（信号与信息处理专业论文）基于isa总线的高速波形采集及分析处理系统的设计.pdf

引言 计算机技术和大规模集成电路技术的发展，促进了数字化仪器和智 能化仪器的快速发展。传统的测控仪器，由于功能单一，结构封闭，完 成某一测试分析任务时， 往往需要采用不同的测量分析仪器，如示波器、 电压表、频率分析仪、信号发生器，对复杂的数字系统还需要逻辑分析 仪、i c测试仪等。这样不但测试设备繁多、利用率低、测试成本高，而 且也给测试和分析工作带来诸多不便。 另外有些非标准的超常规的测量、 测试，还有些特殊的信号如谐波、瞬态信号的测试等，一般仪器是难以 实现的。可见，传统的测控仪器已越来越满足不了科技进步的要求。现 代测控要求仪器不仅仅能单独测量到某个量，而希望它们之间能够互相 通信，实现信息共享，从而完成对所测的各个量的综合分析和处理。为 此本文引入虚拟仪器技术的思想和设计方法，在相对简单和通用化的硬 件配置下，建立一个 主要 由软件完成各测试分析功 能、具有 良好可视化 人机界面的高速波形采集及分析处理系统。 1 波形采集与处理系统的研究意义 1 . 1国内外研究现状 电子测量仪器经历了由模拟仪器、带 g p i b接口的智能化仪器到全 部可编程仪器的发展历程，其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为基 础的。虚拟仪器发展至今，大致可以分为以下三个阶段 。 第一阶段:利用 计算机增强传统仪器的功能; 第几阶段:开放式的仪器构成。 一是插入式计算机数据处理卡;二是 v x i 仪器总线标准的确立。这些新技术使仪器的构成得以开放，消除了第一 阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能区别; 第三阶段:虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。发展到这一阶段，人 们也认识到虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现 自动化 的关键 。美 国家仪器公 司 ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s )总结 了这些观点并 提 出了一句 口号 : “ 软件即仪器 ” 虚拟仪器技术经过 十 几年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标准 化、 硬/ 软件模块化、 编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。 以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准 正 日趋 完善， 建立在 v x i 技术 h的各种先进仪器将会层出不穷。虚拟仪器技术在发达国家的推广 应用是十分普及的，不仅在电子测量领域、过程控制领域，而且在其它 许多领域均有应用。例如，美国的维吉尼亚州技术公司应用虚拟仪器技 术开发了一种光学测微计，用来测量 m e m s设备中硅晶片的厚度，分辨率 可达到微米级;美国密歇根州大学开发 一 种微电子气敏传感器，这种传 感器使用探针来测量由于传感器对气体的吸收或者反应而引起的内部电 阻值的变化。 研究人员使用了一个基于计算机的带有数据采集板的系统， 其中数据采集板由 l a b v 工 e w控制，它能够监控传感器温度并且测量传感 器由被测气体引起的电阻值变化。在国内，近几年也开始利用虚拟仪器 实现检测和控制了。如中国农业大学的研究人员利用虚拟仪器开发平台 开发了用于精密播种机性能检测的实验室自动化系统。 . 2存在的问题 虚拟 仪器技术 目前在 国外 发展很快 ，以美国国家仪器公 司 ( n i 公 司) 为代表的 一 批 厂商 己在市场上推 出了基于虚拟仪器技术而设计 的商 un r: 化仪器产品。 而我 国 目前基本处于传统仪器 与计算机化仪器 . 相分离的状态，属于起步阶段。高档的台式仪器如数字示波器、频谱 分析仪、 逻辑分析仪等虚拟仪器还主要依赖进口，这些仪器工艺复杂 价格昂贵，一般单位是难以承受的。 而我国有些公司单位针对 自己的 需求研制了专用的虚拟仪器，缺乏通用性，应用普及程度还相当低。 尤其 向落后地区的高等院校 。结合我们的实际情况，必须走引进 与自 行开发相结合的道路。一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的生产技 术、部分产品，吸收最新成果技术;另一方面，发展基于计算机的插 卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利 用我们现有的计算机及测试技术软硬件 ，缩短与发达 国家的差距 。 1 . 