一種高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)武器系統(tǒng)模擬信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)分析，根據(jù)PC／104總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，數(shù)據(jù)采集卡以A／D轉(zhuǎn)換器、CPLD和FIFO相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的連續(xù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換，CPLD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)過(guò)程的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集卡操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)高速連續(xù)的數(shù)據(jù)采集。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；復(fù)雜可編程邏輯器件；FIFO；時(shí)序控制；邏輯控制

O 引言
測(cè)試設(shè)備是武器系統(tǒng)中最主要的子系統(tǒng)之一，它的工作正常與否將直接影響到整個(gè)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能。在對(duì)武器系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，需要對(duì)一系列的電壓、電流等模擬量信號(hào)進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和分析，檢查這些模擬量的指標(biāo)是否符合要求，可以對(duì)武器系統(tǒng)是否發(fā)生故障做出診斷，保證武器系統(tǒng)的正常工作。根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)需求，提高快速機(jī)動(dòng)保障能力，研制出體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、便攜式的測(cè)試設(shè)備就成為主要的目標(biāo)。
本文設(shè)計(jì)了一種基于PC／104總線的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其目的在于替代示波器在武器系統(tǒng)測(cè)試中的作用。常規(guī)采集方案主要有兩種：
(1)由單片機(jī)直接控制的采集方案，這是最簡(jiǎn)單最常用的控制方案。由于每次采樣都要有單片機(jī)的參與，需占用單片機(jī)的時(shí)間，影響其數(shù)據(jù)處理，而且對(duì)于多通道、多個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器的控制，因所需處理的信息更多，則更加不方便。
(2)由DMA控制的采集方案。此方案硬件電路復(fù)雜，若與單片機(jī)配合使用，需要單片機(jī)具有總線掛起功能，否則還需要進(jìn)行總線切換，影響數(shù)據(jù)的及時(shí)處理。
綜合以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本數(shù)據(jù)采集卡自動(dòng)采樣硬件電路主要采用可編程邏輯器件CPLD和先進(jìn)先出FIFO(First In First Out)技術(shù)設(shè)計(jì)而成，可以很好地實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。

1 數(shù)據(jù)采集卡總體方案設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集卡是由信號(hào)調(diào)理電路、帶采樣保持器的A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多路模擬開(kāi)關(guān)、FIFO數(shù)據(jù)緩存、CPLD芯片及時(shí)鐘電路等部分組成，具有高精度、高可靠性、高抗干擾能力等特點(diǎn)。總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

2 芯片介紹
該數(shù)據(jù)采集卡采用的芯片主要有：AD9283模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、AD508A多路選擇開(kāi)關(guān)、EPM7128SCL84-6CPLD和CY7C4261 FIFO緩存器。下面對(duì)以上所用芯片做一簡(jiǎn)要介紹。
2．1 AD9283模／數(shù)轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介
本數(shù)據(jù)采集卡選用了ANALOG DEVICE公司生產(chǎn)的高速8位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9283。它采用先進(jìn)CMOS制作工藝，提供20腳表面貼裝封裝形式。片內(nèi)集成高性能采樣和保持放大器，輸入信號(hào)可采用單輸入或差分輸入；處理輸入電壓峰峰值在0～1 V之間的模擬信號(hào)；采用單+3 V模擬電源和單+3 V數(shù)字電源；片內(nèi)提供+1．2～+1．3 V的參考電壓；最高抽樣速率可達(dá)100 MSPS；具有高速并行輸出接口。
2．2 EPM7128SCL84-6 CPLD芯片簡(jiǎn)介
本數(shù)據(jù)采集卡選用一片Altera公司生產(chǎn)的EPM7128SLC84-6CPLD作為核心處理芯片，它具有高阻抗、電可擦除等特點(diǎn)，可用門(mén)單元為2 500個(gè)，有64個(gè)用戶可用I／O引腳，工作電壓為+5 V，管腳間最大延遲為5 ns，采用PLCC-84封裝，通過(guò)JTAG接口可實(shí)現(xiàn)在線編程。
2．3 CY7C4261 FIFO緩存器簡(jiǎn)介
本數(shù)據(jù)采集卡選用的FIFO器件是CYPRESS公司生產(chǎn)的高速、低功耗、先入先出存儲(chǔ)器芯片CY7CA261。它的容量為16K×9位，讀寫(xiě)周期為10 ns，支持異步和同步讀寫(xiě)操作，寫(xiě)數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)分別具有時(shí)鐘和使能信號(hào)，具有“空、滿、可編程幾乎空、可編程幾乎滿”四個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位，沒(méi)有絕對(duì)地址的概念，只有讀指針和寫(xiě)指針的相對(duì)位置，只要標(biāo)志不為0，就可以進(jìn)行寫(xiě)操作，只要標(biāo)志不為0，就可以進(jìn)行讀操作，讀寫(xiě)操作可以同時(shí)進(jìn)行。