基于ISA总线的高速同步数据采集系统设计

机与上位PC机间串口通讯的数据传输速率往往不能满足实时要求；DMA通道最的大数据传输率也不超过5MB/s［1］，这显然无法满足本系统中高达20MB/s的采样速度。为了解决高速数据采集与低速数据传输的矛盾，在单片机系统中，数据存储器选用双端口RAM

　　IDT7134（图1中RAM1）。在上位PC主机与单片机之间建立了一个4K字节大小的缓冲区，单片机只须将经过预处理的采样值通过一个端口存放缓冲区，上位PC主机通过另一端口从缓冲区取数据。这样就解决了高速采样与低速数据传输的矛盾，可满足实时采集和控制的要求。

　　1.4 总线控制

　　单片机系统总线上挂有若干RAM或I/O口，寻址和数据传输均由CPU发出指令通过系统总线实现的。对于高速数据采集，为了提高寻址和数据传输速度，避免总线冲突或堵塞，必须建立局部总线。系统总线与局部总线应该既区别、又统一，既隔离、又结合，彼此通过合理的控制逻辑联系起来。

　　总线仲裁的基本原则实际就是在不同的总线请求时，采用不同长度的读写周期，以使各个使用者对总线的占用时间互相交错，而使用者并不感觉到仲裁的存在。在内存映射的传输方式中，A/D不断地将转换的数据写入高速缓存RAM，CPU根据数据处理的需要从高速缓存RAM读取数据至双口RAM1，双口RAM1还需要将所有单元刷新一遍。这三种操作都要占用卡上的数据、地址总线。但它们发生的时间是随机的，因此对总线的占用必然会产生冲突，总线仲裁电路的功能就是对这三种操作进行协调。这里，通过五片74LS241二选一开关协调地址计数器与CPU1对高速缓存RAM读地址的冲突，二片74LS241协调高速缓存RAM与AD9048和双口RAM之间的数据传输的冲突。

　　1.5 PC总线接口技术

　　PC系统总线对4KB的双口RAM寻址是一个难点。本数据采集卡采用PC总线，又称8位ISA总线。它使用灵活，便于同8位单片机构成接口电路。有62条引线，分五类：地址线、数据线、控制线、辅助与电源线。本数据采集卡只用了其中一部分引线：8条数据线、10条地址线、IOR和IOW控制线、电源线。译码电路详细框图如图2。

　　本数据采集卡使用308H、309H、30AH三个口地址实现在板缓存4KB的寻址。这里的译码电路使用了GAL20V8和两片74HC574。当PC机要访问某一地址时，首先写入双口RAM的低8位地址。此时GAL20V8的输出信号选中74HC574（右），将PC-DB上的数据锁存，形成双口RAM的低8位地址Addrl；然后写入双口RAM的高8位地址。GAL20V8的输出信号选中74HC574（左），将PC-DB上的数据锁存，形成双口RAM的高8位地址Addrh。最后通过选中双口RAM的片选端cs，完成一次数据的读/写过程。

　　1.6 采样频率控制电路

　　采样频率挖掘电路是由晶振、可编程分频器8254及一些控制电路组成。8254是可编程分频器，工作频率在8MHz～20MHz。通过不同的分频数，可以输出不同频率，分频数在值为2～65535。它的输出由触发控制电路控制。其输出时钟分别送往地址计数器、高速缓存RAM的写信号控制电路及AD9048的转换脉冲输入端。

　　2 系统软件设计

　　系统软件的主要功能是为用户提供一个良好的操作环境，及时响应用户的命令。用户操作界面采用Vi-sual

　　basic语言编写。通过采用一系列命令。用户操作界面采用Visual

　　basic语言编写。通过采用一个系列命令按键，将电力系统采集到的实际信号的波形、故障发生的时刻等映射到计算机屏幕上，用户可以对采集到的信息有一个直观的认识。用软件虚拟硬件操作界面，可以充分利用计算机的强大运算功能、灵活多变的软件优势和VGA强大的显示功能。为便于系统的扩充和软件复用，整个软件分为几个相对独立的功能模块，模块内代码封装，相互之间设立统一的接口规范。

　　由于本系统中不仅有高层次、面向磁般文件的操作，也有许多直接控制硬件的操作，采用了TURBO

　　C和汇编语言混合编程技术，各模块根据操作对象采用适当的语言。这样可以同时利用高级语言编程方便、结构性好、汇编语言快速、灵活、针对性强的特点。

　　系统软件框图如图3所示。

　　硬件驱动程序用于完成对硬件的操作，全部采用汇编语言编写。使用系统前，先运行本程序，程序修改PC机系统中断，运行后常驻内存，和主程序的接口通过标准软中断形式。

　　高速图形单元是对PC机VGA寄存器和显示存储器的直接操作，通过调用相关函数和VGA图形库，以较快速度将采样信号显示出来。

　　数据分析单元主要是对采样信号进行后处理，可以完成小波变换、信号奇异性检测、谱分析和相关分析等数据处理功能，并通过波形输出单元同时将时域信号和分析结构用曲线显示来出。

整个系统