基于FIFO的VXI總線(xiàn)并行A/D連續(xù)采集研究

1 引言

在工業(yè)領(lǐng)域的許多測(cè)試應(yīng)用中，特別是產(chǎn)品研制的調(diào)試階段需要對(duì)一組信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)采集記錄，以便在事后根據(jù)這組記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，或者檢驗(yàn)研制產(chǎn)品的時(shí)序是否正確。一些VXI A/D采集模塊，存儲(chǔ)容量較小，如果連續(xù)循環(huán)采集，在一次采集和下一次采集之間會(huì)丟失數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控信號(hào)，也不能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)采集數(shù)據(jù)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文在VXI總線(xiàn)并行A/D模塊上，結(jié)合FIFO，提出了一種可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集的方法。

2 VXI總線(xiàn)8通道并行A/D模塊設(shè)計(jì)

VXI總線(xiàn)8通道并行A/D模塊是A16的C尺寸寄存器基模塊。在A(yíng)16寄存器基模塊中，其訪(fǎng)問(wèn)空間限制在64字節(jié)內(nèi)，而且每次訪(fǎng)問(wèn)都必須對(duì)寄存器的狀態(tài)進(jìn)行讀取判斷，很難滿(mǎn)足高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸要求。因此在A(yíng)16空間里，實(shí)現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸，是模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在該模塊的設(shè)計(jì)中，采用大容量FIFO芯片IDT7207作為內(nèi)置緩沖器，采集數(shù)據(jù)先放在FIFO的RAM中。VXI總線(xiàn)可以將FIFO中數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)塊的形式進(jìn)行高速讀取，可以解決高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸。電路框圖如圖1所示。

圖1 電路框圖

數(shù)據(jù)采集時(shí)，本地微控制器首先通過(guò)通訊寄存器接收VXI發(fā)送的狀態(tài)設(shè)置命令，如采樣頻率、采樣方式、采樣點(diǎn)數(shù)、程控增益，然后設(shè)置相應(yīng)的寄存器后，啟動(dòng)A/D，檢測(cè)A/D狀態(tài)，并將轉(zhuǎn)換值寫(xiě)入FIFO。AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，設(shè)置相應(yīng)的寄存器，計(jì)算機(jī)通過(guò)判斷此寄存器的狀態(tài)，進(jìn)行FIFO數(shù)據(jù)的讀取。

以上的設(shè)計(jì)中，采用大容量FIFO芯片IDT7207作為內(nèi)置緩沖器，以數(shù)據(jù)塊的形式進(jìn)行高速讀取，可以實(shí)現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸。但是如果需要長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)數(shù)據(jù)采集，IDT7207的容量（32K）仍然不能滿(mǎn)足要求。一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的采集任務(wù)需要采用多次采集的方式，每次采集都需要發(fā)送啟動(dòng)命令，然后等到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，最后將A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)塊讀入計(jì)算機(jī)。在兩次采集之間要讀轉(zhuǎn)換結(jié)束的數(shù)據(jù)，還需重新發(fā)送啟動(dòng)命令，因此采集的數(shù)據(jù)是不連續(xù)的。

3 基于FIFO的連續(xù)采集實(shí)現(xiàn)原理

從上面的分析可以得出：要實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集，就不能在兩次連續(xù)采集之間有間隔。因此一種方法是讓VXI模塊的A/D轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)的讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并行進(jìn)行。當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換后，VXI模塊內(nèi)的A/D控制器負(fù)責(zé)不停的往存儲(chǔ)器中寫(xiě)入轉(zhuǎn)換后的A/D數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)異步讀出存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。先進(jìn)先出結(jié)構(gòu)FIFO能滿(mǎn)足這種要求。IDT72××系列中的IDT7207是IDT公司生產(chǎn)的一種高速、低功耗CMOS型FIFO雙端口RAM， 它的存儲(chǔ)容量為32k×9bit.，存儲(chǔ)時(shí)間為12ns。該芯片內(nèi)的雙端口RAM具有2套數(shù)據(jù)線(xiàn)，分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入和讀出功能，各自獨(dú)立的讀寫(xiě)指針?lè)謩e在讀、寫(xiě)時(shí)鐘的控制下順序地從RAM中讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)。讀、寫(xiě)指針通過(guò)RAM的最后一個(gè)單元加1回到第一個(gè)RAM單元的方式實(shí)現(xiàn)循環(huán)。比較和控制部分提供數(shù)據(jù)空標(biāo)志（/EF）和數(shù)據(jù)滿(mǎn)標(biāo)志（/FF）來(lái)防止存儲(chǔ)器滿(mǎn)時(shí)再寫(xiě)入數(shù)據(jù)的溢出操作和存儲(chǔ)器空時(shí)的存儲(chǔ)器空讀操作。而半滿(mǎn)標(biāo)志（/HF）可以用來(lái)防止數(shù)據(jù)丟失和提高數(shù)據(jù)傳送效率。其結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 FIFO芯片IDT7207結(jié)構(gòu)圖

本文中要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)數(shù)據(jù)采集而不丟失數(shù)據(jù)需要利用FIFO的這個(gè)半滿(mǎn)標(biāo)志。當(dāng)啟動(dòng)VXI模塊的A/D轉(zhuǎn)換后，計(jì)算機(jī)便監(jiān)視FIFO的狀態(tài)，看是否半滿(mǎn)。如果不是半滿(mǎn)，不做操作；如果半滿(mǎn)便讀取FIFO中的一半數(shù)據(jù)。其過(guò)程見(jiàn)下圖3。

