A/D數(shù)據(jù)采集是數(shù)字信號(hào)處理中的重要環(huán)節(jié),，針對(duì)不同任務(wù)，數(shù)據(jù)采集要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)也不同,。對(duì)于瞬態(tài)信號(hào),、雷達(dá)信號(hào)和圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)采集一般都要求速度在2 MB/s～80 MB/s之間。目前流行的數(shù)據(jù)采集卡一部分是基于ISA總線的,，但其最大缺點(diǎn)是傳輸速率低,不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸,；另一部分是基于PCI/CPCI總線，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備間的快速訪問,而且33 MHz/32 bit的PCI/CPCI總線可以實(shí)現(xiàn)132 MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率,。但是PCI/CPCI總線沒有同步機(jī)制,，不能很好地滿足需要多個(gè)設(shè)備同步工作的特定場(chǎng)合。

    面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)[1]是一種全新的開放性,、模塊化儀器總線規(guī)范,。PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與Compact PCI的堅(jiān)固性、模塊化及機(jī)械封裝特性,，通過增加用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘,、用于進(jìn)行精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線來滿足試驗(yàn)和測(cè)量用戶的要求，適合于試驗(yàn)和測(cè)量,、自動(dòng)化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域,。
    本數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)思想是利用已有的同類ISA插卡，將ISA插卡移植到CPCI總線上,，作為PXI測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)功能模塊,，響應(yīng)零槽控制器發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)。
1 PXI總線規(guī)范介紹
    PXI總線是一種由美國(guó)國(guó)家儀器公司發(fā)布的堅(jiān)固的基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化總線,。它是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及Compact PCI為基礎(chǔ)再加上一些PXI特有的信號(hào)組合而成的一個(gè)總線架構(gòu),。PXI繼承了PCI的電氣信號(hào)，使得PXI擁有如PCI Bus的極高數(shù)據(jù)傳輸能力,，因此具有高達(dá)132 MB/s～528 MB/s的傳輸性能,，在軟件上是完全兼容的。另一方面,，PXI采用與Compact PCI一樣的機(jī)械外型結(jié)構(gòu),，因此同樣具有高密度、堅(jiān)固外殼及高性能連接器的特性,。
    PXI總線通過增加專門的系統(tǒng)參考時(shí)鐘,、觸發(fā)總線,、星形觸發(fā)和模塊間的局部總線來滿足高精度定時(shí),、同步和數(shù)據(jù)通信要求,。PXI不僅在保持PCI總線所有優(yōu)點(diǎn)的前提下增加了這些儀器特性，而且可以比臺(tái)式PCI計(jì)算機(jī)多提供3個(gè)儀器插槽,，使單個(gè)PXI總線機(jī)箱的儀器模塊插槽總數(shù)達(dá)到7個(gè),。
    PXI主要電氣特性如下：
    (1) 10 MHz參考時(shí)鐘
    PXI規(guī)范定義了一個(gè)低歪斜的10 MHz參考時(shí)鐘。該參考時(shí)鐘位于背板上,，并且分布至每一個(gè)外設(shè)槽,，其特色是由時(shí)鐘源開始至每一槽的布線長(zhǎng)度都是等長(zhǎng)的，因此每一外設(shè)槽所接受的時(shí)鐘都是相同相位的,，這對(duì)多個(gè)儀器模塊的同步來說是一個(gè)很方便的時(shí)鐘源,。
    (2) 局部總線
