基于vxi总线的16通道高速数据采集模块

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1、全国第五届v x i 技术专题报告会议文集 基于V X I 总线的1 6 通道高速数据采集模块 张传武李玉柏 电子科技大学 1 4 0 教研室 摘要:本文讨论了荃于 v x I 总线的1 6通道数据采集模块的硬件和软件设计.通过使用 四个 A D C并行处理来实现一个商速 A D (的功能，来为 v x 1 总线测试系统提供离速离翎 度的数据采集。 关键字:v x 多通道数据 一、引言 基于l X I总线的 1 6 通道高速数据采集模块是九五预研项目“ v x l 数据采集与处理 系统”的一个子课脱。对于一个数据采集模块而言其比较重要的指标有:采样的速率， 采样位数和同时能采样的信号通道数等。

2、 本数据采集模块要求的主要要求设计指标为: ( 1 )信号通道多达 1 6 个 可有1 , 2 , 4 , 8或 1 6个通道同时工作). ( 2 )采样位数为:1 6 B I T . ( 3 )支持v x I 的本地总线技术. ( 4 )数据的缓存容量为6 4 K X 1 8 13 i t ( 5 )有三种信号输入增益控制:X1 , x1 0 , X1 0 0 . ( 6 ) 支持多达 1 2种的采样速率: 5 0 0 K S A P S , 2 0 0 K S A P S . 1 0 0 K S A P S , S O K S A P S 2 0 K S A P S , I O K S A

3、 P S , 5 K S A P S , MA P S , I K S A P S . 5 0 0 S A P S , 2 0 0 S A P S和 I O O S A P S . 二、系统设计 图 1为 1 6通道数据采集模块的功能方框图，它主要包括以下功能模块:多通道翰 入、通道选择、程控放大、A D采样、F I F O存储器以及时钟和接口电路。其中对采样时 钟速率、通道组合以及程控放大的选择控制由配置寄存器中偏移地址为 0 X 2 0的器件相 关寄存器来控制，我们把 0 X 2 0 寄存器称为用户控制寄存器。 7 8 - 全国第五届V X I 技术专题报告会议文集 二 ,. AD-1 r

4、ititC74ib i_+ JJ#3F 1 fitt$4h 输入通道 tAD 4 U2 AD 3 A1 1 程 控 放 大 器 vxi 总 线 接 口 先 进 卜先 ，出 存 储 器 t b 通 道 模 拟 卜开 关 一 输入通道2 3 - I S 通i 益 输入通道 1 6 时 钟 发 生 器 控制模块 图1 :系统框图 下面分别对各功能模块进行简述: ( 一) 、V X l b u s 接口 器件与V Xl b u s 的接口是系统的一个重要部分。它包括寄存器基器件所必须有的配 篮寄存器 ( C o n f ig u r e R o g ) ，用于控制访问模块的器件相关配置寄存 器 ( 偏

5、移地址为 0X 2 0 )和存储器监控单元 ( AI 6 / A 2 4 k ) ，总线应答单几 ( D T A C K# 和 B E R R # )以及本 地总线单元 ( L a c a IB u s ) 。所有的接口部分由XI L I N X公司的一片X C 9 5 2 1 6 来完成。 对于接口的许多部分已有较为成熟的电路，下面只讲述一下0 X2 0 的寄存器相关寄存器 0 X 2 0的寄存器相关寄存器各位表示如下 (抢 D ! 5D 1 4 D l 3 D 1 2D 1 1D I OD9D8 N UM3NU M 2NU M INU M0S L T3S L T2S L T1S L TO

6、D7D6D S D4 D3D2D1D O C L K3C L K2C L K IC L K (P G AA IP GA A OL B 一 E NRS V 对用户控制寄存器写入数据可使数据采集模块完成 I 表所示的操作。其中，每位 的意义如下所述: ( 1 ) , N UM3 / 2 / l / O为通道数的控制位，而S L T 3 /2 / l /O则是具休通道组的控制，由 它 们 决 定 了所 选 择 的 通 道 . ( 2 ) , CL K 3 / 2 / l/ O是采样速率的IS 制位。 一 79 全国第五届V X 1 技术专题报告会议文集 ( 3) _ P G A AI / 0 则是可

7、程控增益放大控制 ( 4 ) . L B - E N 为 本 地总 线 的允 许 信 号 ( 5 ) ,R S V为保留位，S入信息无效 二) 、 时钟产生电 路 时钟产生电路用于产生本模块的系统时钟由于支持多达 1 2种的采样速率，所以 首先需要产生 1 2个采样时钟，再由用户控制寄存器中的D 7 - D 4位来控制产生系统采样 璧 时钟。系统时钟用于三个方面:与通道选择控制位一起用于多路开关的通道选择、模 数变换器的采样时钟以及作为本地总线的时钟信号。 对于 1 2个系统时钟的选择需要4位控制位.其控制编码如下 C L K 3- 00 0 0 00 0 0 10 0 1 00 01 1 0

8、1 0 00 1 0 101 1 001 1 1 一 速 率1 0 02 0 05 00lA ) 2 K 5 K1 0 K2 0 K C L K 3 - 0 1 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1 速率 5 0 K1 o o K2 0 0 K5 0 0 K5 0 0 K5 0 0 K5 0 0 K5 0 0 K ( 三) 、 多通道输入和 程控放大 多通道输入模块由 一 级跟随电路完成，信号通过跟随电路以便对外部信号起到R 离和缓冲的作用:外部信号经输入模块后进入下一级多通道选通模块以便根据要求对 信号进行选通处理，我们

