超高速双模式数据采集卡的设计.pdf

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1、 2008年 第 8期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2008 No18 收稿日期:2007-07-22 收修改稿日期:2008-05-10超高速双模式数据采集卡的设计许锦峰,陈炳泉(苏州大学物理科学与技术学院,江苏苏州 215006)摘要:设计了一种基于 PCI总线的超高速数据采集卡。该数据采集卡采用外部或者内部 2种触发方式,利用 2片 14位模数转换芯片 ADS5547,对一路模拟信号进行双通道交叉采集可获得 420M SPS的采集速率或以 210MSPS速率对 2路不同的信号交叉采集;采集到的数字信号经过数字信号处理,缓存于数

2、据采集卡并通过数字存储示波方式实时查看,或者选择硬盘存储方式进行数据的大容量存储。结合硬件描述语言实现数据处理和控制电路的设计,并基于 PCI总线实现采集数据的 DMA 接口传输。该数据采集卡利用双模式结构实现了超高速数据采集与大容量实时存储与处理的功能。关键词:交叉采样;双模式;数字存储示波;硬件描述语言;PCI总线接口中图分类号:TP212112 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2008)08-0095-03Design ofU ltra H igh-speed Data Acquisition Card w ith Dua-lmodeXU Jin-feng,CHEN Bin

3、g-quan(School of Physics,Soochow University,Suzhou 215006,China)Abstract:A piece of ultra high-speed PCI data acquisition cardwas designed.The card used external triggering signals and m i pu-lses or internal triggering signals to initialize card behaviors.Two pieces of14-bitA/D converter chipsADS55

4、47 enabled a crossing sa m-pling rate of 420MSPS to a single analog input signalor a non-crossing sa mpling rate of 210 MSPS to two signals fro m the two channels.The digitalized data,afterDSP,were cached on the cardme mory to be analyzed further through digitalstorage oscilloscope designed insoftwa

5、re,other wise stored into the high-speed hard disk throughHS HD interfaces.The data process and card control circuitswere rea-lized by hardware description language,and the D MA interface trans missionwas realized based on the PCI interface.The data acquisitioncard co mbines ultra high-speedwith hig

6、h capacity memory and rea-l tm i e process in a dual functioningmode.K ey words:crossing sa mpling;dualmode;digital storage oscilloscope;hardware description language;PCI interface0 引言数据采集卡是数据采集与信号处理系统的关键部分 1。要求不高的应用场合,大多采用采集速率低于 10 MS/s的中、低速数据采集卡;采集速率达到 10MS/s以上的高速或超高速数据采集卡,则主要应用在要求较高的系统中。目前,国内高速率、

7、高分辨率的数据采集系统 2-3的研究发展很快,但与国际先进水平 4-6还有一定的差距。基于以上原因,利用高速模数转换芯片 AD5547,在超高速数据采集系统方面作了一些研究,设计了 14位分辨率的超高速数据采集卡。该数据采集卡采用多种触发方式,结合虚拟示波器技术 7,可以实现 210M S/s/420MS/s双通道全速采样,满足高端应用的需求。1 数据采集卡的硬件功能结构数据采集卡硬件结构主要由 7大部分组成:信号调理电路、模数转换电路、采样时钟产生电路、外部触发和脉冲整形电路、PCI总线接口电路、采集卡存储电路和逻辑控制芯片电路,实现两通道模拟信号输入,其结构框图如图 1所示。信号调理电路

8、8允许的输入模拟信号电压为 2 VP-P,输入阻抗可进行 508/1M8 2挡切换。信号经过衰减电路、单端)差分转换电路、抗混迭滤波电路输出 2 2 V的信号。模数转换电路采 用 2片高 性能的 14位 210MSPS 芯片ADS5547 9。该模数转换芯片带宽 800MH z,流水线结构,内置采样保持器。设计采用 COMS并行输出方式,串行配置内部寄存器。利用 ADS5547的差分时钟驱动方式,并配合输入信号调理电路,可以实现 2路不同输入信号的非交叉采样,或者单路输入信号的双通道交叉采样,最高采样速率可达 420MSPS.采样时钟产生电路,由 SY89429A 芯片产生 ADC需要的反相时

