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(jī)總線與A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器。在闡述了PCI總線的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹了專用PCI接口芯片S5933和分辨率為16位的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7723，并給出一個應(yīng)用實(shí)例。

　　關(guān)鍵詞: 高速數(shù)據(jù)采集? PCI總線? S5933芯片? A/D轉(zhuǎn)換? 虛擬儀器

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　　現(xiàn)代電子技術(shù)給傳統(tǒng)儀器的發(fā)展提供了強(qiáng)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(dú)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(jié)合實(shí)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(shí)現(xiàn)。這樣不僅降低了儀器成本，而且解決了硬件難于維護(hù)的問題。

　　虛擬儀器主要包括數(shù)據(jù)采集與處理及最終結(jié)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(jié)合實(shí)現(xiàn)。其性能的提高不僅依賴于微機(jī)總線的性能，更取決于A/D轉(zhuǎn)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(jìn)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(jī)總線技術(shù)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(guān)鍵在于：一微機(jī)總線的選擇;二A/D轉(zhuǎn)換芯片。

1 關(guān)于PCI總線

　　傳統(tǒng)的微機(jī)總線(如ISA、EISA和MCA等)由于帶寬的限制，已成為制約微機(jī)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(dá)32MHz，但其成本比較高，應(yīng)用于服務(wù)器較多。IBM公司的微通道(MCA)可以認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(diǎn)更適用于視頻顯示信號，而PCI總線信號適用性更強(qiáng))。PCI總線是32位并可升級到64位的獨(dú)立于CPU的總線結(jié)構(gòu)，總線速度高達(dá)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(dá)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(jī)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(shè)提供了一個高帶寬的數(shù)據(jù)通道，將外設(shè)從I/O總線上移下來，不需處理器的介入便可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。PCI總線可進(jìn)行隱式仲裁。當(dāng)前主設(shè)備正在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送時，PCI機(jī)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(quán)授予某個主設(shè)備，而不是當(dāng)前交易的主設(shè)備，它從當(dāng)前主設(shè)備取回GNT(仲裁信號，允許主設(shè)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(dāng)前主設(shè)備讓總線空閑，下一個所有者才取得總線所有權(quán)。這樣，在執(zhí)行仲裁總線周期的時間里沒有浪費(fèi)總線時間，提高了總線的效率。

　　PCI有三個相互獨(dú)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(shè)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(qiáng)大而又方便靈活的配置能力。

　　由于PCI總線協(xié)議非常復(fù)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(shè)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(zhuǎn)換技術(shù)

　　在信號的采集與處理中，必須將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這就用到了模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換技術(shù)。現(xiàn)在A/D芯片的最高采樣速率" title="采樣速率">采樣速率可達(dá)1GSPS(次/每秒)，屬于超高速A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率低于60MSPS的常用高速A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換精度也大大提高了。并且近年來興起的∑-△A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)能以較低的成本獲取高分辨率，使分辨率高達(dá)16、24位?！?△A/D轉(zhuǎn)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(shù)、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)增加有效分辨率。其內(nèi)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)

3.1 總線接口

　　筆者設(shè)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(shí)現(xiàn)PCI協(xié)議。S5933功能強(qiáng)大，既可以作為PCI總線從設(shè)備接口，也可以作為系統(tǒng)主設(shè)備接口，最大傳輸速率可達(dá)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(jìn)行，也可以在PCI總線與NV存儲器之間進(jìn)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(nèi)提供兩個獨(dú)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(nèi)部FIFO與外加FIFO串聯(lián)，增加FIFO的深度。選擇一片(因?yàn)閿?shù)據(jù)采集中只需在一個方向上進(jìn)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(nèi)部FIFO與外加FIFO的串聯(lián)。FIFO具有較強(qiáng)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(shè)計高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。本系統(tǒng)采用ADI公司的AD7723芯片來進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)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(dá)460kHz，轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)如圖2所示。模擬信號經(jīng)過用戶調(diào)理電路處理后送到A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)存。

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　　軟件設(shè)計時，將FIFO設(shè)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(wù)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(jī)總線和A/D轉(zhuǎn)換器兩個方面著手，對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并提出實(shí)現(xiàn)方案。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用PCI總線結(jié)構(gòu)，以及16位分辨率的AD7723芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)

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