隨著大規(guī)模集成的電路的飛速發(fā)展，PC機(jī)性能不斷提高。在PC機(jī)擴(kuò)展槽中嵌入以高性能微處理器為核心的智能型功能卡，可以組成綜合性能極佳的分布式控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)方式可充分利用微處理器的控制功能、PC機(jī)的快速數(shù)據(jù)處理能力，以及多任務(wù)工作方式等特點(diǎn)。對(duì)于這種分布式控制系統(tǒng)，主機(jī)要頻敏接收到來(lái)自擴(kuò)展卡從機(jī)所采集的數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等信息；向從機(jī)發(fā)送控制命令或處理數(shù)據(jù)等。這種主、從機(jī)之間的通訊，根據(jù)應(yīng)用條件的不同有多種方式。但在數(shù)據(jù)傳輸速度較高、數(shù)據(jù)量較大且需經(jīng)常交換信息的場(chǎng)合，采用雙口共享RAM緩沖區(qū)方式是最合適的。

為了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)微秒級(jí)甚至納秒級(jí)高速瞬變信號(hào)進(jìn)行采樣，研究了一種基于ISA總線、GPS同步時(shí)鐘、用硬件電路實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、高速尋址以及存儲(chǔ)的技術(shù)，保證了高速瞬態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。對(duì)于變化速極快、過(guò)程極短的高速瞬態(tài)信號(hào)的采集，需要高速A/D轉(zhuǎn)換單元、大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、高速尋址和快速存儲(chǔ)等。

由于所采集的信號(hào)是高頻信號(hào)，用常規(guī)則方法受到單片機(jī)本身運(yùn)行速度的限制，不僅造成成本提高，而且對(duì)高頻、遠(yuǎn)距離多路信號(hào)的信號(hào)處理增加困難，有時(shí)無(wú)法區(qū)別所采集信號(hào)的真?zhèn)巍Ｍㄟ^(guò)對(duì)8051單片機(jī)的外圍進(jìn)行有效的擴(kuò)展，采取在數(shù)據(jù)采集時(shí)由硬件實(shí)現(xiàn)采集和存儲(chǔ)，采集完畢后由8051系列單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信，比較好地解決了二者的矛盾。

筆者研制的高速數(shù)據(jù)采集板采樣頻率為20MSPS；A/D轉(zhuǎn)換字長(zhǎng)為8位，并且采樣速率可變；存儲(chǔ)容量為512K字節(jié)，符合ISA總線標(biāo)準(zhǔn)。可廣泛用于電力測(cè)量、繼電保護(hù)和故障定位等。

1 硬件系統(tǒng)基本工作原理

硬件電路框圖如圖1所示，它是由CPU1及CPU2基本系統(tǒng)、視頻閃爍ADC轉(zhuǎn)換器、高速緩存RAM、雙口RAM、地址計(jì)數(shù)器、采樣頻率控制、時(shí)序控制及譯碼電路等部分組成。

根據(jù)需要CPU采用DS80C320單片機(jī)。在時(shí)鐘頻率為33MHz條件下，單周期指令執(zhí)行時(shí)間是110納秒，充分發(fā)揮高速A/D轉(zhuǎn)換芯片的性能。DS80C320內(nèi)部有三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、二個(gè)全雙工串行口、十三個(gè)中斷源（六個(gè)外部中斷端）、二個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1。在33MHz晶振時(shí)，ALE的輸出信號(hào)頻率是8.25MHz。

CPU1主要用于數(shù)據(jù)采集、與PC機(jī)通訊；CPU2用于接收GPS時(shí)間報(bào)文，GPS時(shí)間報(bào)文可在任何時(shí)刻由CPU1從與之相接的雙口RAM2中讀取。高速雙端口RAM

IDT7130（2K×8位）、IDT7134（4K×8位），內(nèi)部具有判決電路以防止因?qū)δ骋粏卧瑫r(shí)操作而產(chǎn)生沖突。雙口RAM1

IDT7134主要用于CPU1存放采集的數(shù)據(jù)、同步時(shí)間信息及工作狀態(tài)等，供PC機(jī)定時(shí)取用，同時(shí)也接收來(lái)自PC機(jī)的命令。雙口RAM2

IDT7130其容量為2K字節(jié)，主要用于CPU1與CPU2交換GPS的同步時(shí)鐘信息。

對(duì)高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)而言，最為重要的是系統(tǒng)的分辨率、精度與通過(guò)速率。特別是系統(tǒng)通過(guò)速率，是區(qū)別高速數(shù)據(jù)采集與一般數(shù)據(jù)采集最為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。在硬件的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，則需要考慮兩個(gè)方面：（1）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間；（2）轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間［2］。

