摘? 要: 研究了影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的兩個主要因素——微機總線與A/D" title="A/D">A/D轉換器。在闡述了PCI總線的結構、特點及A/D轉換技術的基礎上，進一步介紹了專用PCI接口芯片S5933和分辨率為16位的A/D轉換芯片AD7723，并給出一個應用實例。
關鍵詞: 高速數(shù)據(jù)采集? PCI總線? S5933芯片? A/D轉換? 虛擬儀器
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現(xiàn)代電子技術給傳統(tǒng)儀器的發(fā)展提供了強大的推動力。從模擬儀器到數(shù)字化儀器，再由智能儀器發(fā)展到今天的虛擬儀器，已經(jīng)完全擺脫了傳統(tǒng)儀器獨立使用、功能單一、精度低、用戶無法改變的模式。虛擬儀器是由軟硬件結合實現(xiàn)的。自從“軟件就是儀器”這一口號提出后，虛擬儀器開發(fā)廠商與研究人員盡量減少硬件在儀器中的使用，而采用軟件替代這些硬件，例如，數(shù)據(jù)處理與顯示部分完全可以用軟件來實現(xiàn)。這樣不僅降低了儀器成本，而且解決了硬件難于維護的問題。
虛擬儀器主要包括數(shù)據(jù)采集與處理及最終結果顯示三個部分。數(shù)據(jù)采集作為其中的重要組成部分，須用軟硬結合實現(xiàn)。其性能的提高不僅依賴于微機總線的性能，更取決于A/D轉換器的性能。
在瞬態(tài)信號測量、圖像處理等一些高速、高精度的測量中，需要進行高速數(shù)據(jù)采集。一些廠商推出了通用的高速或超高速數(shù)據(jù)采集卡，只需在其前端接上傳感器，后端加上后繼數(shù)字信號處理部分便可使用。這些數(shù)據(jù)采集卡雖然使用方便，但價格也比較昂貴。隨著新的微機總線技術的出現(xiàn)和發(fā)展，為自行研發(fā)高速度、高性能的數(shù)據(jù)采集卡提供了便利的條件。提高高速數(shù)據(jù)采集卡的性能，關鍵在于：一微機總線的選擇;二A/D轉換芯片。
1 關于PCI總線
傳統(tǒng)的微機總線(如ISA、EISA和MCA等)由于帶寬的限制，已成為制約微機性能的瓶頸，不能滿足高速數(shù)據(jù)采集與處理的要求。ISA只有8位和16位兩檔，最高傳輸速率只有8MB/s;EISA兼容ISA，雖然能支持32位數(shù)據(jù)、32位地址，速率可達32MHz，但其成本比較高，應用于服務器較多。IBM公司的微通道(MCA)可以認為是標準總線，由于其專利的封閉性而難以廣泛流行。
局部總線PCI(Peripheral Component Interconnect)即外圍設備互連總線的出現(xiàn)解決了這一問題(此外，還有另一種流行比較廣泛的局部總線VESA，其特點更適用于視頻顯示信號，而PCI總線信號適用性更強)。PCI總線是32位并可升級到64位的獨立于CPU的總線結構，總線速度高達33/66MHz，同步控制、猝發(fā)(burst)傳送使得數(shù)據(jù)傳送" title="數(shù)據(jù)傳送">數(shù)據(jù)傳送速率高達132MB/s(32位總線)、264MB/s(64位總線)。線性猝發(fā)、成組數(shù)據(jù)傳輸是PCI總線的基本傳輸機制。一次猝發(fā)傳輸通常由一個地址周期和一個或多個數(shù)據(jù)周期組成。它解決了總線的速度問題，為PCI外設提供了一個高帶寬的數(shù)據(jù)通道，將外設從I/O總線上移下來，不需處理器的介入便可進行數(shù)據(jù)傳輸。PCI總線可進行隱式仲裁。當前主設備正在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送時，PCI機理允許總線仲裁發(fā)生。如果仲裁器決定將下一次總線所有權授予某個主設備，而不是當前交易的主設備，它從當前主設備取回GNT(仲裁信號，允許主設備使用總線，低電平有效)并將之發(fā)給總線的下一個所有者，但是，直到當前主設備讓總線空閑，下一個所有者才取得總線所有權。這樣，在執(zhí)行仲裁總線周期的時間里沒有浪費總線時間，提高了總線的效率。
PCI有三個相互獨立的物理空間:存儲器地址空間、I/O地址空間和配置地址空間。配置地址空間是PCI所特有的一個物理空間，所有的PCI設備必須提供配置地址空間。在橋和配置地址空間的支持下，PCI提供了功能強大而又方便靈活的配置能力。
由于PCI總線協(xié)議非常復雜，通常采用兩種接口方案來執(zhí)行PCI協(xié)議——專用芯片(AMCC公司的S593x，PLX公司的PCI9052、PCI9054、PCI9050等，放置于系統(tǒng)或插卡與PCI總線之間，提供數(shù)據(jù)和控制信號的接口電路)和PLD(ALTERA公司的FLEX8000(CPLD)，Xilinx的XC3100A(FPGA)等，不受插卡功能限制)。專用PCI接口芯片使用簡單方便，設計者不需在處理系統(tǒng)與PCI總線接口的問題上花很多時間。
2?A/D轉換技術
在信號的采集與處理中，必須將模擬信號轉換為數(shù)字信號，這就用到了模/數(shù)(A/D)轉換技術?，F(xiàn)在A/D芯片的最高采樣速率" title="采樣速率">采樣速率可達1GSPS(次/每秒)，屬于超高速A/D轉換芯片。常用的超高速A/D芯片有AD9038，采樣速率300MSPS，分辨率8位;MAX100芯片，采樣速率250MSPS，分辨率8位。轉換速率低于60MSPS的常用高速A/D轉換芯片有AD9058，采樣速率50MSPS，分辨率8位。
