（检测技术与自动化装置专业论文）基于pc104总线的多通道数据采集系统的设计.pdf

摘要 基于p c 1 0 4 + 总线的多通道 数据采集系统的设计 摘要 设备状态监测与故障诊断技术作为一门新兴的工程技术近年来得到 了飞速的发展，在设备维护中发挥着越来越重要的作用，同时也带来了巨 大的经济效益与社会效益。而网络技术、计算机与嵌入式技术的不断进步 又为状态监测与故障诊断提供了新的发展方向。 本课题根据工业状态监测与故障诊断应用的实际需求，在p c 1 0 4 + 总 线基础上设计了一种可扩展式的数据采集系统基于p c 1 0 4 + 总线的 多通道数据采集系统。本数据采集系统将p c 1 0 4 + c p u 模块中的p c i 总 线进行处理与扩展，将其转换为针对数据采集应用优化的内部自定义总 线，使其可以以较高速度支持更多的数据采集子设备，并基于此自定义内 部总线设计多通道数据采集系统。另外，本系统还对数据采集部分进行改 进，使信号调理部分直接集成到数据采集通道，无需额外进行信号调理， 使本系统更加适用于工业数据采集应用。 论文对故障诊断技术及其目前的发展作了简要阐述，在对多种方案进 行对比的基础上提出了基于p c 1 0 4 + 总线的多通道数据采集系统，对系统 中使用的自定义总线与各部分板卡的硬件设计与实现进行了详细的说明， 介绍了本数据采集系统使用的软件系统，并给出了系统软件设计思路与总 体框架。经实际测试表明，本数据采集系统工作稳定，性能可靠，数据处 理速度快，达到了预期的设计要求，非常适于工业现场数据采集。 关键词：p c 1 0 4 + ，p c i 9 0 5 2 ，故障诊断，数据采集，信号调理 d e s i g no fm u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e d0 np c 10 4 + b u s a b s t r a c t a san e wk i n do fe n g i n e e r i n gt e c h n i q u e ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df i a u l t d i 婚l o s i sh a s ( 1 e v e l o p e dq u i c l ( 1 yi nr e c e n ty e a r s i tp l a y sam o r ea i l dm o r e i m p o r t a n tr o l ei nd e v i c ep r e d i c t i v em a i n t e n a n c e ，a n db r i n g sg r e a tb 肌e f i t st o t h es o c i a la n de c o n o m i c a n dt h ed e v e l o p m e n to fe t n b e d d e ds y s t e m ，i n t e m e t a n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yo f f e r san e wo r i e n t a t i o no fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d 童u l td i a g n o s i s a c c o r d i n g t om ed e m a n d so fp l a n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df i a u l t d i a g n o s i s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sm ed e v e l o p m e n ta n di m p l e m e n to fan e w e x t e n d a b l em u l t i 。c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do np c 10 4 + c p u m o d u l e i nt h es y s t e m ，t h ep c ib u so fp c 10 4 + c p um o d u l ei st r a n s l a t e di n t o c u s t o m i z e dl o c a lb u s ，w h i c hi so p t i m i z e df o rd a t aa c q u i s i t i o n 印p l i c a t i o n sa n d c 锄s u p p o r tm o r ed a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e s t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e da n dd e s i g n e db a s e do nt h ec u s t o m i z e dl o c