3研制意义 虚拟仪器是现代电子测控仪器发展的一个方向， 它的应用十分广泛 在电子测量领域，过程控制领域，以及与人们生活息息相关的许多领域 均显示出传统仪器无法比拟的优势。在测量方面，能提高精度，降低成 本:在监控方面，可随时采集和记录从传感器传来的数据，并对之进行 统计、数字滤波、频域分析等处理，从而实现监控功能。在检测方面， 利用虚拟仪器开发工具开发专用虚拟仪器系统，可以把一台个人计算机 变成一组检测仪器，用于数据/ 图像采集、控制与模拟。 在教育方面，随着教育信息化的发展，我国开展了远程教育、网络 教育，开展这种教育方式离不开虚拟技术，因此，越来越多的教学部门 也开始用它来建立教学系统，在这个虚拟系统中学生可模拟典型仪器的 操作过程和使用方法，借助硬件部分，可进行实时的测量与分析。这样， 一 方面可实现一般实验室无法完成的实验。弥补传统实验室的不足。另 一方面，大大节省开支，而且由于虚拟仪器系统具有灵活、可重用性强 等特点，使得教学方法更加灵活了，能为学生们提供一个重复学习的数 字化学习环境，同时，虚拟仪器组建和更新都很容易，可以适应不同水 平的教学要求。 本文所设计的基于计算机的测试分析系统， 既具有普通仪器的功能， 又有 一般仪器所没有 的特殊功能 ，还具有可扩展性 ，用户可根据需要将 一些先进的数字信号处理算法应用于设计中实现更复杂的功能。并 且完 全可以通过软件配置实现多功能集成的系统。只要将具有一种或多种功 能的通用模块相组合，并且调用不同功能的软件模块就组成不同的仪器 功能。 例如将传感器采集的电信号放大和整形后，经 a / d 变换存入内存， 再由计算机软件处理，并显示输出，就可以组成虚拟示波器，虚拟计算 器 ，频谱分析仪，虚拟 多用表等 。利用 d s p及相应的算法 ，将所生成的 数据送入 d / a变换器，再经信 号调理产生所需的信号，又可构成虚拟信 号发生器，当测试要求改变时，只要增加或更换仪器软硬件，就可以构 成新的仪器，而不必重新购买新的仪器。 虚拟仪器充分发展了计算机的作用，便于与计算机通信相结合来建 立计算机网络，组建复杂的测试系统。用虚拟仪器思想建立的测试分析 系统，提高了测量速度，减少了开关、电缆、系统易扩充、易修改，使 得测度 系统体积小，灵活方便，成本低 ，效率高。 本设计只是在研制虚拟仪器方面作了探索，是为将来研制总线与驱 动程序标准化、软硬件模块化、编程平台图形化和硬件模块即插即用的 网络化的虚拟仪器，作前期准备并奠定基础。 2计算机总线及 1 / 0传输方式 本系统的硬件部分是基于 i s a总线 1 6位传输的一块高速数据采集 卡。i s a 总线仍是微机普遍采用的标准总线之一。在数据采集传输系统 设计中，软件查询和中断技术是人们经常采用的两种方式。这两种方式 都存在一个共同特点:它们都是依靠程序控制的。每次传送数据都需要 执行若干条指令，这对于高速设备以及成批交换数据的场合， 就显得速 度太慢了。 为了提高数据的传输速度，必须不依靠程序传送，而是由硬件电路 完成，为此可采用 d ma传输技术。d ma方式是外设与存储设各之间直 接进行数据传送的方式，在数据传送过程中它不需要 c p u的参与，不必 执行指令，而是在一种硬件控制器的控制下完成数据传输。数据的传输 速度取决于外设的速度和微机 中 d ma 控制器和总线 的速度 。对于基于 i s a 总线的接 口卡，其数据传输速度可达 1 mb / s ( 8位数据宽度 )和 2 m b / s ( 1 6 位数据宽度) 。 目前p c机主机基本配有 i s a1 6位总线扩展槽标准，且 1 6位周期比 8位周期快 一 倍，传输速度比 8位的高，硬件接口电路也较简单。木设 计鉴于如何利用现有的计算机的硬件和软件资源实现计算机实时数据采 集、分析和处理，井从如何提高数据采集与传输速度方面的考虑，决定 采用 1 6 位 i s a总线的 d ma传输技术。 这样不仅可以充分利用微机数据 宽度，提高传输效率，减少对微机资源的占用，又能满足一般实时采集、 处理和控制对高速数据传输的要求。另外为了和工具软件配合，仍保留 了查询方式。 时序控制电路部分的设计采用可编程器件 c p l d控制， 既 减少了板面积，又提高了电路的集成度和可靠性。本文设计的采集卡可 直接插入微机的总线插槽 内工作 ，大大拓宽了微机的应用。 2 . 1 i s a总线 的 1 6位操作 工 s a平台总线周期有 四种 ，即 8位总线周期 、1 6位总线周期 、d m a 总线周期和刷新总线周期。1 6位总线周期包括存储器读写和 1 / 0读写操 作。 i s a总线信号中与 1 6位操作相关的控制信号有# m e m c s 1 6和# 1 0 c s 1 6 , # 分别控制存储器和 工 / 0 1 6位读写。 