圈內(nèi)分享：基于PCI數(shù)據(jù)采集卡的高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘 要： 針對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求具有精度高、速度快、路數(shù)多的特點(diǎn)，根據(jù)成本要求，采用DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡和CPLD等硬件完成了測(cè)試系統(tǒng)的搭建工作，介紹了系統(tǒng)的工作原理和開發(fā)思路，描述了系統(tǒng)軟件的開發(fā)和功能。在實(shí)際應(yīng)用中整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，取得了良好效果。

0 引言

近年來(lái)，隨著航空、航天、測(cè)控等技術(shù)的迅速發(fā)展，相關(guān)行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能要求更加苛刻，要求能夠同時(shí)采樣的通道更多，采樣的精度和速度要求更高，因此研制開發(fā)了一套高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)較以往開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)方案、操作界面等方面均有了較大改進(jìn)，如該系統(tǒng)采用PCI總線，傳輸速率得以大大提高，系統(tǒng)軟件運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)下，較以往該領(lǐng)域的Dos系統(tǒng)，在操作上更方便，界面更友好。整個(gè)系統(tǒng)具有高精度、高采樣速率以及多通道且通道數(shù)可變的突出特點(diǎn)，本文介紹了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制方案。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)具體工作要求：有62路通道可以供用戶采集轉(zhuǎn)換使用，具體采集1~62路中的任意多個(gè)通道及這些通道的編號(hào)分別是多少等信息由用戶根據(jù)需要通過(guò)上位機(jī)傳送給本系統(tǒng)，即本系統(tǒng)要根據(jù)上位機(jī)的具體信息完成用戶的任務(wù)；另外為了達(dá)到相關(guān)指標(biāo)的要求，A/D分辨率應(yīng)達(dá)到14位。從要求可以看出本系統(tǒng)具有采集路數(shù)和路號(hào)可變、精度高、速度快的突出特點(diǎn)。針對(duì)這些特點(diǎn)，選用凌華公司的數(shù)據(jù)采集卡（DAQ-2010）作為采集和A/D轉(zhuǎn)換器件，該板卡具有4個(gè)14位精度的同步A/D通道，通過(guò)擴(kuò)展可以滿足62通道的要求。另外，該板卡的4個(gè)獨(dú)立A/D的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)2.2 Mb/s，滿足了高速采集的技術(shù)要求。作為該板卡工作的控制器，選擇使用CPLD，因?yàn)镃PLD具有精度高、速度快、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，從而可以滿足需要。本系統(tǒng)與上位機(jī)的通信和控制器選擇的是8051核單片機(jī)，其開發(fā)技術(shù)成熟，性能完全可以滿足需求，并且價(jià)格低廉，可以很好地控制成本，它們的具體連接框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先由用戶將要選通的具體通道編號(hào)和通道數(shù)目通過(guò)工控機(jī)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將各通道編號(hào)作為數(shù)據(jù)存放于SRAM中，并且將具體的采樣要求，諸如采樣頻率、采樣總通道數(shù)等信息傳給CPLD。而后CPLD獨(dú)立輸出SRAM的地址來(lái)輪巡所要采集的通道。每當(dāng)一個(gè)通道開通，傳感器和電壓端子盒將被測(cè)系統(tǒng)的電流信號(hào)或電壓信號(hào)匯集到信號(hào)控制箱，然后進(jìn)入信號(hào)調(diào)理板和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量電平后，通過(guò)轉(zhuǎn)接適配器進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡就采集轉(zhuǎn)換一次，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳回給上位工控機(jī)。工控機(jī)對(duì)電壓、電流、功率、相位等信號(hào)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)，并套用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限制曲線圖形，使標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)填充曲線進(jìn)行對(duì)比，以此評(píng)估被測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精度和誤差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)主要是圍繞DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行的，諸如將數(shù)據(jù)采集卡的4個(gè)同步采樣通道擴(kuò)展為62通道，利用硬件描述語(yǔ)言開發(fā)CPLD，使其能夠完成對(duì)62通道的輪巡以及總線隔離等功能。針對(duì)系統(tǒng)各通道要采集的電壓、電流信號(hào)的不同，采用多種電壓、電流傳感器將原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡可以采集的統(tǒng)一形式的電信號(hào)，這樣就可以為數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理打下有利的基礎(chǔ)。硬件總體框圖如圖2所示。

2.1 通道擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)

