高速數據采集卡設計管理論文

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摘要：介紹了應用在焊縫缺陷自動超聲檢測系統中的高速數據采集卡的性能，給出了其硬件實現方案和WINDOWS98下的虛擬設備驅動程序（VXD）。該數據采集卡不僅具有較高的采樣頻率，而且充分利用PCI總線帶寬，實現了高速數據傳輸。測試表明，WINDOWS98應用程序能夠穩定地采集焊縫信號，滿足系統對數據采集的要求。

關鍵詞：數據采集PCI總線焊縫缺陷VXD

焊縫缺陷自動超聲檢測系統是一種重要的無損探傷設備，可用于檢測平板、管道、容器等的縱、橫焊縫以及接管角焊縫缺陷。與手工檢測方法相比，該系統具有運行平穩、漏檢率低、顯示直觀等優點。

在焊縫缺陷自動超聲檢測系統中，缺陷回波信號通常為寬度約10ns～100ns、幅值在幾十μV到幾十mV之間的窄脈沖。為滿足缺陷回波信號的檢測要求，研制了一種基于PCI總線的高速數據采集卡，它是面向超聲檢測應用而設計的：該卡采用轉換速率為60MHz的八位高速A／D以滿足數據采集的要求；為緩存A／D芯片輸出的高速數據并充分利用PCI總線帶寬，加入32KB的高速FIFO緩存組；同時，為滿足多通道探傷的要求，設計了通道選擇電路以實現通道之間的切換；此外，為調理缺陷回波信號，卡上還配有高增益高帶寬放大電路。

1高速數據采集卡的工作原理

焊縫缺陷自動超聲檢測系統的信號采集框圖如圖1所示。系統的工作原理是：首先由高壓脈沖發生電路發射高壓脈沖；高壓脈沖經換能器形成超聲波信號，遇到缺陷或雜質時產生反射波，經換能器轉換為電壓信號，該信號經放大調理、A／D轉換后，形成數字量，寫入高速FIFO存儲器中。最后，由PCI接口芯片將FIFO中的數據適時地寫入內存。

2數據采集電路的硬件設計

2．1高增益高帶寬放大電路

采用帶觸發的直流逆變電路產生高壓脈沖，采用多路模擬通道選擇電路實現通道切換以滿足多通道探傷要求。模擬信號經五級放大、濾波后，作為A／D轉換電路的輸入。放大電路采用最高增益為80dB、帶寬為15MHz且分辨率為1dB的放大器，并且采用數字電位器實現放大增益的動態調整。

2．2A／D轉換電路

A／D轉換電路采用美國BB公司的ADS830。該芯片的信噪比高、功耗低、非線性畸變小，廣泛應用于圖像處理、數字通信和視頻測試系統中。ADS830的精度為八位，最高采樣頻率為60MHz，可滿足焊縫缺陷自動超聲檢測系統對數據采集精度和采樣頻率的要求。它有共模和差模兩種信號輸入方式，且輸出的數字量可直接與5V或3．3V芯片接口。

2．3高速FIFO存儲器

高速緩存是保證高速數據不丟失的關鍵，確保了數據的真實性。同時，高速FIFO緩存使A／D芯片不必工作在PCI同步時鐘下，提高了A／D芯片的利用率。IDT公司的存儲器性能優良，且同系列存儲器一般可以做到管腳級兼容，容易實現硬件設計的模塊化。為方便讀寫數據，選擇先進先出式（FIFO）的緩沖存儲器IDT7205L15。其訪問時間為15ns，每片容量為8K×9位。支持異步讀寫，并提供諸如滿、半滿、空等用于位擴展和深度擴展的信號。高速數據采集卡為實現8位A／D和32位PCI總線的寬度匹配，采用了位擴展技術。為加深FIFO的緩沖深度，將外加FIFO緩存與PCI接口芯片內部的FIFO相級連。

2．4基于CPLD的控制邏輯

基于CPLD的控制邏輯是高速數據采集卡的核心，它為PCI接口芯片提供滿足時序要求的讀寫信號，同時選擇模擬信號的輸入通道、控制高壓脈沖發生邏輯并設定放大電路的增益。此外，CPLD還能利用高速FIFO緩存的空、滿標志位，配合PCI接口芯片實現DMA寫操作，完成高速數據傳輸。Xilinx公司的XC9572XL－VQ64芯片的腳到腳延遲最大為10ns，可滿足PCI總線接口時序的要求。單片XC9572XL－VQ64能滿足焊縫缺陷自動超聲檢測系統邏輯控制的要求，且具有體積小、可靠性高、調試方便等突出優點。

