基于DSP和PCI总线的同步数据采集卡设计

基于!"#和#$%总线的同步数据采集卡设计王宏，许飞云，贾民平（东南大学设备监控与故障诊断研究所，江苏南京&’(()*）摘要：介绍了一种在大型设备状态监测和故障诊断系统中作为核心的同步数据采集卡的设计方法。

该采集卡使用+%公司的+,"-&(.$/0’(1!"#做数字信号处理器，对数据采集过程进行控制，并进行数字信号处理。

应用#$%&(0(实现+,"-&(.$/0’(1!"#到#$%总线间可靠连接，从而保证了采集数据快速、高效地传输到#$机。

采集卡集同步数据采集、信号处理及高速数据传输于一体。

在状态监测和故障诊断系统中应用时，能很好的满足数据采集、处理和传输的需要。

关键词：!"#；#$%总线；#$%&(0(；同步数据采集中图分类号：+#-)’233文献标识码：1文章编号：’*3’4/&3*（&((3）(’4(()/4(0!"#$%&’()*&+,-’&’.#!/0/1+2.$#$0$’&3/-45/#"4’&!)6/&46375.#516789:;，<=>?@4A B:，C%1,@:4D@:;（E?F?G H I J$?:K?H9L$9:M@K@9:,9:@K9H@:;G:M>G B N K!@G;:9F@F，"9B K J?G F K=:@O?H F@K A，6G:P@:;&’(()*，$J@:G）18#0-/+0：1M?F@;:9L F A:I J H9:9B F M G K G G I Q B@F@K@9:I G H M@F B F?M G F I9H?@:N G H;?4F I G N??Q B@D R?:K’F I9:M@K@9:R9:@K9H@:;G:M L G B N K M@G;:9F@F2+,"-&(.$/0’(1!"#9L+%I9R D G:A@F B F?M G F M@;@K G N F@;:G N D H9I?F F9H9:K J?I G H M K9I9:K H9N K J?D H9I?F F9L M G K G G I4 Q B@F@K@9:G:M K9D H9I?F F K J?G I Q B@H?M M G K G2#$%&(0(@F G D D N@?M K9D H9O@M?G K H@?M I9::?I K@9:S?K T??:+,"-&(.$/0’(1!"#G:M #$%S B F K9;B G H G:K??K J?G I Q B@H?M M G K G K H G:F L?H H?M K9#$@:J@;J F D??M G:M J@;J?L L@I@?:I A2+J?I G H M I9R S@:?F F A:I J H9:9B F M G K G G I Q B@F@K@9:，F@;:G N D H9I?F F G:M J@;J U F D??M M G K G K H G:F@K@9:@:9:?25J?:B F?M@:I9:M@K@9:R9:@K9H@:;G:M L G B N K M@G;:9F@F F A F4 K?R F，K J?I G H M I G:T?N N R??K K J?:??M F9L G I Q B@F@K@9:，D H9I?F F G:M K H G:F R@F F@9:9L M G K G29"*:’-4#：!"#；#$%S B F；#$%&(0(；F A:I J H9:9B F M G K G G I Q B@F@K@9:;引言随着现代化工业生产日益系统化、高速化和自动化的发展，现代工业生产已逐渐形成一个具有整体性的生产链，一旦某一设备发生故障，将会引起整个生产过程不能正常运行，从而造成巨大的经济损失，严重时将造成灾难性的设备损坏及人员伤亡。

近年来，国内外的设备事故时有发生。

因此，人们对设备的可靠性和安全性提出了越来越高的要求，设备的故障监测与诊断技术受到了人们的高度重视，并已发展成为一门综合性的交叉学科，亦取得了显著的经济效益和社会效益［’］。

设备的故障监测与诊断技术多是基于#$机的测试系统，首先要进行数据采集，然后才能对获得的数据进行测试分析。

所以数据采集卡是设备的故障监测与诊断的基础。

文中主要阐述了基于!"#的#$%总线同步数据采集卡的硬件设计，使用美国+%公司的+,"-&(.$/0’(1 !"#作为采集卡的处理器，使用高速的#$%总线与#$机连接，实现数据的采集和快速传送。

该卡主要用于大型设备监测和故障诊断系统中完成数据采集和预处理功能，实现对被监测系统的实时监测。

<硬件设计<2<采集卡总体结构在大型设备的状态监测和故障诊断中，振动信号能最迅速最直接地反映机械设备的运行状态，3(V以上的运行故障都以振动形式表现出来。

由于振动信号在工频及其各倍频处的能量分布直接反映了设备运行状态，因此需要在数倍于工频的范围内分析振动频谱，作为振动信号的状态监测系统要求也就比较高［-］，表现为：采样频率高、信号处理量大、数据传输量也很大。

