基于ISA总线的多路高速采集系统设计

基于ISA总线的高速采集系统设计摘要：介绍了一种基于ISA总线的高速数据采集系统的硬件及软件设计，该系统采用异步启动4块ADS7810模数转换器的方法来相对缩短A/D转换时间，从而在ISA总线上实现了频率2.6MHz的高速采集速率。用便于移植的虚拟设备驱动程序(VxD)采集数据，并由Windows应用程序显示和处理。应用表明，其高速的数据采集、灵活的双向数据交换能力及数据的同步性，可广泛用于信号测量的各种领域。该系统的性能指标满足高压脉冲电场食品杀菌装置的电压采集要求。关键词：ISA总线，高速数据采集，虚拟设备驱动程序Abstract:Thehardwareandsoftwaredesignofahigh2speeddatasamplingsystembasedonISAbuswasintroduced.Inthissystem,fourpiecesofADS7810ADconvertersarestartedinturnatacertainintervaltoshortentheADcon2vertingtimecomparatively,thusobtainingahighdatasamplingspeedof2.6MHzinthesystemonISAbus.VirtualDeviceDriver(VxD),whichiseasytotransplanttootherappliedsituations,isadoptedtoreadthesampleddata.ThesampleddataaredisplayedandprocessedthroughaWindowsapplication.Experimentresultsshowthattheperfor2mancesofthesystemcanmeettherequirementsofthefoodsterilizationdevicewithhigh2voltagepulsedelectricfield.Keywords:ISAbus;high2speeddatasampling;virtualdevicedriver1前言计算机技术可以说是日新月异，就拿处理器来说吧，几年前1GHz的主频率还是难以逾越的门槛，而现在则已经轻易地提升到了3.4GHz，预计频率再提高到4-5GHz都不会成问题。我们今天将要讨论的在计算机中有重要地位的I/O技术也没有停止前进的步伐，不过相较其它计算机技术来说，I/O技术则要显得冷静得多。自从IBMPC问世至今，虽然期间经历了包括MCA、VESA等在内的多种总线规格，但从整体来看，大致只经过了ISA和PCI总线两个阶段。ISA的发展最早的PC总线是IBM公司1981年在PC/XT电脑采用的系统总线，它基于8bit的8088处理器，被称为PC总线或者PC/XT总线。在1984年的时候，IBM推出基于16-bitIntel80286处理器的PC/AT电脑，系统总线也相应地扩展为16bit，并被称呼为PC/AT总线。而为了开发与IBMPC兼容的外围设备，行业内便逐渐确立了以IBMPC总线规范为基础的ISA（工业标准架构：IndustryStandardArchitecture）总线。ISA是8/16bit的系统总线，最大传输速率仅为8MB/s，但允许多个CPU共享系统资源。由于兼容性好，它在上个世纪80年代是最广泛采用的系统总线，不过它的弱点也是显而易见的，比如传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等。后来在PC‘98规范中，就开始放弃了ISA总线，而Intel从i810芯片组开始，也不再提供对ISA接口的支持。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。另外，在工程应用中经常需要采集微秒级甚至纳秒级高速瞬变信号，以便在计算机上对其进行处理。本文在ISA接口总线的基础上，用4块ADS7810模数转换器、4块74LS123单稳触发器等组成外围电路，实现了频率2.6MHz的高速数据采集系统。转换数据的读取是在Windows平台上，由虚拟设备驱动程序VxD完成。整个系统结构简单、设计成本低廉，有较强的适用性和可移植性。2总体方案设计2.1方案比较方案一：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。其原理方框图如图2.1所示。图2.1原理方框图方案二：采集信号经预处理后，被送入4块ADS7810转换器中，先对信号进行采样保持。然后，运行控制程序，由软件启动单稳触发器74LS123，使它们产生ADS7810转换器的启动信号，开始A/D转换。转换后的数字信号存储在数据缓冲器中，再经ISA总线读入计算机进行信号处理。