a l b u s a n dt h ed a t a a c q u i s i t i o np a r to f t h i ss y s t e mi si n t e g l j a t e dw i t hs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ， w h i c hm a k e si tm o r es u i t a b l ef o ru s i n gi nt h ei n d u s t r i a lf i e l d s 1 nt h i sp a p e r ，t e c h n i q u eo fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i si s i u u m i n a t e d b r i e n y t h e a d v a n t a g e s o fp c 10 4 一p l u s s p e c i 行c a t i o n a r e l i i 北京化工人学钡二l 二学位论文 i m r o d u c e d t h eh a r d w a r es t l l l c t u r ea n ds o r w a r ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h i s m u l t i c h a n n e ls i m u l t a n e o u sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r es e tf o r t h i nt e s t s ，t h i s d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m h a sr e l i a b l ea n de x c e l l e n t p e r l o n l l a n c e ， w h i c h a c h i e v e st h e e x p e c t e dd e s i g nr e q u e s t ， a n di ss u i t a b l ef o ri n d u s t r i a l 印p l i c a t i o n s 1 ( e y w o r d s ：p c l0 4 - p l u s ，p c i 9 0 5 2 ，f l u l td i a g n o s i s ，d a t aa c q u i s i t i o n ， s i g n a lc o n d i t i o n i n g i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声 j 月：所呈交的学位论文，是本人存导师的指导卜，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发农或撰写过的作品成果。刘奉文的研究做重 要贡献的个人和集体，均已在文巾以明确方式标明。本人完全意识剑本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：型垦叁 r 期：2 1 1 堡：曼：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工人 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被金阕和借阅；学校日以公布学位论文的全部或部分内粹，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学何论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权弦。 作者签名：型堡叁 导师签名：p 忽权 日期：垫口丛q 日期：尘曰g f 第一章绪论 1 。1 故障诊断技术概述 第一章绪论 近些年来，随着科学技术的进步，机械工业得到了迅速的发展，机械设备工作强 度不断增大，生产效率、自动化程度也越来越高，同时设备也更加复杂，各部分的关 联更加密切，现代机械工程中的机械设备朝着轻型化、大型化、重载化和高度自动化 等方向发展。越来越高的设备集成度和自动化程度，在一定程度上促进了现代工业生 产效率的提高。但由于机械设备强度、结构、振动、噪声、可靠性、材料与工艺等问 题以及生产中的损耗等原因，设备故障时有发生，对生产造成较大的影响与损失，然 而设备故障难于判断，维修费用也大幅上升，因此提高设备运行的安全性、可靠性， 降低维护和生产费用成为工业过程关注的焦点【l 2 j 。 传统的预防性定期维修和运转至损坏再维修的设备维修体制已不能满足现代化 生产的要求，一门新兴的交叉工程学科一设备故障诊断，正是在这样的背景下产生 的【3 1 。机械设备状态监测与故障诊断技术初步形成于2 0 世纪6 0 年代末。它是一项年 轻的技术，是一门既有基础理论又有广泛实际应用背景的、正在不断完善和发展的交 叉性工程应用型学科。近些年来，一些传统学科和新兴学科的引入和应用，使得机械 设备状态监测与故障诊断技术得到了迅速的发展。 