9、钟信号。SY89429采用串行配置方式,输出差分 PECL 电平,外部参考时钟为 16MHz.外部触发和脉冲整形电路 5-10负责对外部触发和脉冲进行电平 转换,使其 能被 后端 电路 识 别。该 电 路由 比较 器AD8561和 AD8564组成。PCI总线 11接口电路完成数据采集卡局部总线信号与上位机 PCI总线信号的翻译功能,芯片选用 PCI9054.在数字存储示波采集模式下,数据采集卡存储电路负责数据的缓冲存储,为上位机读取数据提供服务。电路采用 512 k字节的双端口 RAM 芯片 I DT72V2113 12作为数据存储器。2个通道的数 据分别从 2片 RAM 的一端 写入,上位

10、机 通过PCI9054从 2片 RAM 的另一端读出数据。逻辑控制芯片电路是数据采集卡实现各种功能的核心电路。它负责采集卡数据的输送、处理、各个功能电路的配置以及 PCI接口信号译码工作。电路选用 EP M 7256A芯片 13完成逻辑各个功能。96 InstrumentTechnique and SensorAug12008 图 1 数据采集卡结构框图2 数据采集卡的逻辑控制设计数据采集卡的逻辑功能电路可分为 8部分:ADC输出数据相位调整电路、数字信号处理电路、PCI9054译码及数据采集卡控制电路、内触发产生电路、SY89429A 控制电路、外脉冲定时计数电路、硬盘存储控制电路和数字存储

11、示波器控制电路。ADC输出数据相位调整电路 5具备 2种工作模式:相位调整模式与非相位调整模式。在相位调整模式下,电路对来自前端模数转换电路的输出数据信号进行数据相位调整,使第一信道数据相位在第二通道数据相位之前,保证后端电路接受到确定相位的数据信号,防止数据丢失。电路逻辑设计采用异步复位状态机,在空闲态、有相位调整态及无相位调整态之间切换。数字信号处理(DSP)电路逻辑功能如图 2所示。该电路由DSP电路控制,对 2路 ADC采集的数据进行数字信号处理,实现数字信号抽样和滤波功能。数字信号处理电路由上位机通过 PCI接口电路进行配置。图 2 数字信号处理电路 第 8期许锦峰等:超高速双模式数

12、据采集卡的设计97 PCI9054译码及数据采集卡控制电路主要包括 FIFO RAM(先进先出存储器)片选电路、读写使能信号译码电路、数据采集卡状态寄存器组、数据采集卡状态控制寄存器组、局部中断控制器、外脉冲定时计数电路。内触发产生电路负责产生启动后端电路的内触发信号,使电路的状态变化与输入的数据时钟频率一致。电路的输入信号来自数字信号处理电路,该信号与所设置触发条件进行比较。如条件满足,则内触发信号有效。SY89429A 控制电路接收来自 PCI的配置信号,为差分时钟产生单元芯片 SY89429A提供串行控制信号。外脉冲定时计数电路包括 3路结构相同的定时、计数电路。外脉冲信号进入变换电路,

13、输出与参考时钟同步的信号,并保持 1 2个高频参考时钟周期。定时计数器在起动信号有效时开始对定时参考时钟计数,当脉冲信号上升沿来时,将此时的计数结果压入 FIFO 中。当 FIFO 中的数据达到一定量时,电路将产生局部中断信号,上位机读出 FIFO 中数据,从而保证数据实时地传送。上位机根据数据采集卡的数据采样模式和存储方式,从 2路硬盘使能信号和 2路写 RAM 使能信号中选择电路的起动和停止信号。硬盘存储控制电路实现数据采集卡的大量数据存储功能,可选择外触发、内触发及软件触发 3种触发方式。电路的工作方式分为交叉采样方式和非交叉采样方式,由信号采样模式决定。数据采集卡工作在交叉采样方式时,