圖2是基于有限狀態機FSM（FiniteStateMachine）方法設計的控制邏輯狀態轉換圖。其中，RST和IRQ是由PCI接口芯片S5933輸出的可由程序任意控制的兩個信號，它們的高低狀態同高速FIFO緩存的空、滿信號一起決定了控制邏輯的六個可能的狀態，圖中以橢圓表示。計算機上電時，控制邏輯處于RST＝IRQ＝1的狀態。值得一提的是，RST和IRQ信號都有適當的上拉電阻，所以不會出現高阻浮空的狀態，使控制邏輯能夠穩定地工作。實線是控制邏輯采用的狀態轉移路線，而虛線是可能的但不采用的狀態轉移路線。在各狀態之間進行切換是很容易的，只需通過程序使RST或IRQ信號出現高或低跳變。狀態轉移時伴隨著的電路動作見轉換線旁的注釋。

2．5PCI接口芯片

PCI總線協議2．1版出現以后，集成芯片商們紛紛推出了與其兼容的總線接口芯片。其中，AMCC（AppliedMicroCircuitCorperation）公司的S5933接口方便、控制靈活，軟件配置簡單，在高速網絡接口、數字通信、高速成像等領域有著廣泛應用2。S5933最突出的優點是能夠作為PCI主控設備發起DMA操作，即S5933完全具備雙字DMA控制器的功能。

圖3是結合系統應用而繪制的S5933結構框圖。由圖3可知，S5933內部具有配置寄存器組和操作寄存器組，配置寄存器組用于控制S5933在PCI總線系統中的運作方式（訪問延遲、能否發起主控DMA操作等）以及記錄系統分配給S5933的資源信息（如中斷引腳、I／O等）3，而PCI總線和外加電路之間的數據交換則通過操作寄存器組實現。以I／O資源為例，計算機上電后，系統將分配給S5933的I／O資源首地址填入基地址寄存器，此值決定了操作寄存器組在I／O空間中的映射位置（S5933的操作寄存器組缺省地映射到I／O地址空間，便于軟件操作），見圖3。之后，CPU只需執行簡單的I／O操作就可以讀寫操作寄存器組，隱含的地址譯碼工作由S5933完成。外加電路控制邏輯則保證操作寄存器組與外加電路的正常通信。S5933提供了三種形式的外加電路接口，高速數據采集卡使用信箱（Mailbox）寄存器實現雙字輸出，用FIFO方式實現高速DMA寫操作。

圖3S5933的結構框圖

3高速數據采集卡的軟件設計

3．1虛擬設備驅動程序的設計

系統的控制軟件工作在WINDOWS98操作系統下，為此開發了高速數據采集卡的虛擬設備驅動程序（VXD）。由S5933的結構可知，VXD需要實現雙字I／O操作和物理內存管理。雙字I／O的操作相對簡單，調用虛擬機管理器（VMM）的SIMULATE＿VM＿IO例程即可，較困難的是物理內存管理。由于S5933發起的DMA操作需要物理內存的起始地址，因此必須涉及頁面級的物理內存操作，故采用下述內存管理策略：

·應用程序加載VXD；

·加載成功后發送申請緩沖區的事件給VXD；

·VXD使用PAGEALLOCATE例程得到地址連續的適當長度（如四頁即16K字節）的物理內存；

·鎖定緩沖區并將物理地址逆映射為線性地址；

·將物理首地址填入S5933的寫RAM地址寄存器；

·允許S5933進行主控DMA傳輸；

·傳輸完畢時，應用程序請求VXD釋放上述物理內存。

3．2應用VXD設計數據采集程序

將VXD放在應用程序的同級目錄下，則以下VC＋＋代碼就能動態加載（VXDVIEWER可驗證）一個VXD：

HANDLEhDEVICE＝CreateFile“＼＼＼＼．＼＼pathname”00NULL0FILE＿FLAG＿DELETE＿ON＿CLOSENULL；

編好的VXD為應用程序提供了若干服務例程，應用程序執行下面的代碼即可調用服務例程ZHC1：

DeviceIoControlHDEVICEZHC1lpinbufferninsizelpoutbuffernoutsizeNULLNULL；

數據采集算法如下：

DO{讀取寫RAM字節計數器；

再次讀取寫RAM字節計數器；

IF計數器內容為零THEN

跳出循環進行后續數據處理；

ELSEIF兩次讀取的結果不同THEN

不做任何處理而進入下一次循環；

ELSE

清相應的狀態標志并設置有關寄存器以從斷點處續傳；

ENDIF

}

調試表明，應用VXD的數據采集程序能夠穩定、高速地采集外部數據。對焊縫缺陷自動超聲檢測系統的實際測試表明，該高速數據采集卡能滿足缺陷回波的檢測要求。圖4(a)為實際測試時用示波器觀測到的模擬放大電路的輸出信號，圖4(b)是A／D轉換后、截掉始波并經半波整流后得到的信號。

高速數據采集卡具有體積小、可靠性高、控制邏輯更改方便、可擴展性強等優點。對于檢測厚度為10～100mm的鋼板，一次采集的數據最多為4KB，至多只需0．13ms就可將數據從卡上FIFO經PCI總線傳入內存。