    PXI局部總線是菊花鏈總線，它連接每個(gè)外圍插槽及其相鄰槽,。某個(gè)槽的右側(cè)局部總線連接其相鄰槽的左側(cè)局部總線,，以此類推。每個(gè)本地總線寬度為13 bit,，可用于在模塊之間傳輸模擬信號(hào)或提供高速邊帶通信路徑,，并不會(huì)影響PXI的帶寬。局部總線信號(hào)的分布范圍包括從高速TTL信號(hào)到42 V的模擬信號(hào),。
    (3) 星形觸發(fā)
    PXI星形觸發(fā)總線為PXI系統(tǒng)用戶提供了超高性能的同步功能,。星形觸發(fā)總線在第一個(gè)外圍插槽(系統(tǒng)插槽的相鄰槽)和其他外圍插槽之間實(shí)現(xiàn)一個(gè)專用觸發(fā)總線，用戶可在第一個(gè)插槽安裝一個(gè)可選的星形觸發(fā)控制器,，為其他外圍模塊提供非常精確的觸發(fā)信號(hào),。
    (4) 觸發(fā)總線
    PXI規(guī)定了8條靈活的公共觸發(fā)總線，在背板上從系統(tǒng)槽連接到其余的外設(shè)槽,，為所有插在PXI背板上的儀器模塊提供了一個(gè)共享的溝通管道,。這個(gè)8 bit寬度的總線可以讓多個(gè)儀器模塊之間傳送時(shí)鐘信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)特定的傳送協(xié)議,。
2 PXI A/D數(shù)據(jù)采集模塊功能及電路設(shè)計(jì)
2.1 PXI A/D數(shù)據(jù)采集模塊
　    本文中的A/D數(shù)據(jù)采集模塊是基于PXI測(cè)試系統(tǒng),、應(yīng)用于地面單元測(cè)試的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其主要技術(shù)指標(biāo)包括：數(shù)據(jù)采集分辨率為12 bit,；A/D轉(zhuǎn)換器采樣率為100 kHz,；具有8路模擬量輸入；通過CPCI總線高速傳輸數(shù)據(jù),；觸發(fā)控制功能由CPLD完成,能夠響應(yīng)PXI總線觸發(fā)信號(hào),。PXI A/D數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    該數(shù)據(jù)采集模塊主要由三部分構(gòu)成：A/D采集電路,、ISA/CPCI總線轉(zhuǎn)換電路和儀器總線控制電路,。
    A/D采集電路主要用于完成模擬信號(hào)的采集及其到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
    ISA/CPCI總線轉(zhuǎn)換電路的作用是通過一個(gè)PCI橋設(shè)備將A/D采集電路中的ISA總線和背板的CPCI總線相連,使采集到的數(shù)據(jù)可以在CPCI總線上得到高速傳輸,。
    儀器總線控制電路主要功能：(1)響應(yīng)觸發(fā)信號(hào),；(2)控制A/D采集電路通道,；(3)產(chǎn)生PXI I/O模塊控制信號(hào)。
2.2 PXI A/D板總線接口電路
2.2.1 PCI橋設(shè)備PCI9052
    PLX公司生產(chǎn)的PCI9052[2]是一種功能強(qiáng),、使用靈活的PCI總線控制器專用芯片,，該芯片符合PCI局部總線規(guī)范，可作為PCI總線目標(biāo)設(shè)備(從設(shè)備),，實(shí)現(xiàn)基本的傳送要求,，且PCI9052的峰值傳送速率高達(dá)132 MB/s。
    通過對(duì)PCI橋設(shè)備寄存器的設(shè)定,可將PCI9052設(shè)定為ISA接口模式,。在此情形下,，通過8 bit或16 bit內(nèi)存和I/O映射，可使ISA總線直接與CPCI總線相連,。
2.2.2 PCI9052的ISA接口模式
    PCI9052在ISA模式下的信號(hào)連接如圖2所示,。

    ISA端連接如下:由于PXI A/D模塊中只涉及對(duì)I/O的操作，且為16 bit寬的數(shù)據(jù),，因此,，MEMWR＃、MEMRD＃,、SBHE＃和BALE信號(hào)可以不用,。LAD[15:0]是16 bit的數(shù)據(jù)總線。LA[23:2]和ISAA[1:0]共同組成ISA的地址總線,，對(duì)于16 bit數(shù)據(jù)線,，每次讀寫2 B，這時(shí)ISAA[0]不用,，ISAA[1]和LA[23:2]一起進(jìn)行地址譯碼,。需要注意的是，并不是所有的地址線都要進(jìn)行地址譯碼,，必須根據(jù)板卡上實(shí)際I/O端口空間的大小選擇譯碼地址線的數(shù)目,。