如今，机械设备状态监测与故障诊断技术已经发展成为由数学、物理、力学、传 感器以及测试技术、电子技术、计算机技术、信息处理、人工智能、网络技术等各种 现代科学技术于一体的较为完善的新兴边缘综合工程学科【4 j 。该学科以设备的管理、 状态监测和故障诊断为内容，以建立新的维修体制为目标，已经在欧美、日本以不同 形式获得推广和应用，成为国际上一大热门学科。它采用科学的预知维修技术，通过 设备监测对设备物理过程及状态的准确监测和评价，可以有效的防止设备突发事故， 对设备运行过程中的异常现象提供明确的事件数据及原因，在一定程度上克服原有维 修过程中的问题p 6 j 。 所谓状态监测，就是对被测设备进行某些状态参数的采样，并对这些参数进行相 应的处理，从而判断被测设备是否工作正常，是否存在故障，确定设备的维修方案。 状态监测是基础，故障诊断是目的。由此可见，故障诊断与状态监测是密不可分的， 对信号做各种分析的同时就是故障诊断的过程【7 】。用于故障诊断的状态监测系统一般 可以分为两类，即在线监测和离线监测。前者主要用于大型重要设备和关键机组的连 北京化u t 大学硕i ：学位论文 续监测和故障诊断，其系统构成复杂，费用昂贵，专用性强。后者则具有投资小、安 装相对简单、维护成本较低等一系列的优势，更加适用于中小型非关键设备的故障诊 断应用。而目前被广泛使用的中、小型数据采集、振动分析与故障诊断设备正是属于 此种类型。 设备故障诊断的成功应用为工业企业带来了巨大社会和经济效益，这也使得设备 故障诊断技术从理论研究到实际应用都有迅速的发展。随着计算机技术、微电子技术 与互联网的迅猛发展以及广泛应用，设备故障诊断技术的研究与开发具备了新的条件 和基础，也开始走向更加广泛的应用领域。其中，嵌入式设备的快速发展与广泛应用 为设备故障诊断向便携式与实时处理等方面的发展提供了良好的条件，也为用于故障 诊断的数据采集、振动分析等设备提供了新的设计思路与方法【s 一。 1 2 国内外发展概况吣1 由于现代社会生产的需求不断扩大，故障诊断也得到了迅猛的发展。与此同时， 随着现代化技术的进步，故障诊断与监测设备的研究也已成为当今科技研究的热点课 题，并取得了巨大的经济效益与社会效益。 一 2 0 世纪7 0 年代以来，随着电子技术和信号处理技术的迅猛发展，故障诊断技术 研究的不断深入，极大的促进了状态监测与故障诊断设备水平的提高。美国早在1 9 6 7 年就开展了故障诊断技术的研究与开发，制定了一系列有关设备设计、制造、试验和 故障诊断及预防的标准规程，并在航空、工业以及军事部门的诊断技术中占有领先地 位。已经开发出很多成功的故障诊断与在线、离线状态监测产品，如美国b 锄t l yn “a d a 公司开发生产的d m 2 0 0 0 系统和亚特兰大公司生产的m 6 0 0 0 系列产品、m 7 7 7 便携式 数据采集器等产品。此外，加拿大、欧洲各国、日本等国也在机械设备故障诊断方面 取得了很大的进展，如瑞典s p m 公司的测振仪器，丹麦b & k 公司的振动信号监测和 分析系统，英国d i 公司的双通道数据采集器p l 3 0 2 ，法国的0 1 d b s t e l l 公司推出的双 通道数据采集分析仪等。另外，由欧洲著名的国际测量学会技术诊断委员会于1 9 8 2 年发起的国际性学术会议，每隔一到两年就要举办一次，对促进诊断技术的发展起了 积极的推广和促进作用。 国内在故障诊断方面起步较晚，但也有着较快的发展。从2 0 世纪8 0 年代开始， 国内部分高等院校和科研机构在吸收国外先进技术的基础上，展开了对故障机理和诊 断方法的研究。如今，无论是在诊断理论、诊断技术和诊断方法，还是在工程应用中 都取得了丰硕的成果。在此基础上也生产出了成熟的故障诊断与设备状态检测系统。 如哈尔滨工业大学研制的故障诊断装置“m m m d i i i ”、由哈电工仪表研究所、清华、 哈工大等多家单位联合研制的“2 0 0 m w 汽轮发电机组状态监测分析及故障诊断系 2 第一章绪论 统”、郑州工学院推出的m m d b 一9 0 系统、浙江大学推出的c m d i i i 型系统、西北工 大推出的m d 3 9 0 5 系统等等。目前我国的诊断技术研究和工程应用已经形成了一定的 规模，在冶金、化工、机械、交通、电力、以及核工业部门中都取得了一批卓有成效 的成果，并在某些领域已达到了国际先进水平。 1 。3 本课题的主要研究内容 本课题的研究内容正是与上文所述的故障诊断领域密切相关，主要用于故障诊断 监测系统中前端的数据采集部分一种基于p c 1 0 4 + c p u 模块的多通道数据采集 系统。p c 1 0 4 较之普通p c 毫不逊色，但其集成化程度高，体积小，软件开发成本低， 因此决定了它更加适合工业控制及嵌入式系统中的应用。而本课题正是将p c 1 0 4 + 这 种优势应用到可扩展式的数据采集系统上。本套数据采集系统采用了性能强劲且具有 丰富外设的p c 1 0 4 + c p u 模块作为系统控制单元。在该模块基础上，根据现场要求， 对p c 1 0 4 + c p u 模块的单路p c i 总线进行了转换，使其扩展为本数据采集系统的自定 义内部总线，从而可以在单路p c i 总线接口的基础上支持更多的数据采集子设备，进 行多通道数据采集。