具有高可靠性的高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)與實(shí)施方法

摘要：從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面介紹保證PCI總線的高速連續(xù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性、可靠性的實(shí)用關(guān)鍵技術(shù)及具體實(shí)施方法、應(yīng)用案例，列出了大量實(shí)用的設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用程序。該設(shè)計(jì)先進(jìn)、可靠，在實(shí)踐中得到了應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高速數(shù)據(jù)采集 可靠性和完整性 關(guān)鍵技術(shù) 設(shè)計(jì)

在許多測(cè)量與控制領(lǐng)域，如電力諧波測(cè)試、聲光信號(hào)處理、現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)等元均要求在線進(jìn)行小波數(shù)字信號(hào)分析與處理，其中最為關(guān)鍵的是如何利用香農(nóng)（Shannon）采樣理論將外部信號(hào)毫無(wú)失真地采集并轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所用的數(shù)字信號(hào)。目前較為流行的方法是提高A/D的轉(zhuǎn)換速率和計(jì)算機(jī)的處理速度。同時(shí)，提高數(shù)據(jù)的傳輸速率也是較為關(guān)鍵的。本文以高速數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD1674為基礎(chǔ)，采用PCI總線協(xié)議，從硬件和軟件設(shè)計(jì)入手探討提高整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大采樣頻率和高可靠性的方法，其中有些方法得到了實(shí)踐證實(shí)。

一般而言，觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換有軟件觸發(fā)、實(shí)時(shí)器同步觸發(fā)及外部觸發(fā)三種方式。而數(shù)據(jù)的傳輸方式有軟件查詢、中斷方式、DMA方式及FIFO方式。四種數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾时容^如下（以A/D轉(zhuǎn)換基頻10MHz為例）：

軟件查詢 10～20kS/s(每秒10k次，與所用計(jì)算機(jī)的主頻有關(guān))

中斷方式 10～30kS/s

DMA方式 200kS/s

FIFO方式（w/repeat input string） 330kS/s

在一般控制系統(tǒng)中，采用軟件觸發(fā)A/D、軟件查詢和中斷數(shù)據(jù)傳輸方式就能滿足測(cè)控要求。但要求高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集的情況下，顯然不能滿足系統(tǒng)要求。在筆者設(shè)計(jì)的智能化高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用了定時(shí)器同步觸發(fā)A/D與FIFO（帶重復(fù)字符輸入方式）數(shù)據(jù)傳輸方式相結(jié)合的方法大大提高了系統(tǒng)的采樣頻率和數(shù)據(jù)的可靠性，改善了在Windows環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?/p>

1 高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 定時(shí)觸發(fā)脈沖源的設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)要求高可靠性、高采樣頻率以及連續(xù)采樣，利用Intel 8254定時(shí)計(jì)數(shù)功能來觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，嚴(yán)格控制時(shí)序以及數(shù)據(jù)采樣間隔，合理利用Intel 8254的三個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器。定時(shí)計(jì)數(shù)器0作備用，用作A/D的外部觸發(fā)源，定時(shí)器1和2配合使用。其中定時(shí)器1的輸入和定時(shí)時(shí)鐘基頻（40MHz）相聯(lián)，其輸出作為定時(shí)器2的輸入，定時(shí)器2的輸出作為A/D轉(zhuǎn)換的定時(shí)脈沖觸發(fā)源。

定時(shí)器1和2均采用方式2工作。定時(shí)計(jì)數(shù)器1和2的計(jì)數(shù)值CounterT1和CounterT2，必須滿足如下關(guān)系式：

CounterT1×CounterT2=時(shí)鐘基頻/SampleSpeed（系統(tǒng)的采樣頻率）。

其初始化程序如下（編程平臺(tái)為Visual C++6.0）：

ucValue = 0xb4； //定時(shí)器2，方式2，ucValue為定時(shí)器2的初始化值

_outp(BaseAdr+33,ucValue); //BaseAdr為板卡的基地址

_outp(BaseAdr+32,CounterT2 0xff);

_outp(BaseAdr+32,(CounterT2 >> 8) 0xff);

ucVaue=(ucValue ～0xc0)| 0x40; //定時(shí)器1，方式2

_outp(BaseAdr+33,ucValue);

_outp(BaseAdr+31,CounterT1 0xff);

_outp(BaseAdr+31,(CounterT1 >> 8) 0xff);

1.2 雙端口RAM技術(shù)

系統(tǒng)要求不間斷連續(xù)要樣。為了克服常規(guī)的固定I/O端口讀寫方式容易造成丟失數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)傳輸速率低的缺陷，系統(tǒng)采用雙端口RAM技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)內(nèi)存直接映象技術(shù)，對(duì)內(nèi)存物理地址直接讀寫，克服了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i效應(yīng)，滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在雙端口RAM設(shè)計(jì)過程中，按照工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行全地址譯碼，以確保全地址空間的每一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址在總線上唯一。

