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电器试验参数高速信号拾取的研究 摘要 目前，低压电器正向大容量化、小型化和高性能化方向发展，同时对低压电器产品的 性能和可靠性提出更高的要求，为了检测低压电器产品的性能。需要高精度的检测设备， 在分析国内外研究现状后，我们研制了“开关电器试验参数高速采集与处理系统”，完成 对电路功率因数、电源频率、焦耳积分( 1 2 t ) 、燃弧时间以及触头两端电压等主要参数的高 速采集和处理。 淹实现电器试验数据离速采集，本系绕在f p g a 中设计实现p c j 总线内核，实现p c 总线的高速通讯；进一步设计了适当的存储系统，充分利用了f f o 器件解决了a d 部分 和p c i 总线速度不同步问题，实现高速a d 和p c i 总线稳定可靠地工作；选择了合适a d 芯片，实现电器试验数据转换。设计制作完成的电器试验数据高速采集卡，经测试符合设 计要求，即：实现9 个独立的检测输入，每通道采集频率均可达1 m h z ，数据采集系统数 据准确，运行稳定可靠。由于试验现场的多干扰源，为了进一步提高系统的准确性，在f p g a 中设计f i r 数字滤波器，对采集的信号进行实时处理。同时还设计了w i n d o w s2 0 0 0 平台 下基于w d m 的驱动程序设计和电器试验参数算法的软件设计。 论文涵盖了高速p c i 数据采集卡的硬件电路设计、f p g a 技术、数字滤波技术，w d m 驱动开发技术以及电器试验参数的算法设计。 关键词；电器试验，p c i 总线，数据采集f p g a ，数字滤波w d m r e s e a r c ho nh i g h - s p e e d a p p a r a t u sp a r a m e t e r s i g n a la c q u i s i t i o n a b s t r a c t a tp r e s e n t ，l o w - v o l t a g ea p p a r a t u sa r ed e v e l o p i n gt o w a r dg r e a t e rc a p a c i t y ，s m a l l e rs t z ea n d h i g h e rp e r f o r m a n c e i tn e e d sm u c hb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dh i g h e rr e l i a b i l i t y f o rl o w 。v o h a g e a p p a r a t u s s oh i g hp r e c i s i o nd e t e c t i n ge q u i p m e n t s a r en e e d e dt o d e t e c ts o m e1 m p o r t 趾t d e r f o 姗a n c ep a r a m e t e r so fl o w - v o l t a g ea p p a r a t u s a f t e rc a r r y i n g o u tg r e a td e a lo fr e l a t e d r e s e a r c h e so nt h i ss u b j e c th o m ea n da b r o a d ，w ed e v e l o p e d “h i g h - s p e e da c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n gs y s t e mo fs w i t c h i n ga p p a r a t u se x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ”，w h i c hc a na c q u i r ea n d p r o c e s sm a n yi m p o r t a n tp a r a m e t e r ss u c h a sc i r c u i tp o w e rf a c t o r , p o w e rf r e q u e n c y , j o u l e i n t e g r a l ( 1 2 0 ，a r c h i n gt i m ea n dt h ev o l t a g eb e t w e e n t w oc o n t a c t s ，e t c t or e a l i z eh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o no fa p p a r a t u se x p e r i m e n t ，p c i b u sk e r n e lw a s d e s i g n e di nf p g a ，w h i c h c o u l dr e a l i z eh i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o n ap r o p e rs t o n n gs y s t e mw a s a l s od e s i 蹲1 e dt os o l v ea s y n c h r o n o u ss p e e dp r o b l e m b e t w e e na ds e c t i o na n dp c ib u s a p p r o 砸a t ea dc h i pw a sc h o s e nt or e a l i z eh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n t h eh i g h 。