基于FIFO的VXI總線并行A/D連續(xù)采集研究

1 引言

在工業(yè)領(lǐng)域的許多測試應(yīng)用中，特別是產(chǎn)品研制的調(diào)試階段需要對一組信號進行長時間的連續(xù)采集記錄，以便在事后根據(jù)這組記錄的數(shù)據(jù)進行分析，或者檢驗研制產(chǎn)品的時序是否正確。一些VXI A/D采集模塊，存儲容量較小，如果連續(xù)循環(huán)采集，在一次采集和下一次采集之間會丟失數(shù)據(jù)，測試過程中不能實現(xiàn)實時監(jiān)控信號，也不能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)采集數(shù)據(jù)。針對上述問題，本文在VXI總線并行A/D模塊上，結(jié)合FIFO，提出了一種可以實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)長時間連續(xù)采集的方法。

2 VXI總線8通道并行A/D模塊設(shè)計

VXI總線8通道并行A/D模塊是A16的C尺寸寄存器基模塊。在A16寄存器基模塊中，其訪問空間限制在64字節(jié)內(nèi)，而且每次訪問都必須對寄存器的狀態(tài)進行讀取判斷，很難滿足高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸要求。因此在A16空間里，實現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸，是模塊設(shè)計的重點和難點。在該模塊的設(shè)計中，采用大容量FIFO芯片IDT7207作為內(nèi)置緩沖器，采集數(shù)據(jù)先放在FIFO的RAM中。VXI總線可以將FIFO中數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)塊的形式進行高速讀取，可以解決高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸。電路框圖如圖1所示。

圖1 電路框圖

數(shù)據(jù)采集時，本地微控制器首先通過通訊寄存器接收VXI發(fā)送的狀態(tài)設(shè)置命令，如采樣頻率、采樣方式、采樣點數(shù)、程控增益，然后設(shè)置相應(yīng)的寄存器后，啟動A/D，檢測A/D狀態(tài)，并將轉(zhuǎn)換值寫入FIFO。AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，設(shè)置相應(yīng)的寄存器，計算機通過判斷此寄存器的狀態(tài)，進行FIFO數(shù)據(jù)的讀取。

以上的設(shè)計中，采用大容量FIFO芯片IDT7207作為內(nèi)置緩沖器，以數(shù)據(jù)塊的形式進行高速讀取，可以實現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸。但是如果需要長時間的連續(xù)數(shù)據(jù)采集，IDT7207的容量（32K）仍然不能滿足要求。一個長時間的采集任務(wù)需要采用多次采集的方式，每次采集都需要發(fā)送啟動命令，然后等到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，最后將A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)塊讀入計算機。在兩次采集之間要讀轉(zhuǎn)換結(jié)束的數(shù)據(jù)，還需重新發(fā)送啟動命令，因此采集的數(shù)據(jù)是不連續(xù)的。

3 基于FIFO的連續(xù)采集實現(xiàn)原理

從上面的分析可以得出：要實現(xiàn)連續(xù)采集，就不能在兩次連續(xù)采集之間有間隔。因此一種方法是讓VXI模塊的A/D轉(zhuǎn)換和計算機的讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并行進行。當計算機啟動AD轉(zhuǎn)換后，VXI模塊內(nèi)的A/D控制器負責不停的往存儲器中寫入轉(zhuǎn)換后的A/D數(shù)據(jù)，計算機異步讀出存儲器數(shù)據(jù)。先進先出結(jié)構(gòu)FIFO能滿足這種要求。IDT72××系列中的IDT7207是IDT公司生產(chǎn)的一種高速、低功耗CMOS型FIFO雙端口RAM， 它的存儲容量為32k×9bit.，存儲時間為12ns。該芯片內(nèi)的雙端口RAM具有2套數(shù)據(jù)線，分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入和讀出功能，各自獨立的讀寫指針分別在讀、寫時鐘的控制下順序地從RAM中讀、寫數(shù)據(jù)。讀、寫指針通過RAM的最后一個單元加1回到第一個RAM單元的方式實現(xiàn)循環(huán)。比較和控制部分提供數(shù)據(jù)空標志（/EF）和數(shù)據(jù)滿標志（/FF）來防止存儲器滿時再寫入數(shù)據(jù)的溢出操作和存儲器空時的存儲器空讀操作。而半滿標志（/HF）可以用來防止數(shù)據(jù)丟失和提高數(shù)據(jù)傳送效率。其結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 FIFO芯片IDT7207結(jié)構(gòu)圖