为告知 c p u进 行 1 6位存储器操作 ，须使# m e m c s 1 6位信 号有 效 ，方 法是对地址线译码，如果地址在所选地址范围内，则产生低电平有效的 # m e m c s 1 6信号。i s a总线的前 2 0位地址线 s a o - s a 1 9是己经山总线控制 电路锁存了的，而总线信号中的另 7位地址线 l a 1 7 -1, a 2 3 其中 l a 1 7 - l a 1 9与 s a 1 7 - s a 1 9重复)并未锁存，如欲使译码地址扩展到 1 m以 上，则需利用 b a l e信号在在下降沿锁存高位地址并对其译码，如果使用 地址只在 1 m以内，利用前 2 0位地址译码即可。 同样， 为告知 c p u进行 1 6位 i / 0操作， 须使# i o c s 1 6信号为低电平， 方法是利用 s a o - s a 9对端口地址译码，如果地址在所选地址范围内，则 产生低电平有效的# i o c s 1 6 信号。 值得注意的是，以上两种译码都不能使读写控制信号 ( # s m e m r , # s m e m w ,# 工 o r ,# 工 o w )参与。故在存储器操作期间可能会使经低 i o位地 址译码后得到的# i o s 1 6有效。但山于此操作周期内c p u不理会此信号， 故不会 带来 误操作 。 标准的 1 6位总线周期为 3个时钟周期，而标准的 8位总线周期为 6 个时钟周期。若主板上 i s a时钟为 8 m h z ，则一个时钟周期为 1 2 5 n s ;若 总线时钟为 6 m h z ， 则一个时钟周期为 1 6 7 n s 。 其相应的 1 6位总线周期时 i r j 分别为 3 7 5 n s和 5 0 1 n s 。图 1 给出了 i s a总线 1 6位 i / 0操作时序图。 clk b al e s bhe s ao - 1 i / oc s 1 6 da t a ( r e a d) dat a ( wr i te 图 1 1 s a总线 1 / 0 1 6 位操作时序图 在进行 1 6 位操作时应注意指令宽度和奇偶地址与数据宽度的关系。 当# m e m c s 1 6 或# i o c s 1 6 信号无效，即8 位总线周期时，8 位指令在奇、 偶地址都操作低字节，1 6 位指令在奇 、偶地址都将在 当前地址及下 一地 址产生两个总线周期读写控制信号，使得偶地址接收低字节和奇地址接 收高字节。当# m e m c s 1 6或# i o c s 1 6信号有效，即 1 6位总线周期时，8位 指令在偶地址操作低字节，在奇地址操作高字节;1 6 位指令在偶地址操 作 1 6位数据，而在奇地址则与 8位总线周期时类似，只能在两个总线 周期内才能完成 1 6位传输，只是其总线周期比 8位的短一半。所以进 行 1 6位传输，无论是存储器还是 工 / 0端口操作，都应在偶地址进行。 2 . 2 d ma传输的基本原理 2 . 2 . 1 p c机的 d ma控制器及其传输通道 p c / a 丁机的 d ma控制器由两片级连的 8 2 3 7 - 5芯片组成，在 3 8 6以 r _ 的 p c机 r . ，一般把 d ma控制器集成在功能强大的集成外围控制芯片 、 中。但是所有的访问端口都是与 p c / a t兼容的。d ma控制器支持八个 传输通道，其中通道 4用于两片 8 2 3 7的级连，通道 2用于软盘传输， 其余六个通道均可供用户使用。在上述八个通道中，通道 0 - 3为 8位数 据通道，通道 5 - 7为 1 6位数据通道。每个通道都有 自己的 d ma请求 信号 d r e q和 d m a响应信号# d a c k . 2 . 2 . 2 d ma的传输方式与传输类型 c p u可通过对每个通道的方式字寄存器进行编程来选择 d ma的传 输方式与类型。传输方式有 4种:单字节传送方式、块传送方式、请求 传送 方式 、多片传送 方式 。 传输类型有三种:d ma读，将存储器数据读到 1 / o设备。d ma，将 i / o设备数据写到存储器。d ma校验，一种伪传送，仅对芯片内部读写 功能进行校验。 2 . 2 . 3 d m a的传输过程 当外部 i / 0设备准备就绪，它就向 d m a控制器 ( d m a c )发出请示信 号 d r e q .当 d m a c采样到有效的 d m a请示信号 d r e q后，就 向 c p u发出占 用总线的请求信号 h r q : ; ,i c p u 在现行总线周期操作结束后使其地址总线、数据总线和控制总 线与系统总线脱离， 并向d m a c 发出同意让出总线控制权的回答信号h l d a ; d m a c获得总线控制权 ， 获得总线控制权后 向外设发出d m a的响应信号# d a m d m a c控制数据的 d m a传送，直到传送完预定 的数 据 : d m a c的请求信号 ( 向 c p u的)变为无效: c p u恢复对系统总线的控制权。 