一種高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了實現(xiàn)對武器系統(tǒng)模擬信號的采集和數(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)計思想，數(shù)據(jù)采集卡以A／D轉(zhuǎn)換器、CPLD和FIFO相結(jié)合來實現(xiàn)信號的連續(xù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤／D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)信號的采樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換，CPLD實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲過程的控制。實驗結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集卡操作簡單、實時性強、性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)對被測信號高速連續(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；時序控制；邏輯控制

O 引言
測試設(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武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能。在對武器系統(tǒng)進行測試的過程中，需要對一系列的電壓、電流等模擬量信號進行快速、實時的數(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)爭對武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)需求，提高快速機動保障能力，研制出體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、便攜式的測試設(shè)備就成為主要的目標(biāo)。
本文設(shè)計了一種基于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)測試中的作用。常規(guī)采集方案主要有兩種：
(1)由單片機直接控制的采集方案，這是最簡單最常用的控制方案。由于每次采樣都要有單片機的參與，需占用單片機的時間，影響其數(shù)據(jù)處理，而且對于多通道、多個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，若與單片機配合使用，需要單片機具有總線掛起功能，否則還需要進行總線切換，影響數(shù)據(jù)的及時處理。
綜合以上兩種方案的優(yōu)缺點，本數(shù)據(jù)采集卡自動采樣硬件電路主要采用可編程邏輯器件CPLD和先進先出FIFO(First In First Out)技術(shù)設(shè)計而成，可以很好地實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。

1 數(shù)據(jù)采集卡總體方案設(shè)計
數(shù)據(jù)采集卡是由信號調(diào)理電路、帶采樣保持器的A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)、FIFO數(shù)據(jù)緩存、CPLD芯片及時鐘電路等部分組成，具有高精度、高可靠性、高抗干擾能力等特點?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計原理如圖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多路選擇開關(guān)、EPM7128SCL84-6CPLD和CY7C4261 FIFO緩存器。下面對以上所用芯片做一簡要介紹。
2．1 AD9283模／數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介
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；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100 MSPS；具有高速并行輸出接口。
2．2 EPM7128SCL84-6 CPLD芯片簡介
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，可用門單元為2 500個，有64個用戶可用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JTAG接口可實現(xiàn)在線編程。
2．3 CY7C4261 FIFO緩存器簡介
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、先入先出存儲器芯片CY7CA261。它的容量為16K×9位，讀寫周期為10 ns，支持異步和同步讀寫操作，寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)分別具有時鐘和使能信號，具有“空、滿、可編程幾乎空、可編程幾乎滿”四個狀態(tài)標(biāo)志位，沒有絕對地址的概念，只有讀指針和寫指針的相對位置，只要標(biāo)志不為0，就可以進行寫操作，只要標(biāo)志不為0，就可以進行讀操作，讀寫操作可以同時進行。