不但节省了系统内部p c i 总线资源，在很大程度上减少了同时多 路p c i 板卡引起的系统资源冲突，而且针对数据采集应用进行了总线优化，更加适用 于多通道、多参量同步数据采集应用。此外，针对现场应用中传感器输出信号类型的 不同，对数据采集系统前端电路进行了改进，将丰富强大的信号调理功能直接集成到 各个数据采集通道，使本系统直接面向传感器，无需额外进行信号调理，也更加适用 于工业现场数据采集应用。 本文的主要研究开发内容如下： 1 多通道数据采集系统总体方案设计 经过对国内外一些数据采集系统的分析，提出了一种基于p c 1 0 4 + c p u 模块的数 据采集系统。本系统以符合p c 1 0 4 + 规范的c p u 模块为核心，通过该模块上的p c i 总线进行系统扩展。在此基础上，设计相应的总线扩展及数据采集等系统板卡实现系 统功能。 2 系统自定义内部总线设计 系统自定义内部总线是本数据采集系统的核心所在，设计时参照了p c i 总线， v m e 总线及其它相关技术资料，对总线信号进行了筛选，简化了总线操作，更加适 合于数据采集的需要。 3 系统各部分板卡硬件结构设计及实现 本套数据采集系统中共有三种不同功能的板卡，即系统总线母板、系统主控制卡 和数据采集卡，分别用于总线信号传输、实现系统控制总线转换与信号调理数据采集 3 北京化工大学硕：j ：学位论文 功能。 4 本数据采集系统硬件调试及相关测试 主要包括总线调试、板卡通讯调试、板卡功能测试、信号调理、数据采集精度测 试，以及最终整个系统的整体功能应用测试。 4 第二章多通道数据采集系统总体结构设计 第二章多通道数据采集系统总体结构设计 数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) 就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，经过 信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、 存储和显示的过程，而相应的系统则为数据采集系统5 l6 。数据采集是一门以传感器、 测试技术、电子技术和计算机技术等为基础的一门综合应用技术，它是信息技术的重 要组成部分之一。本文研究的主要内容就是一种多通道数据采集系统，数据采集系统 处于状态监测与故障诊断系统的前端，发挥着信息获取的重要作用。它可以被看作是 状态监测与故障诊断系统的一部分，也可以被看作一个独立的系统。 2 1 故障诊断系统概述 随着科学技术的不断进步与发展，工业生产与制造进程中广泛应用的机械设备也 正朝着大型化、高速化发展，同时也越来越复杂。由此产生的设备日常维护工作也变 得越来越艰巨，维护成本也随之逐渐升高。同时随着故障诊断技术的迅猛发展，各种 各样的故障诊断设备与状态监测设备应用也越来越广泛。这些设备采用科学的预知维 修技术，通过对设备物理过程及状态的准确监测和评价，可以有效的防止设备突发事 故，在一定程度上克服原有维修过程中的问题。典型的故障诊断系统大体由以下各部 分构成。 信 i l 设数， i 故 备入 传 据八分 i 卜 障 对 v 感 p 采 析 叫 l 诊 y 处 l 。 断 器 !。 理 l 象集 i ： 状态监测： i - - - - _ _ _ - - _ _ _ j 图2 1 典型故障诊断系统构成图 f i g2 - 1b l o c kd i a g r a mo f 帅i c a lf a u l td i a 印o s i ss y s t 锄 5 北京化工人学硕| ：学位论文 由图2 1 所示，状态监测是一个故障诊断系统中的重要组成部分，这一部分直接 面向设备对象，对设备对象工作过程中的各种状态参数进行采样，对所得到的各种数 据分析处理后直接用于故障诊断中，判断被测设备是否工作正常，是否存在故障，从 而确定设备的维修方案。由此可见，状态监测是故障诊断系统能否j 下常有效工作的基 础。状态监测是故障诊断的基础，故障诊断是状态监测的目的。 2 2 数据采集系统概述 由图2 1 可见，数据采集处于状态监测系统的前端，主要用于通过各种传感器实 现对设备对象各种性能参数的采样过程，把传感器的模拟信号转换成数字信号传入系 统，便于对各种监测数据进行分析。本课题的主要研究内容正是一种用于状态监测的 新型多通道数据采集系统。 2 2 1 数据采集系统组成结构睁忉 数据采集系统既是状态监测与故障诊断系统的一部分，也可以被看作一个独立的 系统。通常的数据采集系统由以下几部分组成：传感器、信号调理模块、数据转换模 块、数据缓冲器、数据传输总线、微处理器、电源模块以及数据采集软件部分。数据 采集系统组成结构图及各部分功能如下： i数据采集系统。 l i 图2 - 2 数据采集系统结构图 f i g2 2b 1 0 c kd i a g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t 啪 数据采集系统前端的传感器是实现数据采集与监测的首要环节，它的作用是将所 测的某一物理量，按一定规律转换为与之对应的另一种物理量并输出。数据采集系统 性能的可靠与稳定都是建立在传感器的可靠工作基础上的，传感器对于系统的作用至 关重要。一般情况下，为了实现对监测设备进行准确的故障诊断，往往需要不同的传 6 第二章多通道数据采集系统总体结构设计 感器同时工作，以便获得不同的过程参数。