如前所述，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要62個(gè)通道供用戶使用，但DAQ-2010僅有4個(gè)獨(dú)立同步A/D通道，于是采用4個(gè)16通道多路開關(guān)進(jìn)行擴(kuò)展，從而可以構(gòu)造出64個(gè)通道可供使用，既滿足了用戶的要求，又可以留有兩個(gè)通道作為應(yīng)急或系統(tǒng)升級(jí)使用。

2.2 通道輪巡的實(shí)現(xiàn)

將通道擴(kuò)展至62之后，如何選通通道這一任務(wù)的完成是通過(guò)對(duì)SRAM的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取實(shí)現(xiàn)的。具體思想是在系統(tǒng)開始工作時(shí)，用戶根據(jù)自己的需求將需要測(cè)試的通道編號(hào)通過(guò)工控機(jī)傳遞給單片機(jī)，而后由單片機(jī)將通道編號(hào)作為數(shù)據(jù)寫入靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM中，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，CPLD在內(nèi)部時(shí)鐘的控制下讀取SRAM中的數(shù)據(jù)（即通道編號(hào)），這些編號(hào)就成為了多路開關(guān)的選通信號(hào)，隨即實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)多路開關(guān)通道的開通，這樣就完成了對(duì)所需通道的輪巡，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

2.3 CPLD程序設(shè)計(jì)

CPLD程序設(shè)計(jì)的任務(wù)是：

(1)接收單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)工作要求的信息：如用戶需要輪巡的通道數(shù)、分頻數(shù)、復(fù)位信號(hào)等。

(2)對(duì)多路開關(guān)進(jìn)行輪巡時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生所要讀取SRAM的選通信號(hào)以及它的地址信號(hào)，并根據(jù)時(shí)序要求實(shí)現(xiàn)輪巡。

(3)接收系統(tǒng)工作時(shí)鐘，并且根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻。

另外值的一提的是，系統(tǒng)在工作時(shí)分為單片機(jī)向SRAM寫數(shù)據(jù)并驗(yàn)證和CPLD讀取SRAM中的數(shù)據(jù)兩個(gè)步驟，而從單片機(jī)和CPLD引出的SRAM選通、讀取、地址等控制或數(shù)據(jù)線都要與SRAM連接，這樣就需要有隔離措施，使得在前一個(gè)步驟時(shí)，CPLD與SRAM間是高阻態(tài)，而當(dāng)?shù)诙€(gè)步驟時(shí)，單片機(jī)與SRAM間處于高阻態(tài)。由于在硬件方面，為了控制PCB板的規(guī)格，所以CPLD與SRAM間的隔離需要編程實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)中最重要的時(shí)序是CPLD的工作時(shí)序，CPLD能否正常工作是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，要保證CPLD的工作時(shí)序清晰，不會(huì)產(chǎn)生混亂。CPLD選用EPM7128，使用Verilog HDL語(yǔ)言在MAX+PLUSⅡ環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)， CPLD的頂層程序設(shè)計(jì)模塊見(jiàn)圖4?？驁D左側(cè)均為CPLD的輸入管腳，包括時(shí)鐘、控制讀、寫選通等信號(hào)，框圖右側(cè)均為CPLD的輸出管腳，包括對(duì)SRAM的讀信號(hào)和地址信號(hào)，其中SRAM1O、SRAM2O、SRAM3O、SRAMO、SRAM_RD等信號(hào)可以在單片機(jī)寫SRAM時(shí)實(shí)現(xiàn)CPLD與SRAM的隔離。

正常工作時(shí)，系統(tǒng)的時(shí)序圖如圖5所示。

3 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件使用VC++開發(fā)，運(yùn)行于Windows環(huán)境下，人機(jī)界面友好，包括系統(tǒng)測(cè)試軟件和和系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件。其中系統(tǒng)測(cè)試軟件是在對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，具體實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、相位、功率、功率因數(shù)等參數(shù)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的執(zhí)行軟件，系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件是對(duì)系統(tǒng)的精度進(jìn)行計(jì)量的軟件。

該軟件包采用中文下拉菜單方式提示操作、顯示、打印，自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)所有測(cè)試數(shù)據(jù)，以便于事后調(diào)出查詢，觀察分析，重新顯示輸出。測(cè)試數(shù)據(jù)套用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限制曲線圖形，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)填充曲線的對(duì)比圖形可同時(shí)顯示打印，以便于判斷測(cè)試結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明這一系統(tǒng)完全滿足多通道同時(shí)采樣并且速度快、精度高的要求，穩(wěn)定可靠，取得了很好的效果，說(shuō)明了文章中所作的分析和討論是合理和實(shí)用的。本系統(tǒng)可應(yīng)用于高速、多通道且通道路數(shù)可變的工程應(yīng)用領(lǐng)域。