英创信息技术主板EM9160实现波形数据采集

工控主板EM9160的精简ISA总线的主要扩展应用之一，就是扩展针对应用的各种数据采集单元，即通常所说的AD单元。对低速采样、且不要求样点间有严格时间间隔的应用，英创公司已推出了已ETA102、ETA197为代表的数据采集方案，这些方案可很好的应用于常规的测温、测压等低速数据采集领域。但对需要采集信号波形的应用，如振动分析、电力谐波分析等，ETA102和ETA197的方案就不能满足要求了，主要的原因是这些AD单元的数据采集都是由软件启动的，因此不能保证样点间有严格固定的时间间隔。本文的目的，是在新的EM9160的硬件IRQ中断驱动程序的基础之上，设计了一个基于中断的AD采集单元，通过EM9160的PWM接口输出固定周期的脉冲来启动AD转换，AD数据转换好后，通过中断通知EM9160工控主板。EM9160的IRQ驱动程序则读取AD数据，并储存在内部缓冲区中，应用程序则通过标准的文件读的方式读取设备文件”IRQ1:”的数据。
本设计的AD转换芯片，选用了经典的AD574A。AD574A是一款采样率25Ksps、分辨率为12-bit的AD芯片，设计采用AD574A的独立工作模式（Stand-Alone），其采集时序如下图所示：

上图中的AD转换脉冲R/C#是一脉宽大于50ns的低电平脉冲，我们可以利用EM9160的PWM脉冲输出来作为AD转换启动脉冲。AD574A的状态输出STS，在进入数据转换后变高，转换完成后从高电平变为低电平。在设计中，把STS反相作为EM9160的IRQ输入，上升沿（即STS的下降沿）将触发中断。
AD574A的基本设计如下：

注意，在上图中没有包括前端的模拟信号调理部分，因为这部分电路与具体应用密切相关。客户在具体的AD设计中还需要协调好模拟地和数字地的关系，以保证采集数据的实际精度满足需求。
与EM9160精简ISA总线的接口电路如下：

图中的PWM1是来自于EM9160的GPIO12。EM9160共有3路PWM输出，均与GPIO复用管脚，具体关系为：

GPIO管脚	PWM脉冲输出
GPIO12	PWM1
GPIO14	PWM2
GPIO15	PWM3

由这两部分电路构成的完整设计如下：

本设计的主要优点是扩展电路非常简单，是一种典型的低成本波形采集方案。但需要注意的是，由于每次AD转换结束，都需要中断驱动程序读取AD数据。采用本方案的波形数据采集对AD的采样率就有一定限制，通常来说不能超过10ksps，即100us的采样间隔。以电力谐波分析来看，50Hz的工频信号，按5Ksps采样率进行波形采集，可获得的谐波可达到49次谐波，可满足绝大多数应用。采用这样的设计，客户并不需要涉及驱动程序的编写，就可实现实时的波形数据采集的功能。
客户可在此设计的基础上，方便的设计出多通道的波形数据采集方案。