一種高速數據采集卡的設計與實(shí)現

摘要：為了實(shí)現對武器系統模擬信號的采集和數據分析，根據PC／104總線(xiàn)的數據采集系統的設計思想，數據采集卡以A／D轉換器、CPLD和FIFO相結合來(lái)實(shí)現信號的連續采集與數據傳輸的控制。A／D轉換器實(shí)現信號的采樣保持和模數轉換，CPLD實(shí)現數據采集和存儲過(guò)程的控制。實(shí)驗結果表明，該數據采集卡操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強、性能穩定，可實(shí)現對被測信號高速連續的數據采集。
關(guān)鍵詞：數據采集；復雜可編程邏輯器件；FIFO；時(shí)序控制；邏輯控制

O 引言
測試設備是武器系統中最主要的子系統之一，它的工作正常與否將直接影響到整個(gè)武器系統的作戰性能。在對武器系統進(jìn)行測試的過(guò)程中，需要對一系列的電壓、電流等模擬量信號進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)的數據采集和分析，檢查這些模擬量的指標是否符合要求，可以對武器系統是否發(fā)生故障做出診斷，保證武器系統的正常工作。根據現代戰爭對武器系統的作戰需求，提高快速機動(dòng)保障能力，研制出體積小、結構緊湊、便攜式的測試設備就成為主要的目標。
本文設計了一種基于PC／104總線(xiàn)的高速數據采集系統，其目的在于替代示波器在武器系統測試中的作用。常規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(jiǎn)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(shí)間，影響其數據處理，而且對于多通道、多個(gè)A／D轉換器的控制，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。此方案硬件電路復雜，若與單片機配合使用，需要單片機具有總線(xiàn)掛起功能，否則還需要進(jìn)行總線(xiàn)切換，影響數據的及時(shí)處理。
綜合以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本數據采集卡自動(dòng)采樣硬件電路主要采用可編程邏輯器件CPLD和先進(jìn)先出FIFO(First In First Out)技術(shù)設計而成，可以很好地實(shí)現高速數據采集。

1 數據采集卡總體方案設計
數據采集卡是由信號調理電路、帶采樣保持器的A／D模數轉換器、多路模擬開(kāi)關(guān)、FIFO數據緩存、CPLD芯片及時(shí)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(diǎn)?？傮w結構設計原理如圖1所示。

2 芯片介紹
該數據采集卡采用的芯片主要有：AD9283模／數轉換器、AD508A多路選擇開(kāi)關(guān)、EPM7128SCL84-6CPLD和CY7C4261 FIFO緩存器。下面對以上所用芯片做一簡(jiǎn)要介紹。
2．1 AD9283模／數轉換器簡(jiǎn)介
本數據采集卡選用了ANALOG DEVICE公司生產(chǎn)的高速8位模／數轉換器AD9283。它采用先進(jìn)CMOS制作工藝，提供20腳表面貼裝封裝形式。片內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數字電源；片內提供+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(jiǎn)介
本數據采集卡選用一片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(diǎn)，可用門(mén)單元為2 500個(gè)，有64個(gè)用戶(hù)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(guò)JTAG接口可實(shí)現在線(xiàn)編程。
2．3 CY7C4261 FIFO緩存器簡(jiǎn)介
本數據采集卡選用的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(xiě)周期為10 ns，支持異步和同步讀寫(xiě)操作，寫(xiě)數據和讀數據分別具有時(shí)鐘和使能信號，具有“空、滿(mǎn)、可編程幾乎空、可編程幾乎滿(mǎn)”四個(gè)狀態(tài)標志位，沒(méi)有絕對地址的概念，只有讀指針和寫(xiě)指針的相對位置，只要標志不為0，就可以進(jìn)行寫(xiě)操作，只要標志不為0，就可以進(jìn)行讀操作，讀寫(xiě)操作可以同時(shí)進(jìn)行。