摘? 要: 提出了一種分段式雙通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其中高速A/D、高速存儲(chǔ)、智能控制以及接口譯碼等模塊進(jìn)行了介紹。該設(shè)計(jì)方案解決了高速實(shí)時(shí)信號(hào)與接口總線之間的速度兼容問題，單雙蹤采樣頻率可調(diào)，具有較好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。?

　　關(guān)鍵詞: 數(shù)據(jù)采集 雙通道 靜態(tài)RAM 頻率可調(diào) 總線接口?

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　　本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種分段式雙通道高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，與PC機(jī)信號(hào)處理軟件系統(tǒng)結(jié)合，可很好地實(shí)現(xiàn)各種高速信號(hào)的采樣與分析。該系統(tǒng)通過高速靜態(tài)RAM，分段存儲(chǔ)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)，從而解決了高速實(shí)時(shí)信號(hào)與接口總線之間的速度兼容問題;系統(tǒng)內(nèi)含兩路并行采樣通道，因其器件參數(shù)、控制時(shí)序完全一致，可實(shí)現(xiàn)雙通道同步采集數(shù)據(jù)，滿足兩路高速信號(hào)之間的特性差異對(duì)比需求;采樣頻率范圍為500Hz～30MHz，適用于大部分形式的信號(hào)，具有較好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。系統(tǒng)主要由高速A/D、高速存儲(chǔ)、智能控制和總線接口四個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。?

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1 高速A/D轉(zhuǎn)換器?

　　本系統(tǒng)中，高速A/D轉(zhuǎn)換器選用SONY公司的CXD1175A，60mW低功耗CMOS器件。采樣位數(shù)8位;最高采樣速率35MHz;外部時(shí)鐘;單端信號(hào)輸入;+5V電源供電;片內(nèi)帶有采樣/保持器;8位并行數(shù)據(jù)輸出;24引腳SOP封裝。周邊電路原理如圖2所示。

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　　參考電壓的穩(wěn)定程度對(duì)A/D轉(zhuǎn)換而言是非常重要的，它決定著轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。CXD1175A有高、低參考電壓輸入端，參考電壓由兩電壓差值決定。本設(shè)計(jì)令低端接模擬地，從而與輸入信號(hào)(單端)保持一致;而高端電壓采用MAXIM公司的MAX1615，輸出高穩(wěn)定度3.3V箝位電壓。?

　　高頻信號(hào)的幅值一般比較小，為取得良好的信號(hào)分析性能，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。MAX4119是四電流反饋型運(yùn)算放大器，可在保證性能一致的前提下，為兩通道提供兩級(jí)放大功能。?

2 高速存儲(chǔ)?

　　高速存儲(chǔ)是本設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于PC機(jī)總線速度和多時(shí)鐘工作原理的限制，通過接口總線直接采集數(shù)據(jù)的速率是非常受限制的。通過采集系統(tǒng)中使用的高速靜態(tài)RAM，分段存儲(chǔ)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)，可解決高速實(shí)時(shí)信號(hào)與接口總線之間的速度矛盾。根據(jù)需求本系統(tǒng)采用CYPRESS公司的CY7C128A-15。?

　　CY7C128A-15是高速、低功耗2KB×8靜態(tài)RAM，讀寫周期為15ns，具有8根數(shù)據(jù)輸入/輸出線、片選以及讀寫控制線。數(shù)據(jù)線同時(shí)與A/D輸出口和主機(jī)接口相連，通過改變讀寫控制位的狀態(tài)，達(dá)到數(shù)據(jù)分段處理的目地。工作原理如圖3所示。?

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　　本系統(tǒng)中，各通道數(shù)據(jù)采集長(zhǎng)度為2K，當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)達(dá)到預(yù)期的數(shù)量時(shí)，利用地址信號(hào)A11改變RAM的寫有效位狀態(tài)，同時(shí)向主機(jī)申請(qǐng)中斷，主機(jī)發(fā)出信號(hào)改變需要讀入通道RAM的讀有效位，即完成RAM內(nèi)數(shù)據(jù)的讀入。在總線工作周期，RAM的地址由主機(jī)產(chǎn)生;在A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入RAM過程中，RAM的地址由控制邏輯提供。?

3 定時(shí)與控制邏輯?

　　在本設(shè)計(jì)中，定時(shí)與控制邏輯無差別地同時(shí)作用于兩通道，其完成的工作包括:?

　　(1)提供電路工作時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)采樣頻率可調(diào)。根據(jù)系統(tǒng)要求，總線發(fā)送相應(yīng)分頻字，通過可預(yù)置計(jì)數(shù)器，從既定頻率源得到所需工作時(shí)鐘。MC74F269是可預(yù)置8位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)頻率高達(dá)115MHz，采用兩片同步工作的方式，可對(duì)60MHz晶振輸出進(jìn)行2⁸×2⁸范圍內(nèi)分頻，實(shí)現(xiàn)所需工作時(shí)鐘。工作原理如圖4所示。?