上述方法中，d m a c只需要两对联络信号;它与 工 / 0设备之间的一 对联络信号与 c p u 之间的 一 对联络信号。图2为 d m a传送时序图。 c l l 厂 z j f lf - l 曰-r几 几厂 到 习 口 一 匕 厂日几 e工一d rrle dhha dbo - d a 卜a) 0孙0 a/i口 图 2 d m a 块传送时序图 23查询方式 采用查询方式控制数据传输的基本思想是 c p u循环连续读取状态 口，根据当前的状态来判断是否接受或发送数据。查询方式包括查询发 送和六询接收。 与 采少 j 这种方式传送前，c i l u 必须先对外设进行状态检 测。完成 一 次传送过程的步骤是:执行条输入指令，读取所选外设的 当前状态;根据该设备的状态决定程序去向，如果外设正处于 “ 忙”或 “ 未准备就绪 ” ，则程序转回重复检测外设状态，如果外设处于 “ 空”或 “ 准各就绪 ” ，则发出一条输入/ 输出指令，进行一次数据传送 。 3 高速波形采集系统硬件组成及工作原理 系统硬件部分为一块高速高性能的信号采集板，组成结构如图 3 所 示。从功能上分:信号调理、模数转换电路，在板缓存，总线地址译码 、时序控制和总线接 口逻辑 部分 。 图 3采集板硬件m成框图 3 . 1信号调理及 a / d转换 为了能精确可靠地采集 前端信号，在 a / d转换 前要进行信号调理。 调理包括信号放大，滤波、隔离、多路转换等通用功能。在此由于 a / d 采用单极性输入，因此，调理的内容主要是信 号增益调整，滤波和隔离 。增益控制的目的是将输入信号幅值控制至与 a / d量程相当的程度，这 样可获得尽可能高的精度。滤波是滤除干扰信号。a / d转换器采用的是 美国模拟器件公司的a d 7 8 2 1 ， 转换时间为6 6 0 n s ， 采样率是1 m h z ， 输入 信号 最大带宽1 0 0 k h z , a d 7 8 2 1 是高 速8 位模/ 数转换器 ， 模拟输入范围 为 匡 到， a d 7 8 2 1 具 有 跟 踪 一 保 持 功 能 ， 内 部 采 用h a l f - f l a s h 转 换 技 术 。 a d 7 8 2 1具有标 准的微处理 器控 制信 号 ( / c s , / r d , / w r , r d y , / i n t ) , 锁 存 和 三 态 输出 ， 能 直 接 与 总 线 相 接 ， 采 用匡 互 一 亘 画结 构 ， 低 功 耗( 5 0 m w ) o a d 7 8 2 1 有两种i作模式:w r - r d和 r d 模式，其中w r - r d 模式转 换快，转换时间为 6 6 0 n s ，而 r d 模式转换较慢。为了缩短转换时间，木 设计采用 w r - r d 模式，工作时序如图 4 所示。这个模式的控制比较特 殊， 时序波形要求严格， 一般硬件难以实现， 在此采用 v h d l语言编程模块 实现， 程序 见后 。 几入一 /cs/w/rd do - d7 图 4 w r - r d模式 作时序图 3 . 2在板缓冲 为了能很好地解决外设与 p c机之间的速率匹配问题， 实现实时、高 速数据的传输 ，需将转换数据缓存后再通过总线送入机内存 。一 容量越大， 则同样采集频率下能保存的信号波形越多， 越利于观察 般缓存 量提高、会增加数据处理的难度， 综合考虑， 本设计中每路设置 存，且为了简化设计，采用了 1 d t公司的 i d t 7 2 0 6异步高速 “ 1 6 k r 但容 的缓 先进 先出 ” ( f 1 f 0 )存储器。其结构框图如图5 0 d a t ai np u t s 图 5 i d t 7 2 0 6 结构框图 异步 f i f o 存储器具有以下主要特点: il有两个端 分别用于读写访问，读写速度可以不同，读写操作可同 时进行而 且不必同步。 数据的写入与读出尊从先进先出的原则，读写的次序是确定的。读写 地址完全 由内部地址指针确定，用户不用提供外部地址信 号。 (if i f o有指示存储状态的标志输出，如/ f f , / h f和/ e f ，利用它们可以 很方便地控制外设与 f i f o , f i f o与主机之间的数据传输。7 2 0 6常用时 序 如图 6所 示 。 平. 作 .几 1 . 、 丹翻. + - irsc 卜八 a，. 明 卜 -t r s r 门 巨 卜 一 一 一一 一( r $ 5 岁 勺乃了、 产 、 夕，口 ，r 、 j尸饭 j 门 l j 尸 、 j尸 、 声 ， 少、胜 日尸 j八 j尸、 j 尸、 汽 x 汽 x 刁两入 j 叹 夕 呢门 rx粥 j o心0今汉xxxxxxxxx发(心心00 福 二 二 二 一 - 二 二 - ( h f h , (f f h二 二 二 福 xx xxx x 孟xx xxxxxxxxx x x xxxx a 复位 时序 “满 ”标 志 时序 q o - q 8 o -0白 异步读写时序 图 6 i d t 7 2 0 6 常用时序 3 . 