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隨著大規模集成的電路的飛速發展，PC機性能不斷提高。在PC機擴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。這種結構方式可充分利用微處理器的控制功能、PC機的快速數據處理能力，以及多任務工作方式等特點。對于這種分布式控制系統，主機要頻敏接收到來自擴展卡從機所采集的數據、工作狀態等信息；向從機發送控制命令或處理數據等。這種主、從機之間的通訊，根據應用條件的不同有多種方式。但在數據傳輸速度較高、數據量較大且需經常交換信息的場合，采用雙口共享RAM緩沖區方式是最合適的。 為了用單片機實現對微秒級甚至納秒級高速瞬變信號進行采樣，研究了一種基于ISA總線、GPS同步時鐘、用硬件電路實現高速數據采集、高速尋址以及存儲的技術，保證了高速瞬態信號的實時采集。對于變化速極快、過程極短的高速瞬態信號的采集，需要高速A/D轉換單元、大量數據存儲單元、高速尋址和快速存儲等。 由于所采集的信號是高頻信號，用常規則方法受到單片機本身運行速度的限制，不僅造成成本提高，而且對高頻、遠距離多路信號的信號處理增加困難，有時無法區別所采集信號的真偽。通過對8051單片機的外圍進行有效的擴展，采取在數據采集時由硬件實現采集和存儲，采集完畢后由8051系列單片機進行數據處理和通信，比較好地解決了二者的矛盾。 筆者研制的高速數據采集板采樣頻率為20MSPS；A/D轉換字長為8位，并且采樣速率可變；存儲容量為512K字節，符合ISA總線標準。可廣泛用于電力測量、繼電保護和故障定位等。 1 硬件系統基本工作原理 硬件電路框圖如圖1所示，它是由CPU1及CPU2基本系統、視頻閃爍ADC轉換器、高速緩存RAM、雙口RAM、地址計數器、采樣頻率控制、時序控制及譯碼電路等部分組成。 根據需要CPU采用DS80C320單片機。在時鐘頻率為33MHz條件下，單周期指令執行時間是110納秒，充分發揮高速A/D轉換芯片的性能。DS80C320內部有三個16位定時器/計數器、二個全雙工串行口、十三個中斷源（六個外部中斷端）、二個數據指針DPTR0和DPTR1。在33MHz晶振時，ALE的輸出信號頻率是8.25MHz。 CPU1主要用于數據采集、與PC機通訊；CPU2用于接收GPS時間報文，GPS時間報文可在任何時刻由CPU1從與之相接的雙口RAM2中讀取。高速雙端口RAM IDT7130（2K×8位）、IDT7134（4K×8位），內部具有判決電路以防止因對某一單元同時操作而產生沖突。雙口RAM1 IDT7134主要用于CPU1存放采集的數據、同步時間信息及工作狀態等，供PC機定時取用，同時也接收來自PC機的命令。雙口RAM2 IDT7130其容量為2K字節，主要用于CPU1與CPU2交換GPS的同步時鐘信息。 對高速數據采集技術而言，最為重要的是系統的分辨率、精度與通過速率。特別是系統通過速率，是區別高速數據采集與一般數據采集最為關鍵的一項技術指標。在硬件的具體實現過程中，則需要考慮兩個方面：（1）A/D轉換器的轉換時間；（2）轉換后的數據存儲時間。 1.1 高速A/D轉換 A/D轉換采用閃爍ADC器件AD9048，其最大轉換速率為35MSPS，分辨率為8位。利用高速雙極工藝制造，采樣速率快，頻帶寬，無代碼遺失，輸入電容小（僅為16pF），功耗低（為500mW）。AD9048內部時鐘鎖定比較器可使編碼邏輯電路和輸出緩沖寄存器作在35MSPS的高速，并避免了多數系統對取樣保持電路（S/H）和跟蹤保持電路（T/H）的需要。數字輸入、輸出及控制電平與TTL兼容。AD589和AD741、2N3906等構成穩壓可調電路，提供給9048的RB、RT接地。AD9618作為輸入緩沖放大器[3]。由于AD9048的數據輸出沒有三態門控制，故在輸出加上74LS241作三態門控制。AD9048是否工作取決于輸入轉換脈沖信號，在脈沖信號上升沿取樣。轉換脈沖來自采樣頻率控制電路中的8254分頻器的輸出。 1.2 高速尋址 對于高速數據采集系統，A/D轉換應不受CPU控制。每當ADC轉換一次后，由控制電路發出相應的信號，將ADC轉換結果寫入高速緩存RAM某單元中，再使地址計數器加1，直到地址計數器記滿后產生采樣結束信號，封鎖RAM寫信號，利用二進制地址發生器的最高位通過中斷方式通知主機采樣已完成。 地址計數器可根據地址位數由若干同步記有選舉權器級聯而成，五片74LS163可構成19位地址形成電路。計數器每收到一個脈沖即產生一個地址。地址的初值可通過時序控制電路清零。若采用循環地址，則在計數滿后，用進位信號迫使計數器的同步預置電平發生變化，使計數器恢復初值，進入新一輪計數。 1.3 快速存儲 單片機與上位PC機間串口通訊的數據傳輸速率往往不能滿足實時要求；DMA通道最的大數據傳輸率也不超過5MB/s[1]，這顯然無法滿足本系統中高達20MB/s的采樣速度。為了解決高速數據采集與低速數據傳輸的矛盾，在單片機系統中，數據存儲器選用雙端口RAM IDT7134（圖1中RAM1）。