在机械故障诊断应用中，常用的传感器主 要有：温度传感器、位移传感器、速度及加速度传感器等。 而不同传感器产生的信号在电压范围、信号类型以及信号质量等方面都存在着较 大的不同，一般无法直接进行模拟数字转换。典型的数据采集系统都需要信号调理电 路对传感器信号进行调理。调理电路一般位于传感器与数据转换器之间，用于对信号 进行必要隔离、放大、滤波等硬件处理，使其符合后端a d 转换器的要求。良好的信 号调理电路能够极大的提高与改善数据采集系统的性能。 数据转换器即加转换器，它的作用是将前端输入的模拟信号转换为系统可以处 理的数字信号，是整个数据采集系统的关键部分。不同的数据采集系统对数据转换器 的数据转换速度、转换精度与信号输入范围等要求也不相同。 实际应用中a _ ，d 转换器的数据转换速度往往与系统数据总线传输速度不匹配，由 于数据转换速度较慢，这就会造成对系统总线资源的浪费。因此，大部分应用中都会 在数据转换器与系统总线之间加入一定容量的数据缓冲器，用于对d 转换的输出数 据进行暂存，提高系统总线的利用率。 系统总线是数据采集系统各部分连接的桥梁，来自系统不同部分的数据在系统总 线上传输。而使用不同种类的总线直接决定了系统的数据传输速度、系统整体性能以 及系统的扩展能力。如今，随着微处理器及其相关技术的飞速发展，总线技术也发生 了很大的变化。在数据采集领域的总线应用大致可以分为两类，即串行总线技术与并 行总线技术。应用较为广泛的串行总线有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 以及高速的u s b ( u m v e r s a l s 商a l b l l s ) 总线。并行总线方面，i s a ( i n d u s t r ys t a l l d a r d a r c l l i t e c t u r c ) 和e i s a ( e x t 肌d e d i i l d u s 时s t a l l d a r d 删l i t e 曲鹏) 总线已经被速度更快的p c i ( p 萌p h e r a lc o m p o n e n t i n t e d i l i l e c t ) 总线所代替。而仪器专用总线p x i ( p c ie x t s i o n sf o r i n s 饥：l m e i l t a t i o n ) 、 v ( v m e ( v e r s a m o d u l ee u r o c a r d ) e x t e i l s i o n sf o ri n s t r t l m e i l t a t i o n ) 也得到了更加广 泛的应用。 ， 微处理器是一个数据采集系统的核心所在，它不仅是数据采集系统硬件部分的控 制模块，也是数据采集软件的执行单元，对整个系统进行管理。对硬件而言，微处理 器的性能直接关系到系统的数据采集速度、性能与系统功耗问题。对软件而言，选择 不同类型的微处理器决定着操作系统的选择，同时也影响着软件开发的难易与开发成 本。可见对于不同应用的数据采集系统，选用合适的微处理器对于提高系统性能与工 作效率至关重要。随着微电子与微处理器技术的不断进步，微处理器也更加专用、速 度更快、性能更强。特别是随着嵌入式技术的飞速发展，成本低、速度快的嵌入式微 处理器( 如d s p 、a l w 、单片机) 在数据采集领域得到了广泛的应用，使数据采集 技术进入了一个新的发展阶段。 数据采集软件控制着数据采集系统的整个工作过程，根据用户的不同需求对数据 采集过程进行相应的设置，接收由数据采集硬件部分传输的数据，根据要求保存数据 7 北京化工人学硕+ l ：学位论文 采集的时间、数据等信息，并对数据进行分析与处理。 2 2 2 常见的数据采集系统 如上文所述，微处理器是一个数据采集系统的核心，直接关系到系统的工作性能。 而总线是数据采集系统各部分连接的桥梁，是数据采集系统的重要组成部分，它也在 很大程序上影响着系统的性能与扩展性。当前越来越多的应用要求数据采集系统具有 良好的系统性能，更高的数据采集速度，和灵活的可扩展性，以根据不同系统需求进 行自由配置。根据所使用的数据传输总线与微处理器的不同，数据采集系统也具有不 同的应用特点。 2 2 2 1 基于u s b 总线的数据采集系统n 1 u s b 总线，即通用串行总线，是一种接口简单、快速双向、同步传输的总线，且 支持热插拔，具有自动配置能力。u s b 2 o 最高传输速率为4 8 0 m b s ，它不仅在p c 领 域得到了广泛的使用，而且在工业领域基于u s b 总线的数据采集与传输系统也成为 了一种发展趋势，它已经被越来越多的用户所接受，得到了广泛的认可u 引。 相对于数据采集领域其它的总线技术，u s b 总线有着无可比拟的优势。首先，u s b 总线有着很高的传输速率，这就决定了它可以应用于高速数据采集场合而不会有速度 瓶颈。其次，u s b 具有其它总线不具备的热插拔特性，安装、移除方便灵活，没有任 何跳线及中断设置，完全可以由系统自动配置，而不被限于特定的系统之下，设备也 便于携带。此外，u s b 总线结构简单，只有4 根信号线，且由总线供电，开发成本低， 易于实现。