3数据的传输过程 数据 的读入采用两种方式 ，一是 d m a传输方式，二是查询方式。 两种方式 的选择 由软件控制 。 3 . 3 . 1 d m a传输 方式的传送 在进行 d m a传输时， 8 2 3 7 a 产生的 2 0 位地址线全部提供给内存访问 用、 ， ， 也就无法同时提供给 1 / 0设备地址。 8 2 3 7 a对 1 / 0设备寻址过程为: d m a c 提供 / d a c k 信号来选通申请传送的外设， 或者说，/ d a c k 代替了 芯片选择和片内地址译码功能， 在进行读取数据时， 只要/ d a c k和/ r d或 / w r信 号同时有效， 就能完成对 1 / 0设备端 口的读或写操作， 而与设备的 1 3 盈二资1 端口地址无关。d m a传送方式的接口电路如图 7所示。 /d a c aor 图 7 d m a 传送方式的接口电路 图中 f 工 f o有 9位并行数据端 d o -0 8 ，存储容量为 1 6 k ，当两个 1 6 k的 f i f o写满时，就发出全满信号 ( / f f = o ) , / f f信号一方面停止 a / d转换， 另一方面使 d r e q信号变为有效向 c p u发 d m a申请信号， 当 c p u同意发出 响应信 号/ d a c k ( / d a c k = l )和/ i o r ，这两信号相或后 ，送到 f i f o 的/ r 端， 使 f i f o读信号有效， 从而实现 d m a传输的启动。 另/ d a c k信号使 d r q e 信号变为低电平，为下一次 d m a请求作准备。d m a传输的终止。在块传 输方式中，块的大小可由用户编程确定，一旦块被读完，则 d m a传输自 动终止。同时 i s a总线信号 t / c端出现高电平脉冲，它和 d a c k相与后引 起 中断 ，使 c p u进入 中断服务程序执行 中断任 务 。传送 时序如 图 8 0 c l k / 1 0r 图8 d ma传送时序图 d m 八 初始化编程 在进行传送时， 控制器取代微处理器， 成为总线 的主控者 必 须 对 首地 址 d m a编程 以确 定通道 的选择， 数据传送 的模式 和类 型 。在传送 前， 内存 区域 的 地 址是递增还是递减 以及传送 的总 字节数等 等 。 在 p c / a 丁机 中的 编程 步骤 为 : ( i )输 出总清除命令 ; ( 2 )写出基值与当前地址寄存器; ( 3 )写入基值 与当前字节数计数器 ( 4 )写入模式寄存器; ( 5 )写入屏蔽寄存器 ; ( 6 )写入命令 寄存器 ; ( 7 )写入请求寄存器; 下面给出通道 5的初始化编程的程序代码。 选定传送通道为 c h 5 ; 设定传送的存储器地址为2 0 0 0 h ; 一次传送的总字节长度为 3 2 k b ; 传送 方i j 为 i / 0 -m ; 采用块传 送方式: c o d e s e g m e n t c o d e a s s u m e c s:c o d e , d s : d a t a , s s : s t a c k be gi n p u s h c x c a l l d m a - - s e t u p d m a s e t u p p r o c 1 ni t a cli m o v a l . 9 5 h ou t od 6 h. al m o v a l，0 2 h ; 关中断 : ; 设置方式控制字; ; 写入方式寄存器; ; 送 页面地址 ( 8 b h是 p c / a t机 d m 通 道 5的 页 面 寄 存 器 口地 址 ) ou l8hh . ai . n ov a i0 0 1 1 送内存毯地址低 r位 0 ulc 411 . ai n oval . o oh 送基地址高 8位 ou tc4 h. a1 . mo va x ， oe f f l i送 总 字数( 1 6 k ) ou t mov c 6 h ， a l alah ou t o c6 1 1 . al n o v a i.， o i h通道 5去除屏蔽 out od ch . ai e nd p r oc n o v a l ; o o h o u t d x ， 3 3 1 h 总 清 nov nov a l 33 2 h送 选 频 字 vy几 dd n o v a l ， o o h o u t d x ， a l n o v d x ， 3 3 0 h启动 a / d转 换 end begi n 态 1 数据 2 .六询方式的传送 查询方式传送的接日电路如图 9所示。