雙端口RAM采用英國(guó)ARCT公司的雙端口RAM HK12S25（8K×8bit），采樣數(shù)據(jù)與PC接口采用FIFO存儲(chǔ)器（先入先出存儲(chǔ)器）作為緩沖，系統(tǒng)具有FIFO全滿（FULL）、半滿（HALF）標(biāo)志。HALF標(biāo)志用于決定PC機(jī)什么時(shí)間開始讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)PC監(jiān)測(cè)到HALF信號(hào)有效，表明在FIFO中至少有4K個(gè)數(shù)據(jù)可以為PC讀取。同時(shí)FIFO至少提供4000個(gè)空間作為讀數(shù)時(shí)A/D數(shù)據(jù)存放的緩沖區(qū)。由于PC采用RAM映射方式從FIFO讀數(shù)據(jù)，通常速度為1.2M～2M字/秒，PC機(jī)有充足的時(shí)間來進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等操作。

寄存器的定義（BaseAdr+20）：

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

FULL HALF 中斷標(biāo)志

輸入模擬通道轉(zhuǎn)換控制采用LUT（RAM查找表）驅(qū)動(dòng)模式，LUT的容量為256單元，即輸入通道轉(zhuǎn)換有256種模式。同時(shí)，LUT專門提供一條額外的控制線輸出到外部，可以為用戶提供可編程狀態(tài)標(biāo)志、同步采樣保持器控制等功能。同時(shí)應(yīng)特別注意LUT驅(qū)動(dòng)通道轉(zhuǎn)換的功能，它可以提供非線性通道控制模式——不同的通道具有不同的采樣速度。

利用_fmemmove(data 1,data2,Samplen)將數(shù)據(jù)映射到高端內(nèi)存，其中：data1為數(shù)據(jù)目的指針，指向一個(gè)內(nèi)存中足夠大的空間；data2可以用FP_SEG、P_OFF來賦值；Samplen為傳輸字節(jié)長(zhǎng)度。為了進(jìn)一步提高訪問高端內(nèi)存地址的速度，也可在VC++中嵌入?yún)R編語(yǔ)言_asm movX1,X2。不過，假如采用面向?qū)ο蟮腣C++編程，采用_fmemmove足夠以滿足系統(tǒng)的采樣要求。

1.3 多線程的數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

在要求高速、高可靠性和連續(xù)采樣的情況下，一方面要求系統(tǒng)不間斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)還要進(jìn)行數(shù)據(jù)的在線定時(shí)處理，否則將會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失或不連續(xù)。在軟件設(shè)計(jì)中，引入了Windows線程的多任務(wù)處理技術(shù)（multitasking）。一個(gè)線程是程序的一條執(zhí)行路徑。MFC（Microsoft Foundation Class）明確區(qū)分了兩種線程：用戶界面線程（UI）是一個(gè)消息泵，用于處理用戶界面的任務(wù)；工作者線程（Worker Thread）完成用戶自己定義的任務(wù)，可以充分利用工作者線程來完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及處理，以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、完整性和連續(xù)性。

在使用多線程時(shí)，如何防止兩個(gè)線程同時(shí)訪問同一個(gè)數(shù)據(jù)集（SRAM中的4K個(gè)數(shù)據(jù)可以看作是一個(gè)數(shù)據(jù)集），以及當(dāng)HALF FLAG標(biāo)準(zhǔn)已出現(xiàn)，一個(gè)線程正在往SRAM中寫數(shù)據(jù)時(shí)，另一個(gè)線程要讀取SRAM的數(shù)據(jù)，該如何處理，是保證數(shù)據(jù)完整性和連續(xù)性的關(guān)鍵。有四種使線程編程更安全的線程同步對(duì)象，保證多個(gè)線程能在一起適當(dāng)?shù)貐f(xié)調(diào)工作：Critical Section（臨界區(qū)）、Mutexe(互斥)、Semaphore(信號(hào)量)以及Event(事件)。其中Critical Section是保證在某一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程能訪問SRAM的簡(jiǎn)易方法，通過對(duì)鄰界區(qū)對(duì)象的Locking（加鎖）和Unlocking(解鎖)來使得任何線程都可以調(diào)用訪問SRAM中的數(shù)據(jù)集，同時(shí)每個(gè)線程都必須禮貌地等待他們?cè)L問受保護(hù)的SRAM中數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)；Mutexe與Critical Section很相似，只是使用起來稍復(fù)雜一點(diǎn)；Semaphore與前兩者也很相似，但Semaphore允許多個(gè)線程同時(shí)訪問同一資源。這與前兩者在同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程訪問一個(gè)資源的限制不同。在創(chuàng)建Semaphore時(shí)，需要指出允許同時(shí)訪問同一資源的最大線程數(shù)目。在本系統(tǒng)中，主要有數(shù)據(jù)采集、標(biāo)志位辨別、數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)處理等線程，使用Semaphore方法已足以滿足要求。但是在設(shè)計(jì)線程時(shí)，要合理規(guī)劃多個(gè)線程對(duì)同一資源的使用順序，這可以通過設(shè)定每個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)別來實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集具有最高的優(yōu)先級(jí)，其次為數(shù)據(jù)傳輸。線程優(yōu)先級(jí)常量設(shè)定如下：

THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL 設(shè)定一個(gè)比普通級(jí)高一組的優(yōu)先級(jí)

THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL 設(shè)定一個(gè)比普通級(jí)低一級(jí)的優(yōu)先級(jí)

THREAD_PRIORITY_HIGHEST 設(shè)定一個(gè)比普通級(jí)高二級(jí)的優(yōu)先級(jí)

THREAD_PRIORITY_LOWEST 設(shè)定一個(gè)比普通級(jí)低二級(jí)的優(yōu)先級(jí)

THREAD_PRIORITY_NORMAL 設(shè)定為正常優(yōu)先級(jí)

應(yīng)用程序?yàn)椋?/p>

UNIT THREADSAMPLE（LPVOID param）

{ Csemaphore Semaphore(2,6);

someResource.UseResource();

::messageBox(HWND) param;

_outp(BaseAdr+2,0x34); //選擇Pacer觸發(fā)A/D

_outp(BaseAdr+4,0x01); //啟動(dòng)Pacer ……}

UNIT THREADTRANSDATA(LPVOID param)

{ float data1,data2;

someResource.UseResource();

::MessageBox(HWND) param;

_fmemmove(data1,data2,Samplen)；……}

1.4 高速數(shù)據(jù)鎖存技術(shù)

在高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，高速數(shù)據(jù)的鎖存一直是個(gè)難點(diǎn)。A/D轉(zhuǎn)換的速率越快，數(shù)據(jù)鎖存的難度越大。為確保數(shù)據(jù)的完整性，采用將數(shù)據(jù)輸出端口的數(shù)據(jù)分成四路輸出，為了補(bǔ)償數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)以及SRAM的建立時(shí)間，在進(jìn)行四分頻時(shí)要推遲1～2個(gè)時(shí)鐘，數(shù)據(jù)進(jìn)入SRAM后，便可以將數(shù)據(jù)分組打包傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

1.5 板卡的抗干擾措施

在高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免各個(gè)信號(hào)之間的共模干擾以及信號(hào)的完整性。在本PCB設(shè)計(jì)時(shí)，采用了六層板設(shè)計(jì)技術(shù)，分別為布線和元件層、模擬地和±12V電源層、數(shù)字地以及ECL的VCC信號(hào)層、模擬+5V和數(shù)字+5V和+3.3V層、模擬-5V和數(shù)字-5V和+2.5V層、布線和元件層，并且使用了大面積的電源和地層可以使各信號(hào)線與地或電源平面之間形成與緊偶合以達(dá)到減少信號(hào)線之間的共模干擾。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)相互隔離，并單獨(dú)供電。這些措施的采用，有效地抑制了信號(hào)間的共模干擾。

2 實(shí)際應(yīng)用

筆者設(shè)計(jì)的基于PCI總線協(xié)議的板卡已應(yīng)用于某國(guó)防項(xiàng)目，由于篇幅的原因，省略硬件結(jié)構(gòu)圖，程序框圖如圖1所示。為了加快數(shù)據(jù)的讀寫速度，采用了16Bits寄存器，在讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)可一次讀入16Bits數(shù)據(jù)。16Bits數(shù)據(jù)格式如下：

部分關(guān)鍵源代碼如下：

#include CtrsysDoc.h #include afx.h #include afxmt.h //VC++頭文件

_outp(BaseAdr+4,0x01)； //enable pacer to trig A/D convert

while ( (_inp(BaseAdr+20) 0x08 )= =0);

_outp(BaseAdr+7,0x20);

for(i=0;iFSIZE/2;i++)

{

wData = _inpw(BaseAdr); //得到FIF0數(shù)據(jù)

fData++=(wData>>4)9.98/0xfff; //轉(zhuǎn)化為實(shí)際的浮點(diǎn)數(shù)

*ICH++=wData 0x000f； //得到自掃描的通道數(shù)

}

隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，具有高可靠性的高速且連續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或板卡是一種發(fā)展趨勢(shì)。本文探討了基于PCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的一些方法，具有一定的參考價(jià)值，經(jīng)實(shí)踐證實(shí)用可靠。其中還有許多相關(guān)技術(shù)有待于研究和開發(fā)，特別是DSP技術(shù)的發(fā)展，會(huì)更加促進(jìn)這一技術(shù)的完善和發(fā)展。