸入模塊輸出的模擬信號送入A/D轉換模塊進行模數(shù)轉換，得到精確的數(shù)字信號。該設計中A/D轉換器選用MAX1200[5]，如圖2所示。MAX1200具有單通道全差分輸入，16位精度，1Ms/s轉換速率，流水線結構，帶有數(shù)字誤差校正和自校正功能。其轉換速率由2.048MHz的外接精準時鐘信號以及時鐘產(chǎn)生電路MAX961決定，如圖3所示。

MAX1200通過外接MAX4108轉換電路，將單端輸入信號轉換成差分輸入信號，使得輸入信號電平擴大一倍，信號處理能力與抗干擾能力得到增強，如圖4所示。

MAX1200的基準電壓由4.096V基準電壓模塊MAX6341及MAX410構成的高精度低漂移的差分電路參考電壓驅動模塊供給，提供了較高的模數(shù)轉換精確度和穩(wěn)定性。

2．3 數(shù)據(jù)緩沖存儲模塊

系統(tǒng)設計中采用片上緩沖存儲技術，用存儲器存放A/D轉換輸出的大量數(shù)據(jù)。緩存芯片選用65536×16bit容量的FIFO SRAM IDT72V19160。該雙口存儲器受CPLD控制，一方面獲取A/D轉換輸出的數(shù)字信號；另一方面，其存儲數(shù)據(jù)又可以按計算機的要求被讀出。該緩存芯片的存儲狀態(tài)可以由外部命令通過標志位改變，可以將存儲空間劃分成高、低不同的區(qū)域，分別存、取不同數(shù)據(jù)，這樣可有效地利用硬件資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)組無干擾采集緩存。同時，系統(tǒng)借鑒蟲孔尋徑和位移寄存器的基本思路，采用支持優(yōu)先級FIFO排隊的優(yōu)先級先進先出隊列PFQ(Priority FIFO Queue)[6]，充分利用高速本地總線，可以有效解決信號傳輸堵塞問題，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，降低了延時，提高了帶寬利用率。

2.4 PCI接口模塊

鑒于本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量大，在把獲取的數(shù)據(jù)傳輸給計算機進行分析處理時，應用了先進的高速PCI接口技術[3-4]，以32位133MB/s的速率運行。將PCI9054 MODE0與MODE1的工作模式設置為C 模式，即數(shù)據(jù)和地址分別都為32位；采集系統(tǒng)的本地數(shù)據(jù)與本地地址操作采用非分時復用組態(tài)，LA0～LA31為本地地址，LD0～LD31為本地數(shù)據(jù)；系統(tǒng)與計算機接口的數(shù)據(jù)和地址采用分時復用模式，32位寬AD0～AD31。存儲PCI9054 配置信息的EEPROM采用93CS56芯片。PCI接口的邏輯信號流如圖5 所示。

2．5 CPLD控制模塊

CPLD是現(xiàn)代電子技術領域中的一門全新技術，它提供了基于計算機和電子技術的大規(guī)模數(shù)字電路設計方法。CPLD具有強大的邏輯功能，可以提高系統(tǒng)集成度，簡化系統(tǒng)設計。新一代的CPLD不僅在速度上能滿足高速數(shù)字信號處理的要求，而且可編程資源也大大增加，具有在線可編程功能，使系統(tǒng)設計的靈活性和系統(tǒng)適用性得到很大的提升。因此，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了Altera公司的EPM3256ATC144-7芯片。該芯片具有256個宏單元，最多可提供158個I/O口。

本設計邏輯控制[7]主要分為四個部分：(1)對輸入通道開關的使能與通道選通控制以及切換；(2)對A/D轉換芯片的使能、數(shù)據(jù)轉化及自校正的控制；(3)對緩沖存儲芯片SRAM的讀寫狀態(tài)及其存儲標志位的控制；(4)對PCI本地對話的控制，包括本地地址的選擇、數(shù)據(jù)包的組裝、通信握手信號、突發(fā)傳送與DMA傳送控制。

CPLD的應用簡化了系統(tǒng)的硬件邏輯控制電路設計，應用VHDL編程實現(xiàn)了系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)的初步處理，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。CPLD端口還提供了更多的擴展功能?？梢姡瑹o論是硬件結構還是軟件程序，該系統(tǒng)都具有可升級的特點。

本高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照工業(yè)要求設計，采用了高速的A/D轉換器MAX1200和雙通道并行結構，實現(xiàn)了高速、大容量、高精度的數(shù)據(jù)采集和處理。該設計還利用了片上大容量優(yōu)先級FIFO SRAM緩存技術，解決了數(shù)據(jù)采集量與短時傳輸速率之間可能出現(xiàn)的矛盾；不同數(shù)據(jù)存儲于不同存儲空間，大大提高了快速數(shù)據(jù)采集能力和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。運用了CPLD和PCI接口技術，極大地簡化了硬件電路，通過設置不同的軟件程序參數(shù)可以形成不同的工業(yè)解決方案。因此，在開發(fā)周期較短或對系統(tǒng)靈活性要求較高的工業(yè)現(xiàn)場，本設計是一種比較理想的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

STM32/STM8

意法半導體/ST/STM