14、2路硬盘存储控制电路中,一路工作在非交叉采样状态,而另一电路中的触发控制电路通过内部多路选择器选择触发信号。数字存储示波控制电路用于实现数据采集卡的数字存储示波器功能,其框图如图 3所示。电路受触发控制电路控制,初始时设置了触发前地址发生器和触发后地址发生器的地址范围。电路工作方式分为交叉采样方式和非交叉采样方式,由采样模式输入信号决定。数据采集卡工作在非交叉采样方式时,2路数字存储示波器控制电路独立工作。当采集卡允许触发时,在触发信号未到来之前,触发控制电路通过触发前地址发生器的使能信号触发前地址发生器,使触发到来前的数据存入数据采集卡上的缓冲存储器。当触发信号到来时,触发控制电路停止触发前

15、地址发生器使能信号,使该地址发生器输出地址保持不变,并通过触发后地址发生器使能信号触发后地址发生器。上位机响应中断后,根据不同的触发方式(前触发方式,预触发方式,后触发方式)读取数据采集卡上的缓冲存储器中的数据。数据采集卡工作在交叉采样方式时,2路数字存储示波器控制电路,有一路工作在非交叉采样状态,另一路中的多路开关 MUX1、MUX3均选择非本电路产生的 RAM 使能信号及写RAM 地址信号。上位机根据前者的状态信号读取 2个通道的存储器中的数据。图 3 数字存储示波控制电路3 硬件驱动程序设计为了实现上位机对数据采集卡的控制,必须设计相应的数据卡硬件驱动程序。驱动程序是数据采集卡与上位机操

16、作系统直接交互的程序,直接影响到采集数据的分析结果以及操作系统的稳定性。该设计的驱动程序基于 DriverStudio驱动程序开发环境开发,主要实现的功能有:初始化数据采集卡的控制寄存器并提供控制寄存器的访问接口;数据采集卡工作在数字存储示波模式时,响应触发结束中断,并自动按照应用程序所需触发方式读出存储器中的数据;响应定时器、计数器数据读取中断,并自动以 D MA传输方式将读取数据。4 应用软件程序设计应用程序通过利用硬件驱动程序触发结束后读取存储器件数据功能来获取数据,也可对数据采集卡上(下转第 103页)第 8期苑玮琦等:道路划线车基准线检测方法与检测装置的研究103 判断大约需要 8个

17、时钟周期(200 ns左右),存储像素大约需要7个时钟周期(175 ns左右),总计大约 15个时钟周期(375 ns左右),而 OV7670的输入时钟为 24MHz,所以要对 OV7670的输入时钟进行八分频来产生像素时钟(3MHz,333ns),这样仍无法实现 DSP与传感器之间同步工作。试验发现,采集到的图像为正常图像的长度,宽度为正常图像一半,视觉上相当于把原图像每行隔一个像素去掉一个值,这样实际图像相当于被压扁了一半,而抽掉的部分又完整地排在此压扁图像的后面,构成与原图像大小相等的 2个压缩图像,视觉上是 2幅同样的图像,是因为相邻像素的灰度值不会突变,所以视觉上是一样的。经分析可知

18、,导致上述现象的原因应该是信号处理器的处理速度较慢,而图像传感器的像素输出速度相对较快,采集时隔一个丢失 1个像素。文中提出一种存储像素数据的新方法,就是连续采集 2次丢失像素的图像存储到一幅图像中,即将采集的第一幅图像的像素灰度值分别存储到图像的每行的奇数位置,第二次采集时先延时 1个像素时钟,再存储到图像每行的偶数位置,这样就可以得到一幅不失真的正确图像,从而实现了低速采集。313 图像信息的存储由于该装置的后续部分还可以继续开发电机控制,实现划线车的自动检测跟踪功能,因此选用具有数字控制功能的处理器 TM S320LF2407A,但是 T M S320LF2407A 只有 2.5 k字的

19、内部存储器,对于存储 60 200的数字图像的全部信息是不够的,并且整个图像的有用信息不多,大部分都是路面图像。如果对整幅图像全部处理,还影响图像处理的速度。这里在读取传感器输出的图像像素时钟时就对每行的像素灰度值进行上文提到的新型二值化处理,在处理器的存储器中只存储图像二值化后信息中的灰度值为 1(直线上的亮点与噪声点)的像素的位置信息,相当于每行存储 6个数据,这样可由原来存储 12 000个数据,缩小为存储 1 200个数据,所需存储器空间还不到 112k,大大减少了对处理器内存的需求,还不至于存储一些无用的信息,这里存储的特征点信息在后续图像处理中还可以恢复成二值化后的图像。4 结束语