目前国内外已经有多家公司开发出了基于u s b 总线的工业数据采集产品， 其中较为成熟的产品有美国d a t at r 觚s l a t i o n 公司d t 9 8 0 0 系列u s b 总线数据采集产 品，美国n i 公司的u s b 9 2 1 9 、u s b 一9 2 2 9 等产品。 但基于u s b 总线的数据采集卡依然不是工业数据采集应用的主流选择，以下几点 原因在一定程度上影响了u s b 数据采集卡的应用。虽然理论上u s b 可以实现高达1 2 7 个设备的连接，但实际应用中的绝大部分工业控制计算机只有很少数的u s b 接口， 根本无法连接更多的u s b 设备，这就造成了u s b 数据采集设备只能应用于小规模数 据采集。另外，u s b 接口虽然可以为设备供电，但供电负载只有5 0 0 i l l a ，设备功耗 过高就会导致供电不足。这也在很大程度上制约了u s b 接口的便携式数据采集产品 无法加入更多的采集通道，实现更复杂的功能。 2 2 2 2 基于p c i 总线的数据采集系统n 瓦仃，制 p c i 总线是一种同步且独立于处理器的高速局部总线，它最大的特点就是数据传 输速度快。p c i 总线可以工作在3 3 m h z 或6 6 m h z 频率下，p c i 总线传输速率为 8 第二章多通道数据采集系统总体结构设计 1 3 2 m b s ，最高可以达到5 2 8m b s ，并支持无限突发读写方式，以及d m a 方式。p c i 局部总线具有高性能、兼容性好、不受微处理器限制、低成本、高效益、可扩展性好 的特点，在如今的p c 市场中已经被越来越广泛的应用，并在此基础上制定了速度更 高的新版p c ie x p r e s s 总线。 同样在工业数据采集领域，由于p c i 总线的以上优点，大部分生产厂商都将其用 于数据采集设备的主流产品中，从而大大提高了数据采集系统的工作性能。在过去的 几年中，p c i 总线以其巨大的优势逐渐取代了慢速i s a 总线在工业数据采集领域的主 导地位，被广为应用在各种工业监测与控制场合。较为典型的产品有美国n i 公司的 n ip c i - 6 2 2 01 6 通道2 5 0 k s p s 数据采集卡，中国台湾研华公司的p c i 1 7 1 4 四通道同步 3 0 m s p s 模拟量输入卡等等。 然而基于p c i 的通用数据采集卡也存在着一些不足之处。p c i 板卡必须拆机安装、 安装麻烦，价格也比较昂贵。另外，还经常受计算机插槽数量、地址、中断资源限制， 可扩展性差，尤其不适于多被测对象、多测量通道的数据采集应用。这些不足也在一 定程度上制约了p c i 数据采集卡的进一步应用。 2 2 2 3 基于p c 1 0 4 总线的数据采集系统鼠矧 与以上两种总线相比，p c 1 0 4 总线完全是一种新型的思路，近年来p c 1 0 4 一直 是嵌入式控制市场最受欢迎的技术规范之一。它是一种超小型p c 微机所用的总线标 准，它体积小、结构紧凑，功耗低，在各种工业控制应用中广受欢迎。特别适于嵌入 到对体积和功耗都有着严格要求的产品中。p c 1 0 4 最大的优点就在于它在硬件上和软 件上与p c 完全兼容，实质上就是一种为满足工业控制与小型化设备的要求而开发出 来的l s a 总线。 p c 1 0 4 总线产品在电气和机械特性上可靠性极高，其板卡功耗低，产生热量小， 而且取消了底板与插槽的连接方式，板卡间采用自堆栈式结构，抗震能力强。p c 1 0 4 模块具有灵活的可扩展性，可随系统要求增加不同功能板卡，增加系统的功能和性能 只需通过改变相应的模块即可实现，而无需对新产品重新设计。此外，p c 1 0 4 与普通 p c 在软件方面完全兼容，有着丰富的p c 软件资源，从而大大降低了软件开发成本， 减少产品开发周期。 凭借着低廉的软件开发成本，优秀的开发工具，便利的可升级性，p c 1 0 4 成为了 众多嵌入式系统开发者的选择。正是由于这些特点，p c 1 0 4 自9 0 年代推出以来就得 到了突飞猛进的发展，它已经被越来越多的硬件生产厂商所接受，基于p c 1 0 4 的各 种产品层出不穷，大部分产品被用于工业测量、控制以及嵌入式产品应用领域。如今， 基于p c 1 0 4 总线的产品已经非常成熟，产品种类十分丰富，较为知名的厂商有美国 r t d 公司、瑞士d i 酉t a l l o 西c 公司、中国台湾研华公司等。 由于p c 1 0 4 本质上就是一种紧凑型的i s a 工业总线规范，但1 6 位i s a 总线c p u 9 北京化工人学硕：l 学位论文 占用率高，最大传输速率仅为8 m b s ，总线数据传输速率较低，只能用于连接慢速设 备。随着高速p c i 总线技术的出现，i s a 总线已经逐渐被p c 厂商所淘汰。而面向工 业及嵌入式应用的p c 1 0 4 也出现了同样的情况，虽然p c 1 0 4 得到了广泛的认可与应 用，但对于高速数据采集系统而言，p c 1 0 4 已经很难应对自如。为了应对这种情况， p c 1 0 4 协会理事会随后开发了新的规范，将p c i 总线技术融入了p c 1 0 4 规范中， p c 1 0 4 + 规范就此产生。 