基于ISA总线的高速同步数据采集系统设计

　　随着大规模集成的电路的飞速发展，PC机性能不断提高。在PC机扩展槽中嵌入以高性能微处理器为核心的智能型功能卡，可以组成综合性能极佳的分布式控制系统。这种结构方式可充分利用微处理器的控制功能、PC机的快速数据处理能力，以及多任务工作方式等特点。对于这种分布式控制系统，主机要频敏接收到来自扩展卡从机所采集的数据、工作状态等信息；向从机发送控制命令或处理数据等。这种主、从机之间的通讯，根据应用条件的不同有多种方式。但在数据传输速度较高、数据量较大且需经常交换信息的场合，采用双口共享RAM缓冲区方式是最合适的。

　　为了用单片机实现对微秒级甚至纳秒级高速瞬变信号进行采样，研究了一种基于ISA总线、GPS同步时钟、用硬件电路实现高速数据采集、高速寻址以及存储的技术，保证了高速瞬态信号的实时采集。对于变化速极快、过程极短的高速瞬态信号的采集，需要高速A/D转换单元、大量数据存储单元、高速寻址和快速存储等。

　　由于所采集的信号是高频信号，用常规则方法受到单片机本身运行速度的限制，不仅造成成本提高，而且对高频、远距离多路信号的信号处理增加困难，有时无法区别所采集信号的真伪。通过对8051单片机的外围进行有效的扩展，采取在数据采集时由硬件实现采集和存储，采集完毕后由8051系列单片机进行数据处理和通信，比较好地解决了二者的矛盾。

　　

　　笔者研制的高速数据采集板采样频率为20MSPS；A/D转换字长为8位，并且采样速率可变；存储容量为512K字节，符合ISA总线标准。可广泛用于电力测量、继电保护和故障定位等。

　　1 硬件系统基本工作原理

　　硬件电路框图如图1所示，它是由CPU1及CPU2基本系统、视频闪烁ADC转换器、高速缓存RAM、双口RAM、地址计数器、采样频率控制、时序控制及译码电路等部分组成。

　　根据需要CPU采用DS80C320单片机。在时钟频率为33MHz条件下，单周期指令执行时间是110纳秒，充分发挥高速A/D转换芯片的性能。DS80C320内部有三个16位定时器/计数器、二个全双工串行口、十三个中断源（六个外部中断端）、二个数据指针DPTR0和DPTR1。在33MHz晶振时，ALE的输出信号频率是8.25MHz。

　　CPU1主要用于数据采集、与PC机通讯；CPU2用于接收GPS时间报文，GPS时间报文可在任何时刻由CPU1从与之相接的双口RAM2中读取。高速双端口RAM

　　IDT7130（2K×8位）、IDT7134（4K×8位），内部具有判决电路以防止因对某一单元同时操作而产生冲突。双口RAM1

　　IDT7134主要用于CPU1存放采集的数据、同步时间信息及工作状态等，供PC机定时取用，同时也接收来自PC机的命令。双口RAM2

　　IDT7130其容量为2K字节，主要用于CPU1与CPU2交换GPS的同步时钟信息。

　　对高速数据采集技术而言，最为重要的是系统的分辨率、精度与通过速率。特别是系统通过速率，是区别高速数据采集与一般数据采集最为关键的一项技术指标。在硬件的具体实现过程中，则需要考虑两个方面：（1）A/D转换器的转换时间；（2）转换后的数据存储时间［2］。

　　1.1 高速A/D转换

　　A/D转换采用闪烁ADC器件AD9048，其最大转换速率为35MSPS，分辨率为8位。利用高速双极工艺制造，采样速率快，频带宽，无代码遗失，输入电容小（仅为16pF），功耗低（为500mW）。AD9048内部时钟锁定比较器可使编码逻辑电路和输出缓冲寄存器作在35MSPS的高速，并避免了多数系统对取样保持电路（S/H）和跟踪保持电路（T/H）的需要。数字输入、输出及控制电平与TTL兼容。AD589和AD741、2N3906等构成稳压可调电路，提供给9048的RB、RT接地。AD9618作为输入缓冲放大器［3］。由于AD9048的数据输出没有三态门控制，故在输出加上74LS241作三态门控制。AD9048是否工作取决于输入转换脉冲信号，在脉冲信号上升沿取样。转换脉冲来自采样频率控制电路中的8254分频器的输出。

　　1.2 高速寻址

　　对于高速数据采集系统，A/D转换应不受CPU控制。每当ADC转换一次后，由控制电路发出相应的信号，将ADC转换结果写入高速缓存RAM某单元中，再使地址计数器加1，直到地址计数器记满后产生采样结束信号，封锁RAM写信号，利用二进制地址发生器的最高位通过中断方式通知主机采样已完成。

　　地址计数器可根据地址位数由若干同步记有选举权器级联而成，五片74LS163可构成19位地址形成电路。计数器每收到一个脉冲即产生一个地址。地址的初值可通过时序控制电路清零。若采用循环地址，则在计数满后，用进位信号迫使计数器的同步预置电平发生变化，使计数器恢复初值，进入新一轮计数。

　　1.3 快速存储

　　单片机与上位PC机间串口通讯的数据传输速率往往不能满足实时要求；DMA通道最的大数据传输率也不超过5MB/s［1］，这显然无法满足本系统中高达20MB/s的采样速度。为了解决高速数据采集与低速数据传输的矛盾，在单片机系统中，数据存储器选用双端口RAM

　　IDT7134（图1中RAM1）。在上位PC主机与单片机之间建立了一个4K字节大小的缓冲区，单片机只须将经过预处理的采样值通过一个端口存放缓冲区，上位PC主机通过另一端口从缓冲区取数据。这样就解决了高速采样与低速数据传输的矛盾，可满足实时采集和控制的要求。