A/D芯片采樣速率提高的同時，轉換精度也大大提高了。并且近年來興起的∑-△A/D轉換技術能以較低的成本獲取高分辨率，使分辨率高達16、24位?！?△A/D轉換器以很低的采樣分辨率和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，利用過采樣技術、噪聲整形和數(shù)字濾波技術增加有效分辨率。其內部含有自采樣和跟蹤電路，不需外加采樣保持或跟蹤保持電路，從而提高了采樣速率，降低了孔徑誤差。ADI公司的AD7705/6、AD7723/2/1/0等為典型的16位∑-△A/D轉換器;24位A/D芯片有AD7714/5/6等。
3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)
3.1 總線接口
筆者設計的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AMCC公司的S5933專用芯片來實現(xiàn)PCI協(xié)議。S5933功能強大，既可以作為PCI總線從設備接口，也可以作為系統(tǒng)主設備接口，最大傳輸速率可達132M/s(32位數(shù)據(jù)總線)。
S5933提供了三種物理總線接口:PCI總線接口、外加總線接口和可選的NV存儲器接口。數(shù)據(jù)傳送可以在PCI總線與外加總線之間進行，也可以在PCI總線與NV存儲器之間進行。PCI總線與外加總線的數(shù)據(jù)傳送有三種通道:信箱寄存器(MailBox)、FIFO(First In First Out)和直通(PASS-THRU)通道。本高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用FIFO通道方式。S5933片內提供兩個獨立的FIFO數(shù)據(jù)通道，一個是用于PCI到外加總線的數(shù)據(jù)傳送；另一個是用于外加總線到PCI總線的數(shù)據(jù)傳送。這兩個FIFO的深度都只有8×32bit，即每傳遞8個雙字就要產(chǎn)生一次中斷。但是S5933為FIFO提供的控制信號允許將內部FIFO與外加FIFO串聯(lián)，增加FIFO的深度。選擇一片(因為數(shù)據(jù)采集中只需在一個方向上進行數(shù)據(jù)傳送)單向的外加FIFO IDT723651(2K×bit)來加深FIFO。采用ALTERA公司的FLEX8636來完成內部FIFO與外加FIFO的串聯(lián)。FIFO具有較強的中斷能力，可以向PCI總線或外加總線請求中斷。
3.2 A/D芯片的選擇
A/D芯片的性能對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響是不容忽視的，選擇何種A/D芯片是設計高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵之一。本系統(tǒng)采用ADI公司的AD7723芯片來進行模數(shù)轉換，其結構如圖1所示。
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AD7723為∑-△A/D芯片，分辨率為16位，單極性或雙極性輸入，輸入帶寬可達460kHz，轉換速度1.2MSPS，數(shù)據(jù)傳送有串行和并行兩種方式，這里采用并行數(shù)據(jù)傳送方式。AD7723內部有低通和帶通數(shù)字濾波器。芯片的供電電壓為+5V。
芯片內部提供了一個2.5V的參考電壓，也可以選用外加參考電壓。芯片封裝形式為44腳PQFP封裝，部分引腳說明見表1。
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3.3 系統(tǒng)電路說明
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路結構如圖2所示。模擬信號經(jīng)過用戶調理電路處理后送到A/D轉換器。A/D轉換后輸出16位的數(shù)字信號。為了充分利用PCI總線的傳輸帶寬，將兩次A/D轉換的數(shù)據(jù)分別送入數(shù)據(jù)鎖存器，組合成一個32位數(shù)，送入32位的FIFO。數(shù)據(jù)經(jīng)接口芯片傳至PCI總線，送入內存。
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軟件設計時，將FIFO設置成由PCI初始化同步主控方式。定義中斷條件:允許讀計數(shù)器(MRTC)到零時產(chǎn)生中斷。本系統(tǒng)中沒有其它的中斷，所以中斷服務程序中不需做中斷查詢，可以直接處理采集到的數(shù)據(jù)。如果有必要，可以啟動另外一次數(shù)據(jù)采集。
本文從影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的主要因素——微機總線和A/D轉換器兩個方面著手，對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了研究，并提出實現(xiàn)方案。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用PCI總線結構，以及16位分辨率的AD7723芯片進行A/D轉換，改善了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，既提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，又提高了數(shù)據(jù)測量精度，滿足用戶高速、高精度的測量要求。
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參考文獻
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