数据缓冲器的地址由ISA总线的地址线和控制线经GAL16V8译码后确定。本试验通过控制A/D启动信号的产生，使4块ADS7810转换器间隔一小段时间顺次启动转换，相对缩短A/D转换时间，从而提高数据采集速率。其原理方框图如图2.2所示。图2.2原理方框图2.2方案论证方案一中硬件电路框图如图2.1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RAMIDT7130（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。方案二中主要通过4块ADS7810来完成系统中的信号采集，采集信号经过预处理后，就直接送到4块ADS7810转换器中。首先对信号进行采样以及保持，然后运行控制程序，由软件来启动单稳态触发器74LS123，使它们产生ADS7810转换器的启动信号，从而开始A/D转换。经过转换后的数字信号存储在数据缓冲器中，再经过ISA总线读入计算机进行信号的处理。数据缓冲器的地址由ISA总线的地址线和控制线经过GAL16V8译码后确定。综上所述，方案一中应用了两个单片机以及大量的I/O口资源，由于有GPS同步时钟、大量数据存储单元等模块使整个电路比较复杂，软件程序的编写上也有一定的难度，给设计者带来了较大的工作量。方案二中仅仅用了4块ADS7810以及1块GAL16V8和缓冲器就可以实现所要求的功能，这样大大地节省了单片机的资源，减少了连线，使整个电路的设计思路更加清晰。由于整体电路图相对简单，从而在软件程序上也简单了很多，设计者调试也更容易上手。2.3方案选择通过以上对两种方案的分析与论证，我们可以得出以下结论。方案一由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。用了两块单片机，占用了大量的I/O口资源，电路连接复杂，成本较高，软件程序编写起来较复杂。方案二中用4块ADS7810以及1块GAL16V8和缓冲器就可实现功能，大大地节省了资源，降低了成本。电路设计更加清晰、更加简单，设计者也容易上手，软件程序的编写也相对简单。综上所述，本设计的设计方案采用方案二。3单元模块设计3.1单元模块电路3.1.1电源模块本设计电源模块采用常用的DC+5V的电路，为ISA总线及整个系统供电。从外部接入8-10V的AC/DC电压，通过桥式整流机电容滤波后进入稳压器7805，再次滤波后由DC-OUT输出，电压为+5V，其原理图如图3.1所示。图3.1电源模块电路中C2、C4用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D1是保护二极管，当输入端短路时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏稳压器。3.1.2模数转换模块ADS7810是整个数据采集系统的核心器件，它是TI公司生产的12位数据转换器。其主要性能：①转换时间为1.25us；②输入范围为10V；③采样频率800kHz，并带有采样/保持电路；④并行数据输出，带输出锁存和三态驱动。ADS7810的工作特性：(1)给R/C加一个至少40ns宽的低电平启动A/D转换；(2)转换后的数据以二进制补码形式按最高有效位输出；(3)BUSY信号线在启动转换后跳变为低电平，并保持到转换结束；(4)在转换结束后BUSY变为高电平；(5)当BUSY为低电平时，所有的转换命令都被忽略。在每次A/D转换结束后，ADS7810开始跟踪输入信号，两次A/D转换启动命令间隔1.25us便可保证采样到新的输入信号。ADS7810有两种A/D启动控制方式，一种是由端信号控制，另一种是由R/C端信号控制。为方便设计本研究选用R/C信号控制方式。设计采集系统4块ADS7810的启动时序如图3.2所示。4块ADS7810的片选端CS分别固定接低电平，而在其R/C引脚上分别加上40ns以上的低电平。每间隔80ns启动1块ADS7810，直到第4块，然后等待这一轮A/D转换结束，接着又从第1块开始，重新启动下一轮，这样不断循环，直到数据采集结束或被中断。图3.24块ADS7810启动时序每一轮数据转换后，由第4块ADS7810的BUSY信号作为中断请求，传给ISA总线的IRQ10，触发中断服务程序读取转换数据，同时启动下一轮A/D转换。用这种方法相当于在约1.5us(80ns×3+1250ns+40ns)内采集了4个数据，相对缩短了A/D转换时间，数据采集速率达2.6MHz。3.1.3启动信号控制模块A/D转换的启动信号由单稳触发器74LS123产生。通过调节其定时电容和定时电阻的大小，可获得一定宽度的负脉冲。A/D启动信号的具体控制电路如图3.3所示。图3.3A/D启动信号控制电路计算机通过ISA总线向锁存器74LS3