   IORD＃和IOWR＃是ISA總線端的讀寫信號(hào)。LCLK是ISA端時(shí)鐘信號(hào),，按芯片要求外接8 MHz的時(shí)鐘,。LRESET＃是PCI9052芯片上電時(shí)PCI端復(fù)位后所發(fā)出的對(duì)ISA端進(jìn)行復(fù)位的信號(hào)，在ISA模式下該信號(hào)輸出高有效,。
   LINTi1和LINTi2是局部總線中斷輸入信號(hào),，本文中對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行了上拉處理。NOWS＃是無等待標(biāo)志信號(hào),，對(duì)此引腳進(jìn)行了上拉處理以減少等待時(shí)鐘數(shù),。LRDY＃是局部準(zhǔn)備就緒信號(hào)，一般對(duì)它進(jìn)行下拉或接地處理,。CHRDY是局部通道準(zhǔn)備好信號(hào),，一般要進(jìn)行上拉處理,。LHOLD是局部總線請(qǐng)求信號(hào)，進(jìn)行下拉或接地處理,。MODE是模式選擇信號(hào)，由于設(shè)計(jì)中使用的是ISA非復(fù)用模式,，因此該引腳接地,。
　在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，嚴(yán)格遵循了CPCI規(guī)范,。電源和地線要盡可能寬且電源濾波良好,，在芯片的每個(gè)電源引腳接了0.1 μF的濾波電容。由于PCI時(shí)鐘信號(hào)的一半要靠反射波來提升,，因此,，根據(jù)PCI規(guī)范要求，設(shè)備模塊上的PCI時(shí)鐘信號(hào)走線長(zhǎng)度保證為2 500 mil(1 mil=0.025 4 mm),。
2.2.3 串行EEPROM的配置  
    與ISA總線相比,，PCI總線支持三個(gè)物理空間：存儲(chǔ)器地址空間、I/O地址空間和配置空間,。配置空間是PCI所特有的一個(gè)空間,，所有的PCI設(shè)備必須提供配置空間。PCI9052芯片的配置寄存器內(nèi)容是在芯片復(fù)位時(shí)通過串行EEPROM加載,。串行EEPROM存儲(chǔ)了PCI9052的配置信息,，諸如設(shè)備號(hào)DID、制造商號(hào)VID,、子設(shè)備號(hào)SDID,、子制造商號(hào)SVID、中斷號(hào),、設(shè)備類型號(hào),、局部空間基地址、局部空間描述符,、片選響應(yīng)以及局部響應(yīng)控制CNTRL等信號(hào),。
    系統(tǒng)加電時(shí)，通過PCI的RST復(fù)位,，PCI9052首先檢測(cè)EEPROM是否存在,。如果檢測(cè)到EEPROM首字不是FFFFH，PCI9052將依次讀取EEPROM的內(nèi)容來初始化內(nèi)部寄存器,。PCI BIOS根據(jù)配置寄存器的內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)資源分配,，使整個(gè)PCI系統(tǒng)的資源避免沖突，從而實(shí)現(xiàn)PCI總線的即插即用特性,。
　按照A/D數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)要求,，用于解碼的ISA地址線為A[9:1],，用于對(duì)A/D操作的I/O口地址范圍是0x300H～0x304H,對(duì)應(yīng)的ISA地址編碼是0x300H～0x306H。
    各控制端口地址對(duì)應(yīng)的操作如表1所示,。

    由上可知,，PCI9052的ISA端對(duì)I/O操作的基地址可設(shè)為0x300H。根據(jù)PCI9052設(shè)計(jì)規(guī)范,，要訪問ISA端的0x300H～0x304H I/O端口,，局部總線空間1尋址范圍必須設(shè)為16 B，但實(shí)際上只用到3個(gè)端口(即0x300H,、0x302H,、0x304H),故將ISA總線寬度設(shè)為16 bit。PCI9052局部地址空間1的各寄存器的初始值如表2所示,。
    在ISA模式下,，串行EEPROM是不能忽略的，且局部空間1必須映射為I/O空間,，局部空間0必須映射為內(nèi)存空間,，本數(shù)據(jù)采集模塊只用到了I/O空間。根據(jù)規(guī)范,，沒有用到的局部空間相應(yīng)的寄存器可以全部設(shè)置為零,。此外，在ISA模式下雖然不存在片選信號(hào),，但必須設(shè)置它為一個(gè)合適的值,，使它的值與局部空間1的基地址和范圍相匹配；否則,，局部地址空間無法響應(yīng)PCI的控制指令,。
　根據(jù)PCI9052設(shè)計(jì)規(guī)范，配置芯片必須能連續(xù)讀寫,，否則系統(tǒng)無法正常工作,。本模塊采用的是MicroChip公司的93LC46B，具有連續(xù)讀寫功能,，容量1 KB,，按64×16 bit配置。
