分段式双通道高速数据采集与处理系统

    摘要：提出了一种分段式双通道高速数据采集系统的设计方案。对其中高速A/D、高速存储、智能控制以及接口译码等模块进行了介绍。该设计方案解决了高速实时信号与接口总线之间的速度兼容问题，单双踪采样频率可调，具有较好的工业应用价值。

    关键词：数据采集 双通道 静态RAM 频率可调 总线接口

本文设计并实现了一种分段式双通道高速数据采集与处理系统，与CP机信号处理软件系统结合，可很好地实现各种高速信号的采集与分析。该系统通过高速静态RAM，分段存储经A/D转换得到的数据，从而解决了高速实时信号与接口总线之间的速度兼容问题；系统内含两路羡并行采样通道，因其器件参数、控制时序完全一致，可实现双通道同步采集数据，满足两路高速信号之间的特性差异对比需求；采样频率范围为500Hz～300MHz，适用于大部分形成的信号，具有较好的工业应用价值。系统主要由高速A/D、高速存储、智能控制和总线接口四个部分组成，其结构图如图1所示。

1 高速A/D转换器

本系统中，高速A/D转换器选用SONY公司的CXD1175A，60mW低功耗CMOS器件，采样位数8位；最高要样速率35MHz；外部时钟；单端信号输入；+5V电源供电；片内带有采样/保持器；8位并行数据输出；24引脚SOP封装。周边电路原理如图2所示。

参考电压的稳定程度对A/D转换而言是非常重要的，它决定着转换的准确性。CXD1175A有高、低参考电压输入端，参考电压由两电压差值决定。本设计令低端接模拟地，从而与输入信号（单端）保持一致；而高端电压采用MAXIM公司的MAX1615，输出高稳定度3.3V箝位电压。

高频信号的幅值一般比较小，为取得良好的信号分析性能，需对信号进行放大。MAX4119是四电流反馈型运算放大器，可以保证性能一致的前掉下，为两通道提供两级放大功能。

2 高速存储

高速存储是本设计中的一个关键环节。由于PC机总线速度和多时钟工作原理的限制，通过接口总线直接采集数据的速率是非常受限制的。通过采集系统中使用的高速静态RAM，分段存储经A/D转换得到的数据，可解决高速实时信号与接口总线之间的速度矛盾。根据需求本系统采用CYPRESS公司的CY7C128A-15。

CY7C128A-15是高速、低功耗2KB×8静态RAM，读写周期为15ns，具有8根数据输入/输出线、片选以及读写控制线。数据线同时与A/D输出口和主机接口相连，通过改变读写控制位的状态，达到数据分段处理的目地。工作原理如图3所示。

本系统中，各通道数据采集长度为2K，当采样点数达到预期的数量时，利用地址信号A11改变RAM的写有效位状态，同时向主机申请中断，主机发出信号改变需要读入通道RAM的读有效位，即完成RAM内数据的读入。在总线工作周期，RAM的地址由主机产生；在A/D转换数据写入RAM过程中，RAM的地址由控制逻辑提供。

3 定时与控制逻辑

在本设计中，定时与控制逻辑无差别地同时作用于两通道，其完成的工作包括：

（1）提供电路工作时钟，实现采样频率可调。根据系统要求，总线发送相应分频字，通过可预置计数器，从既定频率源得到提需工作时钟。MC74F269是可预置8位二进制同步计数器，计数频率高达115MHz，采用两片同步工作的方式，可对60MHz晶振输出进行2 8×2 8范围内分频，实现所需工作时钟。工作原理如图4所示。

在通常的数据采集系统中，数据采集的过程是通过对A/D转换器的控制实现的。但对于一个高速采集系统而言，这种方法有局限性。因为高速A/D建立稳定的工作状态需要相当长时间，频繁改变A/D的工作状态会影响采样的速度和精度，使系统满足不了高速采集的要求，并造成信号的失真。

在本设计方案中，分频时钟输出并不直接作用于高速A/D。自通电起，A/D及时时钟电路始终处于工作状态，同步命令通过对静态RAM与A/D之间的缓冲器片选进行控制，即允许或禁止对RAM写入，实现对采样数据的取舍。

（2）提供静态RAM的地址信号、写有效信号以及发出中断请求信号。在A/D转换数据写入RAM过程中，RAM的地址由控制逻辑提供；同时控制逻辑发出RAM写有效信号，令数据顺序写入相应地址；当RAM写满时，令RAM写无铲，并向主机发出中断申请。本设计采用三片MC74AC161作为地址计数器，它是4位二进制同步计数器，利用高位片的A11位输出，控制RAM写入动作及向主机申请中断。

4 接口译码

本系统与主机的数据通讯采用ISA总线接口方式，仅占用一个I/O地址，采样数据通过内存直接映像方式读入，双通道共占用4K直接映像地址。设计中采用GAL器件用于接口译码，利用其可编程特性，简化电路设计，提高系统的灵活性和可靠性。译码电路原理如图5的慰。接口译码部分主要完成以下工作：

（1）反分频精度字写入MC74F269预置端。由主机发出指定I/O地址写命令，译码输出经OC门驱动16位I/O操作，同时使MC74F269预置使能位有效，从而把16位分频精度字写改，得到所需工作时钟。

（2）提供地址计数器清零信号。由I/O读命令的译码输出令地址计数器MC74AC161的清零端有效，事实上，此操作就是新一轮数据采集的开始命令，地址清零后，A/D转换的数据将以约定频率顺序写入存储器。

（3）完成RAM内数据读入主机操作。根据内存直接映像技术，两通道静态RAM分别对应于2K存储器地址。当主机响应中断，发出存储器读MEMR命令时，根据指定地址译码，令相应通道的RAM读有效，并选通数据缓冲器，将指定地址的RAM内数据送到主机数据总线，完成读入。

至此，一次完整的采样过程从主机发出I/O写命令送分频字开始，I/O读命令触发地址计数器清零，顺序送出RAM写入地址。当RAM写满时，地址位A11输出禁止RAM写，并申请中断。主机响应中断，发出MEMR命令，从RAM中读取2K（或4K）数据。

本文设计的双通道同步高速数据采集卡已成功实现。配合信号处理软件系统，在信号的分析上取得了很好的效果，实践证明本文的设计是可行有效的。采用更高性能的A/D转换、计数等元器件，可在此基础上升级为超高速同步采样的多通道采集系统，适用于要求更高的场合。