传输过程为:c p u首先读状 ， 查询状态位， 如为 0 ， 则表明输入数据准备好， 可读数据 口， 取走输入 ( d . 吐 .四r . ) 图 9查询方式传输接 电路图 3 . 4译码，触发及时基控制 地址译码部分包括 3 - 8译码器、8位数据 比较 器和 8位数字开关 ，用来产生可变端 口地 址 。各口地址初步分配如下表 1 。如这些端 口 地址有被它川 ，可通过数字开关修改 k l 地址。 本 系统设有两种触发方式，即软件触发和 山外部信号边沿触发，软件触发是在初始化时 与由8 位工作方式字来决定。 时基控制电路主要 由脉冲整形， 分频和选 择器组成， 用 于控制采样速度。 为了适应不同速 率采集， 提供了4 种采样频率:i m h z , 5 0 0 k h z , 2 5 0 k h z 1 2 5 k h z ， 直接由软件选择。 板上各 地址分配表 采样点的多少决定波形显示效果。屏幕显示的时间轴长度是一定的， 对 j , 同样的采样频率， 不同频率的输入信号在屏幕上显示的效果是不同 的， 频率越低波形显刁 、 效果越好， 频率越高波形显示效果越差。按理论来 讲， 只要采样频率大于输入信号最大频率的 几 倍， 波形就能很好的再现， 但在此受到 1 6 k 缓存的限制， 对于f m a x = 1 / 2 f s信号每周期只能采样两个 1 7 点 。 现 设 现在按每周期至少采样 3 0个点来算可输入信号的最高频率 f m a x o 1 6 k 共存采样 点数据 为 n， 每周 期最 少采样 点数 为 n ， 通过 计算 f i n m a x = l / n f s 。列表如下: 表 2 i f s f i n m a x 3 3 khz 1 6 . 5 khz 8 . 3 k hz 4 . 2 khz 3 . 5接 口控制电路的实现 为了简化布线， 提高可靠性，图 3大方框内的电路是采用 x 工 l i n x公 司的c p l d x c 9 5 7 2实现的。随着数字集成化的发展及现代系统趋于复杂， 具有用户可在编程能力的器件， 如 c p l d将体现出其他传统器件无法比拟 的优点 。如高速工作 、体积小 、可靠性 高、开发周期短 等。尤其 是具有 的在板 可再配置能力使用户在电路板上利用 j t a g口可以多次对 c p l d进 1 1 : 功能配置， 并能进行前后仿真。 x c 9 5 7 2有 4块 3 6 v1 8 f u n c t i o n b l o c k组 成，内部提供 了 1 6 0 0个可用 门，7 2个宏单元，管脚 与管脚之 间的逻辑 延时 7 . 5 n s 。它的内部结构如图 1 0所示。 j t ag j t a i n - s y s t e mp r o g r a m mi n g 1 / o反 入 1/ o ( f u n c t i o n b l o c k i ma c r o c e i t s i/ o 1/o 臣 一】 i/o . 1/ o 眨 】 i/o /g c 长 二 】 / o /g s k舀 i/o / g t巫 f u n c t i o n bl o c k 2 ma c r o c e i t s 1 / 0 bl o c k s f u n c t i o n bl o c k 3 ma c r o c e i t s 任花艺名兰.的1山盆盆0目拐泛 f u n c t i o n bl o c k 4 ma c r o c e i t s 图 1 0 x c 9 5 了 2的内部结构 外部共有 8 4个管脚 ，g c l r为全局清零 全局使能，供下载及电源地共 2 1 个脚，其余 入，输 出或双 向。本 设计使用 了 3 5个 管脚 。 g c l k为全局时钟，g o e为 1 0管脚均可任意配置为输 接 口控制 电路的顶层 设计 采 用 原 理 图底层设计采用 v h d l语 言和原理图混合输入方式 。x c 9 5 7 2 内部功 能分配和对外的接 g连线如图 i 1 所示 。局部仿真波形如 图 1 2所 示 。基本达到 设计要求 。 夔 的n的l工 夔 舅 5月团卜门5二们刊宁明n硕入ll的二0户叨uo们29 厂 明u000的明uo项卜门suo们zr 尹 比一0一 n山v曰 ov艺 尸v曰 袋曰 乏兰 芝曰 的v曰 发兰 注兰 口v曰 段曰 op曰 尸勺一- 比0一曰 亏0-曰 0哎0曰 介中e口2 一一一 二 兰篆三士 二 1.仁曰1.| ， 哪 )，氏 一一 口 二一一 咭 一 1 1 一 1 :二 厂.11 ( ， 中讨 主李f薰益典内霭璀 爵一爵盼裘赚 j 声 考 兰 或弃 月 9 巴、 ”竺 戎 汀 l - , 1 止 一一 二扮- f -一 仁 , 一广 一 j c ，- 州犷 1 场 一屯 1 l 杯 翔会 屯 含 _iz j今 巨阵 口1.