在上位PC主機與單片機之間建立了一個4K字節大小的緩沖區，單片機只須將經過預處理的采樣值通過一個端口存放緩沖區，上位PC主機通過另一端口從緩沖區取數據。這樣就解決了高速采樣與低速數據傳輸的矛盾，可滿足實時采集和控制的要求。 1.4 總線控制 單片機系統總線上掛有若干RAM或I/O口，尋址和數據傳輸均由CPU發出指令通過系統總線實現的。對于高速數據采集，為了提高尋址和數據傳輸速度，避免總線沖突或堵塞，必須建立局部總線。系統總線與局部總線應該既區別、又統一，既隔離、又結合，彼此通過合理的控制邏輯聯系起來。 總線仲裁的基本原則實際就是在不同的總線請求時，采用不同長度的讀寫周期，以使各個使用者對總線的占用時間互相交錯，而使用者并不感覺到仲裁的存在。在內存映射的傳輸方式中，A/D不斷地將轉換的數據寫入高速緩存RAM，CPU根據數據處理的需要從高速緩存RAM讀取數據至雙口RAM1，雙口RAM1還需要將所有單元刷新一遍。這三種操作都要占用卡上的數據、地址總線。但它們發生的時間是隨機的，因此對總線的占用必然會產生沖突，總線仲裁電路的功能就是對這三種操作進行協調。這里，通過五片74LS241二選一開關協調地址計數器與CPU1對高速緩存RAM讀地址的沖突，二片74LS241協調高速緩存RAM與AD9048和雙口RAM之間的數據傳輸的沖突。 1.5 PC總線接口技術 PC系統總線對4KB的雙口RAM尋址是一個難點。本數據采集卡采用PC總線，又稱8位ISA總線。它使用靈活，便于同8位單片機構成接口電路。有62條引線，分五類：地址線、數據線、控制線、輔助與電源線。本數據采集卡只用了其中一部分引線：8條數據線、10條地址線、IOR和IOW控制線、電源線。譯碼電路詳細框圖如圖2。 本數據采集卡使用308H、309H、30AH三個口地址實現在板緩存4KB的尋址。這里的譯碼電路使用了GAL20V8和兩片74HC574。當PC機要訪問某一地址時，首先寫入雙口RAM的低8位地址。此時GAL20V8的輸出信號選中74HC574（右），將PC-DB上的數據鎖存，形成雙口RAM的低8位地址Addrl；然后寫入雙口RAM的高8位地址。GAL20V8的輸出信號選中74HC574（左），將PC-DB上的數據鎖存，形成雙口RAM的高8位地址Addrh。最后通過選中雙口RAM的片選端cs，完成一次數據的讀/寫過程。 1.6 采樣頻率控制電路 采樣頻率挖掘電路是由晶振、可編程分頻器8254及一些控制電路組成。8254是可編程分頻器，工作頻率在8MHz～20MHz。通過不同的分頻數，可以輸出不同頻率，分頻數在值為2～65535。它的輸出由觸發控制電路控制。其輸出時鐘分別送往地址計數器、高速緩存RAM的寫信號控制電路及AD9048的轉換脈沖輸入端。 2 系統軟件設計 系統軟件的主要功能是為用戶提供一個良好的操作環境，及時響應用戶的命令。用戶操作界面采用Vi-sual basic語言編寫。通過采用一系列命令。用戶操作界面采用Visual basic語言編寫。通過采用一個系列命令按鍵，將電力系統采集到的實際信號的波形、故障發生的時刻等映射到計算機屏幕上，用戶可以對采集到的信息有一個直觀的認識。用軟件虛擬硬件操作界面，可以充分利用計算機的強大運算功能、靈活多變的軟件優勢和VGA強大的顯示功能。為便于系統的擴充和軟件復用，整個軟件分為幾個相對獨立的功能模塊，模塊內代碼封裝，相互之間設立統一的接口規范。 由于本系統中不僅有高層次、面向磁般文件的操作，也有許多直接控制硬件的操作，采用了TURBO C和匯編語言混合編程技術，各模塊根據操作對象采用適當的語言。這樣可以同時利用高級語言編程方便、結構性好、匯編語言快速、靈活、針對性強的特點。 系統軟件框圖如圖3所示。 硬件驅動程序用于完成對硬件的操作，全部采用匯編語言編寫。使用系統前，先運行本程序，程序修改PC機系統中斷，運行后常駐內存，和主程序的接口通過標準軟中斷形式。 高速圖形單元是對PC機VGA寄存器和顯示存儲器的直接操作，通過調用相關函數和VGA圖形庫，以較快速度將采樣信號顯示出來。 數據分析單元主要是對采樣信號進行后處理，可以完成小波變換、信號奇異性檢測、譜分析和相關分析等數據處理功能，并通過波形輸出單元同時將時域信號和分析結構用曲線顯示來出。 整個系統提供給用戶的是一個基于WINDOWS的快速圖形操作界面，系統主控程序協調整個系統的運行，控制硬件自動運行。在系統界面上包括用于波形顯示的高速視口和命令按鍵等，可以通過簡單操作直觀地觀察實時采集到的數據波形、幅值和故障發生的時刻。同時提供了對外的軟件接口，用戶可以按照規定的格式組織數據，利用本系統強大的數據分析功能處理數據。 本高速采集卡具有采樣速率高、運行方式靈活、同步時鐘精度高并符合ISA總線標準等特點。以DS80C320單片機為核心，采用GPS同步時間，配合適當的外圍設備及合理的總線控制技術實現高速數據采集。同時兼有數字存儲示波器功能和數據分析能力，可以廣泛用于電力測量、電力系統故障定位和繼電保護領域。 |