2.3 A/D采集電路
　A/D采集電路由模擬多路轉(zhuǎn)換器,、精密放大器,、A/D轉(zhuǎn)換器及驅(qū)動(dòng)電路等部分構(gòu)成， 其工作結(jié)構(gòu)流程圖如圖3所示,。

　模擬多路轉(zhuǎn)換器將采集到的一路模擬信號(hào)經(jīng)放大器放大后,，通過A/D變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給驅(qū)動(dòng)電路。可編程邏輯器(GAL)主要提供一個(gè)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)給A/D轉(zhuǎn)換器,。
    A/D轉(zhuǎn)換器是A/D采集電路的關(guān)鍵器件,，本設(shè)計(jì)采用美國(guó)ADI公司的高性能12位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674[3]。該芯片內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA),、10 V基準(zhǔn)電壓源,、時(shí)鐘源以及可與微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器，12 bit的采樣分辨率,，采樣頻率為100 kHz,，有全控模式和單一工作模式兩種操作模式，支持四種單極或雙極電壓輸入(±5 V,、±10 V、0～10 V和0～20 V),。本模塊設(shè)計(jì)采用單一工作模式,，單極性電壓輸入。
2.4 CPLD觸發(fā)控制電路
2.4.1 CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)
    CPLD的主要功能包括：響應(yīng)由零槽控制器發(fā)出的PXI觸發(fā)信號(hào),；產(chǎn)生使能信號(hào),，控制數(shù)據(jù)采集電路通道的開啟與閉合；產(chǎn)生I/O板控制信號(hào),，并將控制信號(hào)傳送給I/O板,。其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的邏輯電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    在零槽控制器上通過軟件向觸發(fā)總線寫入觸發(fā)信號(hào),，CPLD響應(yīng)觸發(fā)信號(hào)后,，將輸出一使能信號(hào)給通道鎖存器，從而控制數(shù)據(jù)采集電路通道的開啟與閉合,。
    當(dāng)響應(yīng)觸發(fā)信號(hào)時(shí),，通道鎖存器鎖存通道號(hào)，并將通道號(hào)傳送給多路開關(guān),，采集部分從相應(yīng)通道采集模擬數(shù)據(jù),；當(dāng)響應(yīng)停止觸發(fā)信號(hào)時(shí)，通道鎖存器將不被使能,，多路開關(guān)輸出處于高阻態(tài),，采集部分停止工作。
2.4.2 功能仿真
    數(shù)據(jù)采集模塊上的PXI控制器功能仿真波形如圖5所示,。

    從圖5中可以看出,，當(dāng)響應(yīng)觸發(fā)時(shí)，CPLD產(chǎn)生一個(gè)低電平有效的CS信號(hào),，用于控制多路開關(guān),；當(dāng)模塊被觸發(fā)后，在對(duì)A/D采集、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理時(shí),，如果出現(xiàn)預(yù)設(shè)事件發(fā)生的情況,，例如電壓增大超過上限值，CPLD產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)放到局部總線上,，供I/O模塊使用,，以產(chǎn)生控制外部設(shè)備(如繼電器等)的信號(hào)。
    該數(shù)據(jù)采集模塊現(xiàn)已通過調(diào)試和工程應(yīng)用,，各部分工作正常,，可保證以一定的精度采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)放到CPCI總線上,，能夠響應(yīng)零槽控制器發(fā)出的觸發(fā)信號(hào),，控制多通道采集電路，并與I/O板配合工作,。
參考文獻(xiàn)
[1] PXI Specification PCI eXtensions for Instrumentation. Revision 2.0 2000.
[2] PLX Technology. PCI 9052 Data Book Version 2.0.
[3] Analog Devices. AD1674 Data Book.