1.1 高速A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換采用閃爍ADC器件AD9048，其最大轉(zhuǎn)換速率為35MSPS，分辨率為8位。利用高速雙極工藝制造，采樣速率快，頻帶寬，無(wú)代碼遺失，輸入電容?。▋H為16pF），功耗低（為500mW）。AD9048內(nèi)部時(shí)鐘鎖定比較器可使編碼邏輯電路和輸出緩沖寄存器作在35MSPS的高速，并避免了多數(shù)系統(tǒng)對(duì)取樣保持電路（S/H）和跟蹤保持電路（T/H）的需要。數(shù)字輸入、輸出及控制電平與TTL兼容。AD589和AD741、2N3906等構(gòu)成穩(wěn)壓可調(diào)電路，提供給9048的RB、RT接地。AD9618作為輸入緩沖放大器［3］。由于AD9048的數(shù)據(jù)輸出沒有三態(tài)門控制，故在輸出加上74LS241作三態(tài)門控制。AD9048是否工作取決于輸入轉(zhuǎn)換脈沖信號(hào)，在脈沖信號(hào)上升沿取樣。轉(zhuǎn)換脈沖來(lái)自采樣頻率控制電路中的8254分頻器的輸出。

1.2 高速尋址

對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)不受CPU控制。每當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換一次后，由控制電路發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入高速緩存RAM某單元中，再使地址計(jì)數(shù)器加1，直到地址計(jì)數(shù)器記滿后產(chǎn)生采樣結(jié)束信號(hào)，封鎖RAM寫信號(hào)，利用二進(jìn)制地址發(fā)生器的最高位通過(guò)中斷方式通知主機(jī)采樣已完成。

地址計(jì)數(shù)器可根據(jù)地址位數(shù)由若干同步記有選舉權(quán)器級(jí)聯(lián)而成，五片74LS163可構(gòu)成19位地址形成電路。計(jì)數(shù)器每收到一個(gè)脈沖即產(chǎn)生一個(gè)地址。地址的初值可通過(guò)時(shí)序控制電路清零。若采用循環(huán)地址，則在計(jì)數(shù)滿后，用進(jìn)位信號(hào)迫使計(jì)數(shù)器的同步預(yù)置電平發(fā)生變化，使計(jì)數(shù)器恢復(fù)初值，進(jìn)入新一輪計(jì)數(shù)。

1.3 快速存儲(chǔ)

單片機(jī)與上位PC機(jī)間串口通訊的數(shù)據(jù)傳輸速率往往不能滿足實(shí)時(shí)要求；DMA通道最的大數(shù)據(jù)傳輸率也不超過(guò)5MB/s［1］，這顯然無(wú)法滿足本系統(tǒng)中高達(dá)20MB/s的采樣速度。為了解決高速數(shù)據(jù)采集與低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿?，在單片機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用雙端口RAM

IDT7134（圖1中RAM1）。在上位PC主機(jī)與單片機(jī)之間建立了一個(gè)4K字節(jié)大小的緩沖區(qū)，單片機(jī)只須將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的采樣值通過(guò)一個(gè)端口存放緩沖區(qū)，上位PC主機(jī)通過(guò)另一端口從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)。這樣就解決了高速采樣與低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿埽蓾M足實(shí)時(shí)采集和控制的要求。

1.4 總線控制

單片機(jī)系統(tǒng)總線上掛有若干RAM或I/O口，尋址和數(shù)據(jù)傳輸均由CPU發(fā)出指令通過(guò)系統(tǒng)總線實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集，為了提高尋址和數(shù)據(jù)傳輸速度，避免總線沖突或堵塞，必須建立局部總線。系統(tǒng)總線與局部總線應(yīng)該既區(qū)別、又統(tǒng)一，既隔離、又結(jié)合，彼此通過(guò)合理的控制邏輯聯(lián)系起來(lái)。

總線仲裁的基本原則實(shí)際就是在不同的總線請(qǐng)求時(shí)，采用不同長(zhǎng)度的讀寫周期，以使各個(gè)使用者對(duì)總線的占用時(shí)間互相交錯(cuò)，而使用者并不感覺到仲裁的存在。在內(nèi)存映射的傳輸方式中，A/D不斷地將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寫入高速緩存RAM，CPU根據(jù)數(shù)據(jù)處理的需要從高速緩存RAM讀取數(shù)據(jù)至雙口RAM1，雙口RAM1還需要將所有單元刷新一遍。這三種操作都要占用卡上的數(shù)據(jù)、地址總線。但它們發(fā)生的時(shí)間是隨機(jī)的，因此對(duì)總線的占用必然會(huì)產(chǎn)生沖突，總線仲裁電路的功能就是對(duì)這三種操作進(jìn)行協(xié)調(diào)。這里，通過(guò)五片74LS241二選一開關(guān)協(xié)調(diào)地址計(jì)數(shù)器與CPU1對(duì)高速緩存RAM讀地址的沖突，二片74LS241協(xié)調(diào)高速緩存RAM與AD9048和雙口RAM之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突。

1.5 PC總線接口技術(shù)

PC系統(tǒng)總線對(duì)4KB的雙口RAM尋址是一個(gè)難點(diǎn)。本數(shù)據(jù)采集卡采用PC總線，又稱8位ISA總線。它使用靈活，便于同8位單片機(jī)構(gòu)成接口電路。有62條引線，分五類：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、輔助與電源線。本數(shù)據(jù)采集卡只用了其中一部分引線：8條數(shù)據(jù)線、10條地址線、IOR和IOW控制線、電源線。譯碼電路詳細(xì)框圖如圖2。