本文中要實現(xiàn)長時間的連續(xù)數(shù)據(jù)采集而不丟失數(shù)據(jù)需要利用FIFO的這個半滿標志。當啟動VXI模塊的A/D轉(zhuǎn)換后，計算機便監(jiān)視FIFO的狀態(tài)，看是否半滿。如果不是半滿，不做操作；如果半滿便讀取FIFO中的一半數(shù)據(jù)。其過程見下圖3。

圖3 連續(xù)采集時FIFO的數(shù)據(jù)讀取

在模塊硬件電路的實現(xiàn)中，將FIFO的空標志、滿標志和半滿標志引入到VXI模塊的狀態(tài)寄存器中。從而可以通過讀地址為0X4的狀態(tài)寄存器的值來判斷FIFO的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器的狀態(tài)字如下所示：

其中D15為GND；D14為MODID*；D13為FIFO的滿標志，低有效；D12為FIFO的半滿標志，低有效；D11為FIFO的空標志，低有效；D9為VXI命令寫準備好標志，高有效；D8為VXI命令讀準備好標志，高有效；D3為READY；D2為PASSED；D0為DONE；D1,D4不確定。

4 連續(xù)采集應(yīng)用程序軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)連續(xù)采集計算機的應(yīng)用程序需要定時查詢VXI模塊的狀態(tài)寄存器。Windows操作系統(tǒng)中提高了兩種級別的定時器：一般級別的定時器和高精度定時器。Sleep()和GetTickCount()是屬于一般級別的定時器，它們利用系統(tǒng)的“Tick”時間作為計時單元，定時精度為10ms。而本文設(shè)計VXI A/D采集模塊的最高采樣率為200kHZ， A/D采集模塊中的FIFO容量為32k，如果以高采樣頻率100kHZ八通道方式進行采集，查詢定時間隔為10ms，采用Sleep()或者GetTickCount()定時時10ms誤差會使得每次定時內(nèi)約有10/1000×100×1000×8＝8k個點留在FIFO中。在采集過程中可能出現(xiàn)以下情形：第一個10ms定時，如果定時精確則轉(zhuǎn)換8k個點，由于誤差造成多轉(zhuǎn)換7999個點，總共轉(zhuǎn)換16k－1個點，F(xiàn)IFO還未半滿；然后再定時10ms，如果情形和第一次類似轉(zhuǎn)換16k－1個點，兩次轉(zhuǎn)換后FIFO中總共存在32k－2個點，此時開始讀一半FIFO數(shù)據(jù)，那么由于在讀數(shù)據(jù)中模塊還要進行A/D數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和存儲，會因為FIFO中數(shù)據(jù)未及時讀走造成FIFO滿而丟失數(shù)據(jù)。

Widows95以后的操作系統(tǒng)版本提供了QueryPerformanceCounter()函數(shù)和QueryPerformanceFrequency()函數(shù)，可以實現(xiàn)更高精度的定時，并要求計算機從硬件上支持高精確計時器。在進行定時之前，首先調(diào)用QueryPerformanceFrequency（）函數(shù)獲得計算機內(nèi)部時鐘計數(shù)器的時鐘頻率，然后在需要高精度定時的代碼兩端分別調(diào)用QueryPerformanceCounter()函數(shù)獲得時鐘計數(shù)器的計數(shù)值，利用兩次獲得的計數(shù)值之差及時鐘頻率，計算出定時的精確時間。其定時精度為計算機內(nèi)部的時鐘頻率，可以達到微妙級。

因此在需要使用較高采樣率的場合中，須使用高精度定時。在實際的連續(xù)采集應(yīng)用中，可以將連續(xù)采集放到專門的工作線程中，與UI線程序分開，避免UI線程以及其他線程的操作及消息傳遞影響連續(xù)采集工作線程。實現(xiàn)流程如下圖4。

圖4 實現(xiàn)流程

5 連續(xù)采集的應(yīng)用

該方法已被應(yīng)用于某裝備測控系統(tǒng)中，下圖5所示為采集完后，采集數(shù)據(jù)的回放情形。

圖5 采集數(shù)據(jù)回放

采樣數(shù)據(jù)放大后，如下圖6。

圖6數(shù)據(jù)放大

6 結(jié)束語

在很多的測試需求中，都需要長時間的連續(xù)A/D采集和記錄。因此本文研制了帶FIFO的VXI總線A/D模塊，給出了采用該模塊實現(xiàn)長時間大容量連續(xù)A/D的有效方法，此方法已經(jīng)成功應(yīng)用到某裝備測控系統(tǒng)中。本文創(chuàng)新點:1 研制帶FIFO的VXI總線A/D模塊。2 實現(xiàn)基于FIFO的VXI總線連續(xù)數(shù)據(jù)采集。

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