山月. 通 - . 4 忆 ， ) 可 -. 三0尸刃 三mn 三0尸k 0芝刀 0一刀0 卜卜ji汗卜卜一，卜1卜 门一一j| 卜!卜1丰f卜盯les卜州州f，.n州卜1 l i b r a r y i e e e ; use u s e u se i e e e . s t d _ l o g i c _ 1 1 6 4 . a l l ; i e e ei e e e . s t d _ l o g i c _ u n s i g n e d. a l l ; . s t d _ l o o i c _ a r i t h . a l l : e n ti t y c trl o u t p o r t ( s t a t e i : wr, r d e n d c trl ou t; i si n s t d _ l o g i c _ v e c 丁 o r ( 4 d o w n t o 0 ) ; : o u t std-logic): a r c h i t e c t u r e r t 1 o f c t r l o u t i s s i g n a l s t a t e : s t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 4 d o w n t o 0 ) ; be gi n p r o c eb e 言 si n s t a t e = s t a t e l ; i f ( s t a t e = 5 ) t h e n ，0;，1;5，0厂 w r = r d = e l s i f w r= t at e =6 t he n 0;l; r d = e l s i f w r= r d = e l s i f wr= r d = s t a t e = 7 t h e n 0 ; 1 ; s t a t e = 8 t h e n e l s i f s t a t e = 9 t h e n ，1 0- wr = r d = e l s i f s t a t e = 1 5 t h e n l;0; e l s i f w r= r d = s t a t e = 1 6 t h e n 1 0 e l s i f s t a t e = 1 7 t h e n 1;0; wr =， s t a t e = 1 8 t h e n 1:0; e l s i f s t a t e = 1 9 t h e n wr= r d = e l s e w r = 1 r d = 1 e n d i f ; e n d p r o c e s s e n d r t l ; : 孟 沪0 l i b r a r y i e e e ; u s e i e e e . s t d _ l o g i c _ 1 1 6 4 . a l l ; u s e i e e e . s t d _ l o g i c _ u n s i g n e d . a l l e n t i t y c o u n t1 8 i s p o r t ( c l k , q a, q b , e n d c o u n t 1 8 ; ar c hi te c tu re s i g n al c o u n ts begin c l r , e n : i n s t d - l o g i c ; q c , q d , q e : o u t s t d - l o g i c ) ; r t 1 o f c o u n t 1 8 i s : s t d - l o g 工 c _ v e c 下 o r ( 4 d o w n 下 0 0 ) q a = c o u n t 5 ( 0 ) ; q b = c o u n t 5 ( 1 ) ; q c = c o u n t 5 ( 2 ) ; q d = c o u n t 5 ( 3 ) ; q e = c o u n t 5 ( 4 ) ; p r o c e s s ( c l k , c l r ) be gin 工 ( c l r = o ) t h e n c o u n t 5 = 0 0 0 0 0 ; e l s i f ( c l k e v e n t a n d c l k = 1 ) t h e n 工 ( e n = 1 ) 丁 日 e n i f ( c o u n t 5 = 1 9 ) t h e n c o u n t s = 0 0 0 0 0 : else c o u n t 5 = c o u n t 5 + 1 ; e n d i f; end e nd if e n d p r o c e s s; e n d r t 1 ; i f ; , ,o l 4 7 l i b r ar y use ie e e us e i ee e. i e e e; . s t d _ l o g i c _ 1 1 6 4 . a l l ; s t d _ l o g i c _ u n s i g n e d. a l l; e n t i t y w r r d t i s p o r t ( c l k , c l r , e n : i n s t d - l o g i c w r e n d wrr dt r d : o u 下s 丁 。 - l o g i c ) a r c h i t e c t u r e r t 1 o f w r r d t i s s i g n a l c o u n t : s t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 4 d o w n t o 0 ) c omp one n t c ou n t1 8 p o r t ( c l k , c l r , e n : i n q a, q b , q c , q d , q e : e n d c o m p o n e n t; s t d - l o g i c; o u t s t d _ l o g i c ) c omp one n t c trl ou t p o r t ( s t a t e 1 : 工 ns t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 4 d o w n t o o ) ; w r, r d: o u t e n d b e g i n s t d - l o g i c ) : c o m p o n e n t; u l : c o u n t 1 8 ( c l k , c l r u 2: c t r l o u t ( c o u n t e n d r t 1 ; p o r t , en， p o r t m a p ， _ 、， _ 、- - -一 c o u n t ( u ) ， c o u n t ( i ) , c o u n t ( z ) , c o u n t ( 3 ) , c o u n t ( 4 ) ) : m a p , w r , r d ) : 1 _ 作流程: 软件发总清命令，选频字寄存器清岑，定时分频器清冬，状态字 清零，消除 d ma申请。 选择触发方式，当方式控制位为 1时，选外触发。为 0时，选内 触发 ( 默认) 。 选择采样频率 ( n p 送选频字， 当d , d o = 0 0 时， f 5 = 1 mh z ; d , d o = 0 1 ih 少 ，f s = 5 0 0 k h z ; d , d o = 1 0 u 寸 ，爪= 2 5 0 k h a ; d i d o = l l h 寸 ，f 、 二 1 2 5 k h z o ) 启动 a / d转换 。 选择数据传送方式，块传送。 ( i ) 采用查询方式，查询状态位，当f i f o写满时，通过/ f f标志使状 态位有效 ( 0 ) ，读状态位，如为 0 ,既可读数据。如为 1 ，继续查询。 ( h ) 5 k m d ma传输方式。首行进行 d ma初始化，然后等 f i f o写 满后， 通过/ f f发d ma q j 请信s ( d r e q 5 )i c p u同意， / d a c k i 1 1 / 1 0 r 有效，选通 f i f o的/ r ， 开始传送数据。当读完 1 6 k后，d ma c 发 t c 信 写通 知外 设传送 结束 。 ( 6 )进入数据处理程序 。如果想继续采集数据 ，循环上述步骤即可。 4 应用软件设计 4 . 1开发z具 l a b wi n d o w s / c v i 简介 l a b wi n d o w s / c v i 是美国n i 公司推出的一种基于c / c + + 语言的虚拟 仪器仪表的可视化开发工具软件。 l a b wi n d o w s / c v i 提供了丰富且功能强 大的各种控 制操作库和用 于数据分析 、处理和 多种输 出方式的库函数 ， 因而可 以容易地设计出符合实际要求 的仪表操作界面 ，并对采集到的实 时数据进行各种数学处理和运算。 用 l a b wi n d o w s / c v i 设计应用程序过程如下: ( 1 ) 首先a l a b wi n d o w s / c v i 环境 下建立自己的工作 ( p r o j e c t ) ， 一般包括以 h 三个文件: . h ( 头文件) . . u i r用户界面文件) 和. c( 源程 序 文件 ) ; ( 2 )设计建立仪表操作界面 ，形成. u i r文件 。l a b wi n d o ws / cvi提