本數(shù)據(jù)采集卡使用308H、309H、30AH三個(gè)口地址實(shí)現(xiàn)在板緩存4KB的尋址。這里的譯碼電路使用了GAL20V8和兩片74HC574。當(dāng)PC機(jī)要訪問(wèn)某一地址時(shí)，首先寫入雙口RAM的低8位地址。此時(shí)GAL20V8的輸出信號(hào)選中74HC574（右），將PC-DB上的數(shù)據(jù)鎖存，形成雙口RAM的低8位地址Addrl；然后寫入雙口RAM的高8位地址。GAL20V8的輸出信號(hào)選中74HC574（左），將PC-DB上的數(shù)據(jù)鎖存，形成雙口RAM的高8位地址Addrh。最后通過(guò)選中雙口RAM的片選端cs，完成一次數(shù)據(jù)的讀/寫過(guò)程。

1.6 采樣頻率控制電路

采樣頻率挖掘電路是由晶振、可編程分頻器8254及一些控制電路組成。8254是可編程分頻器，工作頻率在8MHz～20MHz。通過(guò)不同的分頻數(shù)，可以輸出不同頻率，分頻數(shù)在值為2～65535。它的輸出由觸發(fā)控制電路控制。其輸出時(shí)鐘分別送往地址計(jì)數(shù)器、高速緩存RAM的寫信號(hào)控制電路及AD9048的轉(zhuǎn)換脈沖輸入端。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的主要功能是為用戶提供一個(gè)良好的操作環(huán)境，及時(shí)響應(yīng)用戶的命令。用戶操作界面采用Vi-sual

basic語(yǔ)言編寫。通過(guò)采用一系列命令。用戶操作界面采用Visual

basic語(yǔ)言編寫。通過(guò)采用一個(gè)系列命令按鍵，將電力系統(tǒng)采集到的實(shí)際信號(hào)的波形、故障發(fā)生的時(shí)刻等映射到計(jì)算機(jī)屏幕上，用戶可以對(duì)采集到的信息有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。用軟件虛擬硬件操作界面，可以充分利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算功能、靈活多變的軟件優(yōu)勢(shì)和VGA強(qiáng)大的顯示功能。為便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和軟件復(fù)用，整個(gè)軟件分為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能模塊，模塊內(nèi)代碼封裝，相互之間設(shè)立統(tǒng)一的接口規(guī)范。

由于本系統(tǒng)中不僅有高層次、面向磁般文件的操作，也有許多直接控制硬件的操作，采用了TURBO

C和匯編語(yǔ)言混合編程技術(shù)，各模塊根據(jù)操作對(duì)象采用適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言。這樣可以同時(shí)利用高級(jí)語(yǔ)言編程方便、結(jié)構(gòu)性好、匯編語(yǔ)言快速、靈活、針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。

硬件驅(qū)動(dòng)程序用于完成對(duì)硬件的操作，全部采用匯編語(yǔ)言編寫。使用系統(tǒng)前，先運(yùn)行本程序，程序修改PC機(jī)系統(tǒng)中斷，運(yùn)行后常駐內(nèi)存，和主程序的接口通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軟中斷形式。

高速圖形單元是對(duì)PC機(jī)VGA寄存器和顯示存儲(chǔ)器的直接操作，通過(guò)調(diào)用相關(guān)函數(shù)和VGA圖形庫(kù)，以較快速度將采樣信號(hào)顯示出來(lái)。

數(shù)據(jù)分析單元主要是對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行后處理，可以完成小波變換、信號(hào)奇異性檢測(cè)、譜分析和相關(guān)分析等數(shù)據(jù)處理功能，并通過(guò)波形輸出單元同時(shí)將時(shí)域信號(hào)和分析結(jié)構(gòu)用曲線顯示來(lái)出。

整個(gè)系統(tǒng)提供給用戶的是一個(gè)基于WINDOWS的快速圖形操作界面，系統(tǒng)主控程序協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，控制硬件自動(dòng)運(yùn)行。在系統(tǒng)界面上包括用于波形顯示的高速視口和命令按鍵等，可以通過(guò)簡(jiǎn)單操作直觀地觀察實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)波形、幅值和故障發(fā)生的時(shí)刻。同時(shí)提供了對(duì)外的軟件接口，用戶可以按照規(guī)定的格式組織數(shù)據(jù)，利用本系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能處理數(shù)據(jù)。

本高速采集卡具有采樣速率高、運(yùn)行方式靈活、同步時(shí)鐘精度高并符合ISA總線標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)。以DS80C320單片機(jī)為核心，采用GPS同步時(shí)間，配合適當(dāng)?shù)耐鈬O(shè)備及合理的總線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。同時(shí)兼有數(shù)字存儲(chǔ)示波器功能和數(shù)據(jù)分析能力，可以廣泛用于電力測(cè)量、電力系統(tǒng)故障定位和繼電保護(hù)領(lǐng)域。