20、根据以上检测方法开发的检测装置经过样机测试能正确显示出划线车行驶的偏转方向与角度,对自动化程度高的划线机的发展有重要意义。经过试验,得出如下结论:(1)该检测方法对于检测划线车相对于基准线偏转角度的精度为 013b,基本能准确提取出基准线所在直线,得出正确的偏转角度;(2)通过两次采集图像的重组,能得到不失真的完整图像信息,实现了低速采集;(3)该方法只存储基准线的特征点信息,只需要 112 k字的存储空间,大大降低了对存储器内存的需求,降低了成本。参考文献:1 魏明.公路划线车油漆喷头左右运动自动控制系统.中国仪器仪表,1998(6):35-36.2 刘刚,周峰,李玉霞.公路画线计算机辅助标

21、识系统初探.河南交通科技,2000,20(6):52-54.3 陈震,高满屯,杨声云.基于 Hough变换的直线跟踪方法.计算机应用,2003(10):30-32.4 王翥,佟晓筠.一种新型彩色图像读取传感器芯片.仪表技术与传感器,2004(7):31-33.5 OV7670 P roduct Specifications.V ersion 1.3 EB/OL.2006-05-05.http:M.作者简介:苑玮琦(1960),教授,博士生导师,博士后,主要研究方向为机器视觉和生物特征识别。E-ma i:l whuili1980 (上接第 97页)的存储器直接进行读写。主要包括 3个层次:PCI

22、9054芯片寄存器控制;数据采集卡控制寄存器和状态寄存器以及用于传输定时结果的双端口存储器控制;数据采集卡的双端口存储器的控制。5 结束语该数据采集卡采用双数据存储方式、双触发方式以及双数据采样模式实现了 210MS/s/420M S/s的双工作模式、超高速、14 bit分辨率的双通道数据采集。数据传输线上的阻抗匹配保证了数据采集卡的信号完整性,PCI总线接口的 DMA 传输方式提高了数据传输速率,并且用硬件描述语言实现了硬件电路控制功能。参考文献:1 马建明.数据采集与处理技术.2版.西安:西安交通大学出版社,2005.2 邹林,汪学刚.400 MHz高速数据采集系统的设计与实现.电讯技术,

23、2004,4(4):121-124.3 李衍忠,向敬成.双路 100MHz高速数据采集系统的设计与实现.系统工程与电子技术,2000,5(22):90-92.4 TOLEDO J,MORA F J,MullerH.Past,present and future of data ac-quisition systems in high energy physics experi ments.M icroprocessorsandM icrosystem s,2003(27):353-358.5 LEVCHANOVSKY F V,LI TV I NENKO E I,NI K IFOROV A S,

24、et a.lSoftware modules ofDAQ PCIboard(D eL i DAQ)for positive-sens-itiveMWPC detectors with delay line readout.Nuclear I nstruments andM ethods in PhysicsR esearch A,2006(569):900-904.6 SAYKO N A,PONOMAREV A G,Drozdenko A A.Beam scanning controland data acquisition on the Su my nuclearm icroprobe.Nu

25、clear Instru mentsandM ethods in PhysicsResearch B,2007(260)101-104.7 王秀芳,郝建勋.虚拟示波器的设计与实现.仪器仪表学报,2005,8(26):253-254.8 BAKER B C.The selection of filters for DAQ s.E lectronic Design&ApplicationWorld,2004,11(11):115-117.9 T exas Instruments.ADS5547.2006,11,SLWS192.10 JI ANG YU,JI ANG Y,XI AO P F,et a

26、.l Application of fpga technologyin high speed data sampling.Chinese Journal ofM agnetic Resonance,2001,9(3):269-274.11 PLX Technology Inc.PCI 9054 Data Book V ersion2.1.2000,1,ver.2.1.12 I DT.I DT72V2103-I DT72V2113.2003,7.13 A lter.MAX7000A Programmable Log ic D evice.2003,9,ver.4.5.作者简介:许锦峰(1982),硕士研究生,主要研究方向是智能仪器设计与自动化检测技术。E-M ai:l jef.f hsu82 gma i.l com