摘? 要: 提出了一種分段式雙通道高速數據采集系統的設計方案，對其中高速A/D、高速存儲、智能控制以及接口譯碼等模塊進行了介紹。該設計方案解決了高速實時信號與接口總線之間的速度兼容問題，單雙蹤采樣頻率可調，具有較好的工業應用價值。?

　　關鍵詞: 數據采集 雙通道 靜態RAM 頻率可調 總線接口?

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　　本文設計并實現了一種分段式雙通道高速數據采集與處理系統，與PC機信號處理軟件系統結合，可很好地實現各種高速信號的采樣與分析。該系統通過高速靜態RAM，分段存儲經A/D轉換得到的數據，從而解決了高速實時信號與接口總線之間的速度兼容問題;系統內含兩路并行采樣通道，因其器件參數、控制時序完全一致，可實現雙通道同步采集數據，滿足兩路高速信號之間的特性差異對比需求;采樣頻率范圍為500Hz～30MHz，適用于大部分形式的信號，具有較好的工業應用價值。系統主要由高速A/D、高速存儲、智能控制和總線接口四個部分組成，其結構圖如圖1所示。?

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1 高速A/D轉換器?

　　本系統中，高速A/D轉換器選用SONY公司的CXD1175A，60mW低功耗CMOS器件。采樣位數8位;最高采樣速率35MHz;外部時鐘;單端信號輸入;+5V電源供電;片內帶有采樣/保持器;8位并行數據輸出;24引腳SOP封裝。周邊電路原理如圖2所示。

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　　參考電壓的穩定程度對A/D轉換而言是非常重要的，它決定著轉換的準確性。CXD1175A有高、低參考電壓輸入端，參考電壓由兩電壓差值決定。本設計令低端接模擬地，從而與輸入信號(單端)保持一致;而高端電壓采用MAXIM公司的MAX1615，輸出高穩定度3.3V箝位電壓。?

　　高頻信號的幅值一般比較小，為取得良好的信號分析性能，需對信號進行放大。MAX4119是四電流反饋型運算放大器，可在保證性能一致的前提下，為兩通道提供兩級放大功能。?

2 高速存儲?

　　高速存儲是本設計中的一個關鍵環節。由于PC機總線速度和多時鐘工作原理的限制，通過接口總線直接采集數據的速率是非常受限制的。通過采集系統中使用的高速靜態RAM，分段存儲經A/D轉換得到的數據，可解決高速實時信號與接口總線之間的速度矛盾。根據需求本系統采用CYPRESS公司的CY7C128A-15。?

　　CY7C128A-15是高速、低功耗2KB×8靜態RAM，讀寫周期為15ns，具有8根數據輸入/輸出線、片選以及讀寫控制線。數據線同時與A/D輸出口和主機接口相連，通過改變讀寫控制位的狀態，達到數據分段處理的目地。工作原理如圖3所示。?

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　　本系統中，各通道數據采集長度為2K，當采樣點數達到預期的數量時，利用地址信號A11改變RAM的寫有效位狀態，同時向主機申請中斷，主機發出信號改變需要讀入通道RAM的讀有效位，即完成RAM內數據的讀入。在總線工作周期，RAM的地址由主機產生;在A/D轉換數據寫入RAM過程中，RAM的地址由控制邏輯提供。?

3 定時與控制邏輯?

　　在本設計中，定時與控制邏輯無差別地同時作用于兩通道，其完成的工作包括:?

　　(1)提供電路工作時鐘，實現采樣頻率可調。根據系統要求，總線發送相應分頻字，通過可預置計數器，從既定頻率源得到所需工作時鐘。MC74F269是可預置8位二進制同步計數器，計數頻率高達115MHz，采用兩片同步工作的方式，可對60MHz晶振輸出進行2⁸×2⁸范圍內分頻，實現所需工作時鐘。工作原理如圖4所示。?

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　　在通常的數據采集系統中，數據采集的過程是通過對A/D轉換器的控制來實現的。但對于一個高速采集系統而言，這種方法有局限性。因為高速A/D建立穩定的工作狀態需要相當長時間，頻繁改變A/D的工作狀態會影響采樣的速度和精度，使系統滿足不了高速采集的要求，并造成信號的失真。?

　　在本設計方案中，分頻時鐘輸出并不直接作用于高速A/D。自通電起，A/D及其時鐘電路始終處于工作狀態，同步命令通過對靜態RAM與A/D之間的緩沖器的片選進行控制，即允許或禁止對RAM寫入，實現對采樣數據的取舍。?

　　(2)提供靜態RAM的地址信號、寫有效信號以及發出中斷請求信號。在A/D轉換數據寫入RAM過程中，RAM的地址由控制邏輯提供;同時控制邏輯發出RAM寫有效信號，令數據順序寫入相應地址;當RAM寫滿時，令RAM寫無效，并向主機發出中斷申請。本設計采用三片MC74AC161作為地址計數器，它是4位二進制同步計數器，利用高位片的A11位輸出，控制RAM寫入動作及向主機申請中斷。?

4 接口譯碼?

　　本系統與主機的數據通訊采用ISA總線接口方式，僅占用一個I/O地址，采樣數據通過內存直接映像方式讀入，雙通道共占用4K直接映像地址。設計中采用GAL器件用于接口譯碼，利用其可編程特性，簡化電路設計，提高系統的靈活性和可靠性。譯碼電路原理如圖5所示。?

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　　接口譯碼部分主要完成以下工作:?

　　(1)把分頻精度字寫入MC74F269預置端。由主機發出指定I/O地址寫命令，譯碼輸出經OC門驅動16位I/O操作，同時使MC74F269預置使能位有效，從而把16位分頻精度字寫入，得到所需工作時鐘。?

　　(2)提供地址計數器清零信號。由I/O讀命令的譯碼輸出令地址計數器MC74AC161的清零端有效，事實上，此操作就是新一輪數據采集的開始命令，地址清零后，A/D轉換的數據將以約定頻率順序寫入存儲器。?

　　(3)完成RAM內數據讀入主機操作。根據內存直接映像技術，兩通道靜態RAM分別對應于2K存儲器地址。當主機響應中斷，發出存儲器讀MEMR命令時，根據指定地址譯碼，令相應通道的RAM讀有效，并選通數據緩沖器，將指定地址的RAM內數據送到主機數據總線，完成讀入。?

　　至此，一次完整的采樣過程從主機發出I/O寫命令送分頻字開始，I/O讀命令觸發地址計數器清零，順序送出RAM寫入地址。當RAM寫滿時，地址位A11輸出禁止RAM寫，并申請中斷。主機響應中斷，發出MEMR命令，從RAM中讀取2K(或4K)數據。?

　　本文設計的雙通道同步高速數據采集卡已成功實現。配合信號處理軟件系統，在信號的分析上取得了很好的效果，實踐證明本文的設計是可行有效的。采用更高性能的A/D轉換、計數等元器件，可在此基礎上升級為超高速同步采樣的多通道采集系統，適用于要求更高的場合。?

參考文獻?

1 李廣軍，王厚軍.實用接口技術.成都:電子科技大學出版社，1998?