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： 針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計要求具有精度高、速度快、路數(shù)多的特點，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。在實際應用中整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，取得了良好效果。
0 引言
近年來，隨著航空、航天、測控等技術的迅速發(fā)展，相關行業(yè)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能要求更加苛刻，要求能夠同時采樣的通道更多，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)，在設計方案、操作界面等方面均有了較大改進，如該系統(tǒng)采用PCI總線，傳輸速率得以大大提高，系統(tǒng)軟件運行于Windows操作系統(tǒng)下，較以往該領域的Dos系統(tǒng)，在操作上更方便，界面更友好。整個系統(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，本文介紹了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與研制方案。
1 系統(tǒng)的總體設計方案
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路中的任意多個通道及這些通道的編號分別是多少等信息由用戶根據(jù)需要通過上位機傳送給本系統(tǒng)，即本系統(tǒng)要根據(jù)上位機的具體信息完成用戶的任務；另外為了達到相關指標的要求，A/D分辨率應達到14位。從要求可以看出本系統(tǒng)具有采集路數(shù)和路號可變、精度高、速度快的突出特點。針對這些特點，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14位精度的同步A/D通道，通過擴展可以滿足62通道的要求。另外，該板卡的4個獨立A/D的轉(zhuǎn)換速率可達2.2 Mb/s，滿足了高速采集的技術要求。作為該板卡工作的控制器，選擇使用CPLD，因為CPLD具有精度高、速度快、穩(wěn)定性好的特點，從而可以滿足需要。本系統(tǒng)與上位機的通信和控制器選擇的是8051核單片機，其開發(fā)技術成熟，性能完全可以滿足需求，并且價格低廉，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，首先由用戶將要選通的具體通道編號和通道數(shù)目通過工控機傳遞給單片機，單片機將各通道編號作為數(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獨立輸出SRAM的地址來輪巡所要采集的通道。每當一個通道開通，傳感器和電壓端子盒將被測系統(tǒng)的電流信號或電壓信號匯集到信號控制箱，然后進入信號調(diào)理板和信號轉(zhuǎn)換電路，將被測信號轉(zhuǎn)換為標準測量電平后，通過轉(zhuǎn)接適配器進入數(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。工控機對電壓、電流、功率、相位等信號參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析、計算、顯示和存儲，并套用相關標準限制曲線圖形，使標準規(guī)定的極限曲線與試驗數(shù)據(jù)填充曲線進行對比，以此評估被測試系統(tǒng)設計的精度和誤差，從而實現(xiàn)對被測系統(tǒng)的實時監(jiān)控。
2 系統(tǒng)的硬件設計
系統(tǒng)硬件的設計主要是圍繞DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡進行的，諸如將數(shù)據(jù)采集卡的4個同步采樣通道擴展為62通道，利用硬件描述語言開發(fā)CPLD，使其能夠完成對62通道的輪巡以及總線隔離等功能。針對系統(tǒng)各通道要采集的電壓、電流信號的不同，采用多種電壓、電流傳感器將原始信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡可以采集的統(tǒng)一形式的電信號，這樣就可以為數(shù)據(jù)采集、信號處理打下有利的基礎。硬件總體框圖如圖2所示。
2.1 通道擴展的實現(xiàn)
如前所述，本系統(tǒng)設計需要62個通道供用戶使用，但DAQ-2010僅有4個獨立同步A/D通道，于是采用4個16通道多路開關進行擴展，從而可以構(gòu)造出64個通道可供使用，既滿足了用戶的要求，又可以留有兩個通道作為應急或系統(tǒng)升級使用。
2.2 通道輪巡的實現(xiàn)
將通道擴展至62之后，如何選通通道這一任務的完成是通過對SRAM的數(shù)據(jù)進行讀取實現(xiàn)的。具體思想是在系統(tǒng)開始工作時，用戶根據(jù)自己的需求將需要測試的通道編號通過工控機傳遞給單片機，而后由單片機將通道編號作為數(shù)據(jù)寫入靜態(tài)存儲器SRAM中，開始進行數(shù)據(jù)采集時，CPLD在內(nèi)部時鐘的控制下讀取SRAM中的數(shù)據(jù)（即通道編號），這些編號就成為了多路開關的選通信號，隨即實現(xiàn)了相應多路開關通道的開通，這樣就完成了對所需通道的輪巡，其實現(xiàn)框圖如圖3所示。
2.3 CPLD程序設計
CPLD程序設計的任務是：
(1)接收單片機對系統(tǒng)工作要求的信息：如用戶需要輪巡的通道數(shù)、分頻數(shù)、復位信號等。
(2)對多路開關進行輪巡時，自動產(chǎn)生所要讀取SRAM的選通信號以及它的地址信號，并根據(jù)時序要求實現(xiàn)輪巡。
(3)接收系統(tǒng)工作時鐘，并且根據(jù)要求實現(xiàn)對系統(tǒng)時鐘的分頻。
另外值的一提的是，系統(tǒng)在工作時分為單片機向SRAM寫數(shù)據(jù)并驗證和CPLD讀取SRAM中的數(shù)據(jù)兩個步驟，而從單片機和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，使得在前一個步驟時，CPLD與SRAM間是高阻態(tài)，而當?shù)诙€步驟時，單片機與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現(xiàn)。
系統(tǒng)中最重要的時序是CPLD的工作時序，CPLD能否正常工作是整個系統(tǒng)的關鍵，要保證CPLD的工作時序清晰，不會產(chǎn)生混亂。CPLD選用EPM7128，使用Verilog HDL語言在MAX+PLUSⅡ環(huán)境下進行開發(fā)， CPLD的頂層程序設計模塊見圖4?？驁D左側(cè)均為CPLD的輸入管腳，包括時鐘、控制讀、寫選通等信號，框圖右側(cè)均為CPLD的輸出管腳，包括對SRAM的讀信號和地址信號，其中SRAM1O、SRAM2O、SRAM3O、SRAMO、SRAM_RD等信號可以在單片機寫SRAM時實現(xiàn)CPLD與SRAM的隔離。
正常工作時，系統(tǒng)的時序圖如圖5所示。
3 測試系統(tǒng)的軟件設計
測試系統(tǒng)軟件使用VC++開發(fā)，運行于Windows環(huán)境下，人機界面友好，包括系統(tǒng)測試軟件和和系統(tǒng)校準軟件。其中系統(tǒng)測試軟件是在對被測系統(tǒng)進行測試時，具體實現(xiàn)對電壓、電流、相位、功率、功率因數(shù)等參數(shù)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)進行數(shù)據(jù)測試、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲的執(zhí)行軟件，系統(tǒng)校準軟件是對系統(tǒng)的精度進行計量的軟件。
該軟件包采用中文下拉菜單方式提示操作、顯示、打印，自動記錄和存儲所有測試數(shù)據(jù)，以便于事后調(diào)出查詢，觀察分析，重新顯示輸出。測試數(shù)據(jù)套用相關標準限制曲線圖形，標準規(guī)定的極限曲線與試驗數(shù)據(jù)填充曲線的對比圖形可同時顯示打印，以便于判斷測試結(jié)果是否滿足設計要求。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)已經(jīng)投入實際應用，經(jīng)過實踐證明這一系統(tǒng)完全滿足多通道同時采樣并且速度快、精度高的要求，穩(wěn)定可靠，取得了很好的效果，說明了文章中所作的分析和討論是合理和實用的。本系統(tǒng)可應用于高速、多通道且通道路數(shù)可變的工程應用領域。