2 3 基于p c 10 4 + 总线的多通道数据采集系统简介 如上文所述，随着计算机技术的不断进步，数据采集领域得到了突飞猛进的发展， 基于不同技术背景的数据采集方案层出不穷，各有优缺点。比如基于p c i 总线的数据 采集传输速度快，但板卡安装不便，受到计算地址、中断资源限制，可扩展性差；而 p c 1 0 4 方案功耗低，可靠性高，扩展性好，有丰富的软件资源，但总线传输速度慢， 针对高速数据采集应用就显得无能为力。而p c 1 0 4 + 总线的出现将二者的优势融为一 体，将高速p c i 总线带入了p c 1 0 4 之中，是对p c 1 0 4 总线的继承与发展。在做到与 p c 1 0 4 兼容的同时，也极大的克服了p c 1 0 4 总线传输速度不高的弊端。p c 1 0 4 + 作为 嵌入式应用领域的一门热门技术，不仅具有p c 1 0 4 尺寸小，功耗低，可靠性高，扩 展性好的特点，更具备了高速p c i 总线的传输速度。但与其它的p c i 总线设备一样， p c 1 0 4 + 仍然摆脱不了计算地址、中断资源限制，支持板卡数量也十分有限，否则容 易产生系统资源冲突。 而本课题所设计的基于p c 1 0 4 + 的多通道数据采集系统正是将p c 1 0 4 + 总线的这 种特点应用到可扩展式的数据采集系统上。在本数据采集系统中定义了一种自定义内 部总线，该内部总线由p c 1 0 4 + c p u 模块的p c i 总线转换扩展而来，并专门针对多通 道数据采集应用进行优化设计。自定义内部总线可以在系统资源不发生冲突的情况 下，以较高的速度传输数据，支持多个多通道同步数据采集板卡进行数据采集。本多 通道数据采集系统采用插卡式结构，可针对不同应用随时更换不同功能的数据采集 卡，甚至系统c p u 板卡，系统配置灵活，可扩展性强。 2 3 1 基于p c 1 0 4 + 总线的多通道数据采集系统方案 本课题研究内容的正是将上文所述p c 1 0 4 + 的这种优势应用到可扩展式的数据 采集系统上。将p c 1 0 4 + c p u 模块中的一路p c i 总线进行扩展，利用p c i 桥芯片与 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o 百cd e v i c e ) 将其转换为针对数据采集应用优化的内 部自定义总线，使其可以以较高速度支持更多的数据采集子设备，并基于此自定义内 l o 第- 二章多通道数据采集系统总体结构设计 部总线设计多通道数据采集系统。从而通过对一路p c i 总线的复用，实现多通道数据 采集系统。此外，本数据系统还对数据采集部分进行改进，使信号调理部分直接集成 到数据采集通道，无需额外进行信号调理，使本系统更加适用于工业数据采集应用。 本课题研究的基于p c 1 0 4 + 总线的多通道数据采集系统充分考虑了工业现场应用 要求，系统采用类似于v m e ( v e r s a m o d u l ee u r o c a r d ) 总线、c p c i ( c o m p a c tp e r i p h e r a l c 0 m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线的母板与多子板卡的插卡式系统结构，整个系统固定于 3 u 8 4 t e 尺寸标准机箱内，机箱可以直接安装在工业现场的标准机柜内。系统内部主 控制卡及数据采集卡使用1 0 0 m m 幸2 2 0 m m 板卡尺寸，最多可支持1 2 块不同功能数据 采集卡与一块载有p c 1 0 4 + c p u 模块的系统主控制卡同时接入系统。 本数据采集系统主要由多种不同功能的板卡组成，大体上可以分为以下三种，即 系统主控制卡、自定义总线母板与数据采集卡，每种板卡功能各不相同，本系统整体 设计结构及各部分关系如图2 3 所示。 ：系统主控制卡! 图2 - 3 本数据采集系统组成结构图 f j g2 - 3b l o c kd i a g r a mo ft l l ed a t aa c q u i s i l i o ns y s t 锄 系统总线母板是整个数据采集系统的基础，是系统主控制卡与数据采集卡的连接 通道，数据采集系统使用的自定义总线信号通过系统总线母板进行传输。此外，系统 总线母板也是整个系统的结构支撑，系统主控制卡与数据采集卡通过系统总线母板接 入系统，通过接插件实现与总线母板的牢固连接，并由系统总线母板为系统内部各功 能板卡供电。 系统主控制卡是整个数据采集系统的主要控制单元，也是本系统的核心组成部分。 系统主控制卡由p c l0 4 + c p u 处理模块与自定义总线扩展板共同组成，系统其它组成 部分的设计都与系统主控制卡密切相关。本数据采集系统的操作系统与数据采集软件 北京化丁人学f 唤i j 学位论义 程序都安装在p c 1 0 4 + c p u 模块。总线扩展板使用插栈式结构连接p c 1 0 4 + c p u 模 块，并通过主控制卡上的p c i 桥接芯片与c p l d 对p c 1 0 4 + c p u 模块p c i 总线进行 扩展，经译码转换后与自定义内部总线实现互联，在本数据采集系统中使用。系统扩 展板还对p c 1 0 4 + c p u 模块供电，并实现c p u 模块外围接口的扩展，如u s b 、v g a ( v i d e og r a p h i c sa r r a y ) 、网口、串口等常用接口。 