而使用!"#和#$%总线相结合设计的同步采集卡却能满足这一需求。

#$%总线数据采集卡系统的原理框图如图’所示。

由图’可以看出，’*通道模拟信号同步采集模块对由抗混滤波板输入的模拟信号进行缓冲处理输入后续的0片0通道同步采集芯片1!3W*/，该0片1!3W*/芯片由同一个采样脉冲控制采样及1／!转换，实现’*通道信号的同步采集。

所有1!3W*/芯片的转换结果均通过板内部的!"#总线供+,"-&(.$/0’(1!"#芯片读取，该同步采集模块可根据测量的转速实现’*通道模拟信号同步整周期采集，采集频率每通道可高达3/X8Y。

此外，该信号同步采集模块具有内触发与外触发采样功能，其外触发采样功能可以保证多块’*通道信号同步采集模块同时使用，实现更多通道（如-&、0W通道等）的同步采样。

+,"-&(.$/0’(1!"#芯片为’*通道信号同步采集板的核心，它一方面控制各种信号的采集及保存，另一方面负责信号的分析与处理，并提取设备故障的特征信号通过其8#%接口供计算机获取用于故障诊断。

各相关单元如1／!转换芯片、0Z-&[字数据E1,、’&W[字程序／数!"#$%&’()%*+%&,-.)/01"/%0&，2’34556，78（9）：:;!:<・)/・图!"#$数据采集卡原理框图据%&’以及在复杂可编程逻辑芯片等均挂接于其总线上，与其进行信息交换。

()*+,字的数据%&’由一片芯片实现，并通过端口译码及控制逻辑分页寻址，用于保存采集到原始振动数据序列。

!+-,字程序／数据%&’用于保存./"的执行程序以及系统运行的相关数据。

./"执行程序在系统上电运行时由计算机通过./"的0"$口自动下载至该%&’，掉电时，该%&’中程序丢失，从而提供了在系统修改./"执行程序的可能，使得./"系统功能可以根据需要进行配置。

"#$总线与1’/*+23#4(!2&的接口通过"#$+2(2实现。

"#$+2(2主要完成了"#$总线的各种逻辑到1’/*+23#4(!2&的0"$口逻辑的转换，实现./"到"#$总线的数据传输及控制。

串行55"%6’主要实现对"#$+2(2的配置。

!7""#$接口设计"#$总线复杂的总线逻辑和电气规范使人们不太可能像开发$/&总线控制卡那样通过简单的逻辑就可以实现计算机与外围设备的接口。

在设计"#$扩展板时需要有接口芯片负责与"#$总线连接，然后由接口芯片的本地总线与接口板的逻辑连接。

目前开发"#$接口有两种方法：一种是采用可编程器件实现"#$总线接口。

可以根据实际需要灵活地实现规范中的某些功能。

设计者必须深入理解"#$总线协议的细节，同时还需一定的可编程逻辑设计的功底以及扎实电路设计基础，设计过程需要做大量的逻辑验证和时序分析工作，开发周期较长、不易实现；另一种是采用专用的"#$接口芯片，如&’##公司的/48+2、/48**，"9:公司的"#$824+、"#$824(、"#$82-2，1$公司专门推出了针对"#$总线和./"接口的芯片"#$+2(2等。

专用芯片可以实现完整的"#$主控模块和目标模块的接口功能，将"#$总线协议转换为较为简单的本地总线，设计者无需掌握复杂"#$总线协议，只需按照接口芯片的本地总线接口协议设计外围电路即可进行扩展卡的设计开发。

这样，用户可以集中精力于应用设计，而不是调试"#$总线接口，明显的缩短了开发周期［+］。

本采集卡使用1$公司的"#$+2(2接口芯片实现./"到"#$总线的连接。

"#$+2(2连接图如图+所示。

图+"#$+2(2连接图"#$总线规范要求任一"#$设备需提供+4;字节配置空间，"#$+2(2提供了符合"#$规范的配置空间，选用串行55"%6’&1+(#2(作为"#$配置寄存器，通过/.&、/#9引脚与"#$+2(2连接，并将<"$62、<"$6!经上拉电阻与3##相连。

当系统上电复位后，就可以实现对"#$+2(2的配置。

在串行55"%6’完成对控制空间基地址寄存器的配置之后，对应的"#$总线信号线&.［*!：!4］，将控制空间映射到主机内存，映射空间的大小为+*!!!=>*+,?。

&.［!(：!*］决定选择哪一片./"连接到"#$+2(2上，设计中只使用了一片1’/*+2#4(!2&，故&.［!(：!*］>22，即0#/2有效。