双通道逻辑控制高速实时数据采集系统的设计

在现代工业生产控制系统中，需要实现大量数据的实时采集和处理，以使生产过程得到及时控制。参考文献[1]介绍了基于一个模拟开关CD4052和A/D转换器AD574设计的数据采集卡，可以实现8路信号采集，该数据采集卡只适用于小系统的数据采集；参考文献[2]介绍了基于AD1674实现的双通道并行高速数据采集卡，可实现16路信号采集，采用ISA总线计算机接口。而对于更多路信号的采集处理，在实时性方面对数据采集系统提出了更高的要求，传统的ISA总线接口的低速数据采集系统已经不能适应现行的要求。

本文设计了一种全新构架的高速实时数据采集系统。该系统采用现行的高速微机PCI数据通信接口[3-4]；运用了高速高精度的A/D器件[5]、片上缓冲存储技术[6]、灵活的多通道数据转换和CPLD[7-8]技术，使系统的硬件得到简化，可同时采集32路不同的信号，对信号进行实时、快速处理。

1 系统组成及工作原理

系统硬件组成如图1所示。32路采样的模拟信号分为互相独立的两个通道输入，每个通道接收16路信号，由两个互相独立的8路模拟开关控制。这样给系统数据的获取提供了比较大的自由度，可根据实际需要实现不同的控制组合。

每个通道输入的模拟信号送入一个A/D转换器，进行独立数据处理，并将数据缓存入不同的FIFO SRAM地址空间。4组8路数据的存储和传输互相独立，这样使得数据采集速度得到提高。

系统使用了CPLD技术。在CPLD中央控制逻辑的协调下，重新组织数据包，通过PCI数据总线将数据传送到计算机，实现高速实时的数据采集和处理。

2 系统硬件设计

整个系统的硬件分为数据输入模块、A/D转换模块、数据缓冲存储模块、PCI接口模块及CPLD控制模块五大部分。

2．1 数据输入模块

数据输入模块主要功能是在CPLD控制下进行采集输入通道的实时切换，实现不同模拟信号的采集。主要是由MAX4781和MAX4783组成的组合开关[9]。MAX4781为八选一高速模拟开关，MAX4783为单刀双掷开关。开关典型工作电压为＋3V，导通电阻0.7Ω，接通时间11ns，关断时间4ns，输出漏电流0.002nA。每一通道由两片并联的MAX4781和MAX4783级联组成，可同时采集16路模拟信号。

2．2 A/D转换模块

由数据输入模块输出的模拟信号送入A/D转换模块进行模数转换，得到精确的数字信号。该设计中A/D转换器选用MAX1200[5]，如图2所示。MAX1200具有单通道全差分输入，16位精度，1Ms/s转换速率，流水线结构，带有数字误差校正和自校正功能。其转换速率由2.048MHz的外接精准时钟信号以及时钟产生电路MAX961决定，如图3所示。


MAX1200通过外接MAX4108转换电路，将单端输入信号转换成差分输入信号，使得输入信号电平扩大一倍，信号处理能力与抗干扰能力得到增强，如图4所示。

MAX1200的基准电压由4.096V基准电压模块MAX6341及MAX410构成的高精度低漂移的差分电路参考电压驱动模块供给，提供了较高的模数转换精确度和稳定性。

2．3 数据缓冲存储模块

系统设计中采用片上缓冲存储技术，用存储器存放A/D转换输出的大量数据。缓存芯片选用65536×16bit容量的FIFO SRAM IDT72V19160。该双口存储器受CPLD控制，一方面获取A/D转换输出的数字信号；另一方面，其存储数据又可以按计算机的要求被读出。该缓存芯片的存储状态可以由外部命令通过标志位改变，可以将存储空间划分成高、低不同的区域，分别存、取不同数据，这样可有效地利用硬件资源，实现数据组无干扰采集缓存。同时，系统借鉴虫孔寻径和位移寄存器的基本思路，采用支持优先级FIFO排队的优先级先进先出队列PFQ(Priority FIFO Queue)[6]，充分利用高速本地总线，可以有效解决信号传输堵塞问题，实现高速数据传输，降低了延时，提高了带宽利用率。

2.4 PCI接口模块

鉴于本数据采集系统采集的数据量大，在把获取的数据传输给计算机进行分析处理时，应用了先进的高速PCI接口技术[3-4]，以32位133MB/s的速率运行。将PCI9054 MODE0与MODE1的工作模式设置为C 模式，即数据和地址分别都为32位；采集系统的本地数据与本地地址操作采用非分时复用组态，LA0～LA31为本地地址，LD0～LD31为本地数据；系统与计算机接口的数据和地址采用分时复用模式，32位宽AD0～AD31。存储PCI9054 配置信息的EEPROM采用93CS56芯片。PCI接口的逻辑信号流如图5 所示。


2．5 CPLD控制模块

CPLD是现代电子技术领域中的一门全新技术，它提供了基于计算机和电子技术的大规模数字电路设计方法。CPLD具有强大的逻辑功能，可以提高系统集成度，简化系统设计。新一代的CPLD不仅在速度上能满足高速数字信号处理的要求，而且可编程资源也大大增加，具有在线可编程功能，使系统设计的灵活性和系统适用性得到很大的提升。因此，本数据采集系统采用了Altera公司的EPM3256ATC144-7芯片。该芯片具有256个宏单元，最多可提供158个I/O口。

本设计逻辑控制[7]主要分为四个部分：(1)对输入通道开关的使能与通道选通控制以及切换；(2)对A/D转换芯片的使能、数据转化及自校正的控制；(3)对缓冲存储芯片SRAM的读写状态及其存储标志位的控制；(4)对PCI本地对话的控制，包括本地地址的选择、数据包的组装、通信握手信号、突发传送与DMA传送控制。

CPLD的应用简化了系统的硬件逻辑控制电路设计，应用VHDL编程实现了系统的控制与数据的初步处理，缩短了系统的开发周期。CPLD端口还提供了更多的扩展功能。可见，无论是硬件结构还是软件程序，该系统都具有可升级的特点。

本高速实时数据采集系统按照工业要求设计，采用了高速的A/D转换器MAX1200和双通道并行结构，实现了高速、大容量、高精度的数据采集和处理。该设计还利用了片上大容量优先级FIFO SRAM缓存技术，解决了数据采集量与短时传输速率之间可能出现的矛盾；不同数据存储于不同存储空间，大大提高了快速数据采集能力和系统的数据吞吐量。运用了CPLD和PCI接口技术，极大地简化了硬件电路，通过设置不同的软件程序参数可以形成不同的工业解决方案。因此，在开发周期较短或对系统灵活性要求较高的工业现场，本设计是一种比较理想的数据采集系统。