圖3 連續(xù)采集時(shí)FIFO的數(shù)據(jù)讀取

在模塊硬件電路的實(shí)現(xiàn)中，將FIFO的空標(biāo)志、滿(mǎn)標(biāo)志和半滿(mǎn)標(biāo)志引入到VXI模塊的狀態(tài)寄存器中。從而可以通過(guò)讀地址為0X4的狀態(tài)寄存器的值來(lái)判斷FIFO的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器的狀態(tài)字如下所示：

其中D15為GND；D14為MODID*；D13為FIFO的滿(mǎn)標(biāo)志，低有效；D12為FIFO的半滿(mǎn)標(biāo)志，低有效；D11為FIFO的空標(biāo)志，低有效；D9為VXI命令寫(xiě)準(zhǔn)備好標(biāo)志，高有效；D8為VXI命令讀準(zhǔn)備好標(biāo)志，高有效；D3為READY；D2為PASSED；D0為DONE；D1,D4不確定。

4 連續(xù)采集應(yīng)用程序軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序需要定時(shí)查詢(xún)VXI模塊的狀態(tài)寄存器。Windows操作系統(tǒng)中提高了兩種級(jí)別的定時(shí)器：一般級(jí)別的定時(shí)器和高精度定時(shí)器。Sleep()和GetTickCount()是屬于一般級(jí)別的定時(shí)器，它們利用系統(tǒng)的“Tick”時(shí)間作為計(jì)時(shí)單元，定時(shí)精度為10ms。而本文設(shè)計(jì)VXI A/D采集模塊的最高采樣率為200kHZ， A/D采集模塊中的FIFO容量為32k，如果以高采樣頻率100kHZ八通道方式進(jìn)行采集，查詢(xún)定時(shí)間隔為10ms，采用Sleep()或者GetTickCount()定時(shí)時(shí)10ms誤差會(huì)使得每次定時(shí)內(nèi)約有10/1000×100×1000×8＝8k個(gè)點(diǎn)留在FIFO中。在采集過(guò)程中可能出現(xiàn)以下情形：第一個(gè)10ms定時(shí)，如果定時(shí)精確則轉(zhuǎn)換8k個(gè)點(diǎn)，由于誤差造成多轉(zhuǎn)換7999個(gè)點(diǎn)，總共轉(zhuǎn)換16k－1個(gè)點(diǎn)，F(xiàn)IFO還未半滿(mǎn)；然后再定時(shí)10ms，如果情形和第一次類(lèi)似轉(zhuǎn)換16k－1個(gè)點(diǎn)，兩次轉(zhuǎn)換后FIFO中總共存在32k－2個(gè)點(diǎn)，此時(shí)開(kāi)始讀一半FIFO數(shù)據(jù)，那么由于在讀數(shù)據(jù)中模塊還要進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，會(huì)因?yàn)镕IFO中數(shù)據(jù)未及時(shí)讀走造成FIFO滿(mǎn)而丟失數(shù)據(jù)。

Widows95以后的操作系統(tǒng)版本提供了QueryPerformanceCounter()函數(shù)和QueryPerformanceFrequency()函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的定時(shí)，并要求計(jì)算機(jī)從硬件上支持高精確計(jì)時(shí)器。在進(jìn)行定時(shí)之前，首先調(diào)用QueryPerformanceFrequency（）函數(shù)獲得計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率，然后在需要高精度定時(shí)的代碼兩端分別調(diào)用QueryPerformanceCounter()函數(shù)獲得時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，利用兩次獲得的計(jì)數(shù)值之差及時(shí)鐘頻率，計(jì)算出定時(shí)的精確時(shí)間。其定時(shí)精度為計(jì)算機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘頻率，可以達(dá)到微妙級(jí)。

因此在需要使用較高采樣率的場(chǎng)合中，須使用高精度定時(shí)。在實(shí)際的連續(xù)采集應(yīng)用中，可以將連續(xù)采集放到專(zhuān)門(mén)的工作線(xiàn)程中，與UI線(xiàn)程序分開(kāi)，避免UI線(xiàn)程以及其他線(xiàn)程的操作及消息傳遞影響連續(xù)采集工作線(xiàn)程。實(shí)現(xiàn)流程如下圖4。

圖4 實(shí)現(xiàn)流程

5 連續(xù)采集的應(yīng)用

該方法已被應(yīng)用于某裝備測(cè)控系統(tǒng)中，下圖5所示為采集完后，采集數(shù)據(jù)的回放情形。

圖5 采集數(shù)據(jù)回放

采樣數(shù)據(jù)放大后，如下圖6。

圖6數(shù)據(jù)放大

6 結(jié)束語(yǔ)

在很多的測(cè)試需求中，都需要長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)A/D采集和記錄。因此本文研制了帶FIFO的VXI總線(xiàn)A/D模塊，給出了采用該模塊實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間大容量連續(xù)A/D的有效方法，此方法已經(jīng)成功應(yīng)用到某裝備測(cè)控系統(tǒng)中。本文創(chuàng)新點(diǎn):1 研制帶FIFO的VXI總線(xiàn)A/D模塊。2 實(shí)現(xiàn)基于FIFO的VXI總線(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)采集。

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