基于ISA總線的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著大規(guī)模集成的電路的飛速發(fā)展，PC機(jī)性能不斷提高。在PC機(jī)擴(kuò)展槽中嵌入以高性能微處理器為核心的智能型功能卡，可以組成綜合性能極佳的分布式控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)方式可充分利用微處理器的控制功能、PC機(jī)的快速數(shù)據(jù)處理能力，以及多任務(wù)工作方式等特點(diǎn)。對(duì)于這種分布式控制系統(tǒng)，主機(jī)要頻敏接收到來(lái)自擴(kuò)展卡從機(jī)所采集的數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等信息；向從機(jī)發(fā)送控制命令或處理數(shù)據(jù)等。這種主、從機(jī)之間的通訊，根據(jù)應(yīng)用條件的不同有多種方式。但在數(shù)據(jù)傳輸速度較高、數(shù)據(jù)量較大且需經(jīng)常交換信息的場(chǎng)合，采用雙口共享RAM緩沖區(qū)方式是最合適的。

為了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)微秒級(jí)甚至納秒級(jí)高速瞬變信號(hào)進(jìn)行采樣，研究了一種基于ISA總線、GPS同步時(shí)鐘、用硬件電路實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、高速尋址以及存儲(chǔ)的技術(shù)，保證了高速瞬態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。對(duì)于變化速極快、過(guò)程極短的高速瞬態(tài)信號(hào)的采集，需要高速A/D轉(zhuǎn)換單元、大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、高速尋址和快速存儲(chǔ)等。

由于所采集的信號(hào)是高頻信號(hào)，用常規(guī)則方法受到單片機(jī)本身運(yùn)行速度的限制，不僅造成成本提高，而且對(duì)高頻、遠(yuǎn)距離多路信號(hào)的信號(hào)處理增加困難，有時(shí)無(wú)法區(qū)別所采集信號(hào)的真?zhèn)巍Ｍㄟ^(guò)對(duì)8051單片機(jī)的外圍進(jìn)行有效的擴(kuò)展，采取在數(shù)據(jù)采集時(shí)由硬件實(shí)現(xiàn)采集和存儲(chǔ)，采集完畢后由8051系列單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信，比較好地解決了二者的矛盾。



筆者研制的高速數(shù)據(jù)采集板采樣頻率為20MSPS；A/D轉(zhuǎn)換字長(zhǎng)為8位，并且采樣速率可變；存儲(chǔ)容量為512K字節(jié)，符合ISA總線標(biāo)準(zhǔn)。可廣泛用于電力測(cè)量、繼電保護(hù)和故障定位等。

1 硬件系統(tǒng)基本工作原理

硬件電路框圖如圖1所示，它是由CPU1及CPU2基本系統(tǒng)、視頻閃爍ADC轉(zhuǎn)換器、高速緩存RAM、雙口RAM、地址計(jì)數(shù)器、采樣頻率控制、時(shí)序控制及譯碼電路等部分組成。

根據(jù)需要CPU采用DS80C320單片機(jī)。在時(shí)鐘頻率為33MHz條件下，單周期指令執(zhí)行時(shí)間是110納秒，充分發(fā)揮高速A/D轉(zhuǎn)換芯片的性能。DS80C320內(nèi)部有三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、二個(gè)全雙工串行口、十三個(gè)中斷源（六個(gè)外部中斷端）、二個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1。在33MHz晶振時(shí)，ALE的輸出信號(hào)頻率是8.25MHz。