9、选用了M A X I M公司的 1 6选 1的模拟开关 W 3 0 6来完成对任 意 1 / 2 / 4 / 8 / 1 6通道的选通，其通道选择的控制由用户控制寄存器的 D 1 5 - D S来控制; 通道选择的下一级便是由 B U R R -B R O W N公司的 P G A 1 0 3组成的程控放大。其放大倍数可 为1 / 1 0 / 1 0 0 倍.其控制位为用户控制寄存器的D 4 - D 3位。 1 ,通道选择控制 对 1 / 2 / 4 / 8 / 1 6通道的选通我们通过控制 H A X 3 0 6的选通地址 A 3 - A O来完成。我们 用 8位控制码来作为通道的选择控制，

10、其中用于通道数选择的 t fN 33至 N U N O四位控制 位和用于选择具体 那些通道的四位控 制位:S L T 3 至S L T O S L T 3 . S L T 2 , S L T I , S L T O为具体通道的选择，它与通道数控制位 N U M3 , N UM2 , NU MI , N U MO一起决定选择哪些通道，已的编码如下: h -. 1 - S O - 启 全国第五届VX ! 技术专题报告会议文集 NU M3 / 2 / 1 / 0S L T 3 / 2 / 1 / O 0 0 的 由S L T 3 / 2 ! 1 / 0 来确定1 6 通道中的任意一个通道 0 00

11、1 由S L T 3 /2 门a c 确定8个2 通道组中的任意一个2通道组 0 0 1 1 由S L T 3 / 2来确定4个4 通道组中的任意一个 4 通道组 0 1 1 1 由S L T 3 来确定2个8 通道组中的任意一个8 通道组 1 1 1 11 6 通 道 规定:当S L T 3 . S L T 2 . S L T I . S L T O 中未用到的控制位必须清为。 。 2 .叮程控放大器的增益控制 对于可编程控放大器的控制如下表所示 P G A AI - P G A AO 0 001 . 10 I I 放大倍数11 01 0 0 R S V ( 四) 、模数转换模块和数据缓存模

12、块 对于本模块由于高速高精度的模数变换器 ( A D C )的价格昂贵，所以考虑使用多个 低速高精度模数变换器 ( A O C 并行处理来实现相同的功能，考虑到实现的难易，我们 用四个 A n a l o g D e v i c e公司的 1 6 B i t . 1 6 6 K s a p s的 A D 7 8 8 4来实现最高采样速率为 5 0 0 K s a p s的数据采集. 对于这四个 A D C的并行实现主要是产生四个采样时钟。用四位移位寄存器 ( 初始 值为0 0 0 1 )在系统时钟S Y S C L K的作用下循环移位，从四个寄存器输出的时钟信号便是 系统时钟的四分频，它们经单

13、稳态时钟整形电路，便可作为四个A D C的采样时钟. 由于信号采样的速率较高，我们采用 F I F O作为缓冲存储器来匹配数据采集模块和 V X 工 总线的速度。本模块的F I F O选用了4片C Y P R E S S公司的C Y 7 C 4 2 6 5 通过深度级连而 成 ( 五) 、数据采集模块的软件设计 数据采集模块的软件设计包括器件的驱动程序的设计和数据处理程序的设计。器 件的驱动程序是 签件在系统中工作所必须的控制程序，同 时也是在调试阶段所必须的 工具，它包括器件的初始化和对器件的读/ 写数据操作。而数据处理程序则负贵对数据 进 行 诸 如涟 波 予 处 理 ， 相 关 和 功

14、率 谱估 计 等 运 算 。 - 8 1 全国第五届 v x l 技术专题报告会议文集 对于器件驱动程序的设计应滴足 V X I P l u g&P l a y ( V P P )规范.在这些标准中作 为所有 V P P 软件单元基础的 I / 0软件标准 V I S A ( V i r t u a l I n s t r u m e n t S o f t w a r e A r c h i t e c t u r e ) 是其基础核心.目前基于 V I S A的产品的出现还有一定的时间，所以V P P 联盟推出了 简化的 V T L (V I S A T r a n s i t i o n

15、 L i b r a r y ) ( V P P A . 2规范) 过度库 VTL是建立在 现有 1 / 0软件基础上的 V I S A调用的核心子集，本答件驱动程序便是用 A N S I C编程调 用 V T L 库函数来实现对数据采集棋块的访间。 器件的驱动程序的流程图如图3 所示 iJI!1k 设置控制参数:通道数，采样速率，本地总线允 许，程控放大倍率和采样点的数目。 数据显示 或 存 储 ? 存 储屏幕显示 结束 图3 :数据采集模块的期间驱动程序 三、结论 基于 V X I总线的 1 6通道高速数据采类模块的设计、制作和调试完成于 1 9 9 8年 6 月.其结果在逻辑上全部达到预期的目标，但其精度问题还有待于解决.对精度影响 比较明显的几个原因有:电路板的电源、数字电路对模拟电路造成干扰，移位寄存器 输出的时钟在时间精度土的小均匀导致的误差也是一个较重要的原因. - 9 2 -