数据采集卡用于处理由工业现场传感器根据被测物理量转换出的模拟信号，在对 这些信号进行放大、滤波等信号调理处理后进行d 数据转换，并最终将转换后的数 据通过内部自定义总线传输给系统主控制卡处理。本系统中数据采集卡可实现4 通道 1 6 位精度同步数据采集，最高采样率2 5 0 k s p s 。数据采集卡完全基于自定义内部总线 设计制作，并在每块数据采集板卡d 数据转换前端集成了功能丰富的信号调理电 路，更加适合工业现场应用。 基于p c 1 0 4 + 总线的多通道数据采集系统主要由以上三部分板卡组成，系统在 p c 1 0 4 + 总线的基础上扩展出自定义内部总线，并以此为基础实现整个系统，在兼顾 总线速度的同时实现了多个板卡的同时接入，提高了系统的可扩展性。 2 3 2 本数据采集系统相关技术简介 2 3 2 1p c i 技术概述n 置”砘堋 p c i 总线，即外围部件互连总线，是目前p c 主板上最常见，p c 领域应用最广泛 的总线。它是一种先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。在p c i 总线出 现以前，i s a 总线在p c 中占有统治地位，但随着计算机技术的飞速发展，慢速的i s a 总线变的越来越不适应，并影响到了处理器的性能发挥。1 9 9 1 年由美国i n t e l 公司首 先提出了p c i 总线的概念，并与i b m 、c o m p a q 、h p 等公司联合，于1 9 9 3 年推出了 p c i 局部总线标准。 p c i 总线与之前的i s a 总线不同，它并不受制于处理器。p c i 总线并没有与微处 理器直接相连，而是在c p u 与原来的系统总线之间插入级总线，由一个桥接电路 实现对这一层的管理，把p c i 总线与局部总线连接起来，并实现上下层之间的接口以 协调数据的传输。p c i 总线实际上是位于微处理器的局部总线与标准扩展总线之间的 一种总线结构，p c i 局部总线结构如图2 4 所示。 1 2 第二章多通道数据采集系统总体结构设计 图2 4p c i 系统组成结构图1 2 4 j f i g2 4p c is y s t e mb l o c kd i a g r a m 图2 4 是一个典型的p c i 总线系统结构图。如图所示，p c i 系统可以做到高速外 部设备与低速外部设备共存，p c i 总线与i s a 、e i s a 总线共存。c p u 、缓存、存储器 等子系统经过p c i 桥连接到p c i 总线上，桥设备可以使p c i 操作与c p u 总线分开， 而不会相互影响，并实现了p c i 总线的全部驱动控制。基于此种结构，p c i 总线不会 受到处理器种类的限制，适合于各种c p u ，有着良好的稳定性和广泛的兼容性。而 p c i 局部总线的广泛使用又是与它的巨大优势分不开的。 p c i 总线最大的优势就在于它有着很高的数据传输速度。最初发布的p c i1 o 就可 以支持3 3 m h z 工作频率，最大传输速率为1 3 2 m b s ，已经远远超过标准i s a 总线 5 m b s 的速度；而v 2 1 工作在6 6 m h z 频率时其传输速率可以达到5 2 8 m b s ，这就使 得它可以满足当前的绝大部分应用。目前p c i 总线有4 个版本，分别支持3 2 位与6 4 位总线宽度，其下细分为3 3 v 和5 v 两种信号，可以支持目前绝大多数外围设备的应 用。p c i 总线不仅性能优越、处理能力强、传输速度高，而且p c i 总线的使用可以降 低系统成本，有着较低的设计费用。 p c i 总线支持线性数据突发传输模式，可确保总线不断满载。实际操作中，可按 照地址顺序自动读取大量数据，充分运用总线宽度进行数据传输。p c i 的突发读取与 写入功能对大数据连续读写操作尤其重要。另外，支持p c i 的设备存取延误极小，大 幅减小了外围设备取得总线控制所需要的时间，为p c i 外围设备提供更快的存取速度。 p c i 总线还具有总线主控与同步操作功能。它允许外围设备暂时接管总线控制，并允 许微处理器与这些总线主控设备同进进行操作，从而提高总线利用率和总线数据传输 速度。 1 3 北京化工大学硕 ：学位论文 p c i 总线的自动配置功能可以使用户在安装p c i 卡时无需拨动开关或跳线，而相 应的资源初始化设置能够直接交给系统b i o s ( b a s i ci n p 州o u t p u ts y s t 铋) 处理。p c i 总线具有良好的兼容性，它与之前的i s a 、e i s a 总线完全兼容。p c i 总线还支持6 4 位地址数据多路复用功能，为进一步开发预留了充分的发展空间，这也是它的重要 特性之一。此外，p c i 芯片将大量系统功能高度集成，节省了逻辑电路，大大降低了 系统成本。正是由于p c i 总线具有以上这些特点，才会在p c 及工业控制领域得到越 来越广泛的应用。 2 3 2 2p c 10 4 + 技术概述旺5 。删 嵌入式系统即把计算机直接嵌入到应用系统中，它融合了计算机软硬件技术、通 讯技术和半导体微电子技术，是信息技