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　　在通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集的過程是通過對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的控制來實(shí)現(xiàn)的。但對(duì)于一個(gè)高速采集系統(tǒng)而言，這種方法有局限性。因?yàn)楦咚貯/D建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)需要相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，頻繁改變A/D的工作狀態(tài)會(huì)影響采樣的速度和精度，使系統(tǒng)滿足不了高速采集的要求，并造成信號(hào)的失真。?

　　在本設(shè)計(jì)方案中，分頻時(shí)鐘輸出并不直接作用于高速A/D。自通電起，A/D及其時(shí)鐘電路始終處于工作狀態(tài)，同步命令通過對(duì)靜態(tài)RAM與A/D之間的緩沖器的片選進(jìn)行控制，即允許或禁止對(duì)RAM寫入，實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的取舍。?

　　(2)提供靜態(tài)RAM的地址信號(hào)、寫有效信號(hào)以及發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。在A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入RAM過程中，RAM的地址由控制邏輯提供;同時(shí)控制邏輯發(fā)出RAM寫有效信號(hào)，令數(shù)據(jù)順序?qū)懭胂鄳?yīng)地址;當(dāng)RAM寫滿時(shí)，令RAM寫無效，并向主機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)。本設(shè)計(jì)采用三片MC74AC161作為地址計(jì)數(shù)器，它是4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，利用高位片的A11位輸出，控制RAM寫入動(dòng)作及向主機(jī)申請(qǐng)中斷。?

4 接口譯碼?

　　本系統(tǒng)與主機(jī)的數(shù)據(jù)通訊采用ISA總線接口方式，僅占用一個(gè)I/O地址，采樣數(shù)據(jù)通過內(nèi)存直接映像方式讀入，雙通道共占用4K直接映像地址。設(shè)計(jì)中采用GAL器件用于接口譯碼，利用其可編程特性，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。譯碼電路原理如圖5所示。?

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　　接口譯碼部分主要完成以下工作:?

　　(1)把分頻精度字寫入MC74F269預(yù)置端。由主機(jī)發(fā)出指定I/O地址寫命令，譯碼輸出經(jīng)OC門驅(qū)動(dòng)16位I/O操作，同時(shí)使MC74F269預(yù)置使能位有效，從而把16位分頻精度字寫入，得到所需工作時(shí)鐘。?

　　(2)提供地址計(jì)數(shù)器清零信號(hào)。由I/O讀命令的譯碼輸出令地址計(jì)數(shù)器MC74AC161的清零端有效，事實(shí)上，此操作就是新一輪數(shù)據(jù)采集的開始命令，地址清零后，A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)將以約定頻率順序?qū)懭氪鎯?chǔ)器。?

　　(3)完成RAM內(nèi)數(shù)據(jù)讀入主機(jī)操作。根據(jù)內(nèi)存直接映像技術(shù)，兩通道靜態(tài)RAM分別對(duì)應(yīng)于2K存儲(chǔ)器地址。當(dāng)主機(jī)響應(yīng)中斷，發(fā)出存儲(chǔ)器讀MEMR命令時(shí)，根據(jù)指定地址譯碼，令相應(yīng)通道的RAM讀有效，并選通數(shù)據(jù)緩沖器，將指定地址的RAM內(nèi)數(shù)據(jù)送到主機(jī)數(shù)據(jù)總線，完成讀入。?

　　至此，一次完整的采樣過程從主機(jī)發(fā)出I/O寫命令送分頻字開始，I/O讀命令觸發(fā)地址計(jì)數(shù)器清零，順序送出RAM寫入地址。當(dāng)RAM寫滿時(shí)，地址位A11輸出禁止RAM寫，并申請(qǐng)中斷。主機(jī)響應(yīng)中斷，發(fā)出MEMR命令，從RAM中讀取2K(或4K)數(shù)據(jù)。?

　　本文設(shè)計(jì)的雙通道同步高速數(shù)據(jù)采集卡已成功實(shí)現(xiàn)。配合信號(hào)處理軟件系統(tǒng)，在信號(hào)的分析上取得了很好的效果，實(shí)踐證明本文的設(shè)計(jì)是可行有效的。采用更高性能的A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)數(shù)等元器件，可在此基礎(chǔ)上升級(jí)為超高速同步采樣的多通道采集系統(tǒng)，適用于要求更高的場(chǎng)合。?

參考文獻(xiàn)?

1 李廣軍，王厚軍.實(shí)用接口技術(shù).成都:電子科技大學(xué)出版社，1998?