s p e e dd a t a a c q u i s i t i o nc a r do fa p p a r a t u se x p e r i m e n tc a nm e e td e s i g nr e q u i r e m e n t s f 9 _ i n d e p e n d e m d e t e c t i n gi n p u t s 蔚er e a l i z e d ，e a c hc h a n n e lc o l l e c t i n gf r e q u e n c y c a na c h i e v e1m h z ，t h ec o l l e c t e d d a t aa r ee x a c t ，a l ：1 dt h es y s t e mc a n r u ns t a b l y b e c a u s eo fm u l t i i n t e r f e r es o u r c eo ft e s t i n gf i e l d ， i no r d e rt oi n c r e a s et h ev e r a c i t yo fs y s t e m ，a c q u i r e ds i g n a l i sp r o c e s s e di nr e a lt i m ew h e nf i r f i g u r ef i l t e ri sd e s i g n e di nf p g a t h r e et r i g g e rm a n n e r sa r ed e s i g n e db ya c q u i s i t i o ns y s t e m ： i n i t i a t i v et r i g g e rm a n n e r , p a s s i v et r i g g e rm a n n e r ，a u t o m a t i ct r i g g e rm a l l n e l a tl a s tw ea 王s o d e v e l o p e dt h ed r i v e rp r o g r a mo nw i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i o ns y s t e mb a s e d o nw d ma n dt h e s o f t w a r es y s t e mo fa n a l y z i n ga n dm a n a g e m e n to fa p p a r a t u se x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s t h i sd i s s e r t a t i o na l s oi n t r o d u c e ds o m eh a r d w a r ea n dl o w 。v o l t a g ea p p a r a t u ss o f t w a r ed e s i g n e x d e r i e n c e s ，w h i c hc o v e r e dm a n yt e c h n i q u e s s u c ha sh i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n ，h a r d w a r e c i r c u i td e s i g no fh i g h s p e e dp c id a t aa c q u i s i t i o nb r o a d ，f p g ad e s i g n ，w d ma n d t h ea l g o r i t h m s o fa p p a r a t u se x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ，e t c k e yw o r d s ：a p p a r a t u se x p e r i m e n t ，p c il o c a lb u s ，s i g n a la c q u i s i t i o n ，f p g a ，d i g i tf i l t e r , w d m 第一章绪言 - i 引言 目前，低压电器正向大容量化、小型化和高性能化方向发展，同时对低压电器产品的性能和可靠 性提出更高的要求。为了检测低压电器产品的性能，需要高精度的检测设各。 国内传统的测试方法采用光纤示波器或单片机为核心的采集测试系统。采用光纤示波器检测电器 性能，存在效率低、数据不易分析和保存以及不能分析开通和关断的动态过程等缺点；单片机为核心的 采集测试系统只有单路a d ，它是靠电子开关来实现八通道采集的，存在采集速度低、数据处理量小和 只能获得部分物理特征参数等缺点。以上两种检测方法均不能满足大量的高精度电器参数测试要求，电 器检测所和电器生产厂家对高速电器参数测试设备有大量的需求。 在基于p c 祝的滔试系统中，首先要进行数据采集，然后才能对获得数据进行测试。很多厂商推出 了各种通用的数据采集卡，只需要在其前段接上传感器，后端加上后继的数字信号处理部分便可使用。 这些数据采集卡虽然使用方便，但价格也很高，并且也不一定满足具体测试过程的要求。随着微机总线 的不断发展和核心原器件性能的不断改善，为我们自行研发高性能的数据采集卡提供了条件。 针对上述问题，课题组在分析国内外研究现状后，我们着手研制“开关电器试验参数高速采集与 处理系统”，完成对电路功率因数、电源频率、焦耳积分( 1 2 t ) 、燃弧对闻以及触头两端电压等主要参数 的高速采集和处理。 1 - 2 高速数据采集技术基础 随着计算机的广泛应用和电子学的高速发展，数字系统已被广泛地应用于国民经济、国防建设和科 学试验的各个领域。和模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好等一系列优点，但是数字系统只能 处理离散的数字信号。外部世界的各种各样信息经过传感器转换以后，除了极小部分为数字信号和开关 信号之外，绝大部分以电压或电流等模拟量的形式存在，所以往往需要将这些模拟信号转化为便于处理 和存储的数字信号。这部分工作就需要数据采集系统来完成。所谓数据采集就是将模拟信号转化为数字 信号，并进一步予以处理、显示、存储和记录的过程。实现数据采集的系统称为数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t f a v o ，如图】1 所示。 数据采集系统追求的最主要目标有两个：是精度，二是速度。对任何量的测试都要有一定的精确 度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速度不仅仅提高了工作效率，更主要的是扩大数据采 集系统的适用范围，便于实现动态测试。 l 图1 1 数据采集系统框图 f 噜1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 随着科学技术的发展和人类对9 部世界认识的不断深入，人们对数据采集系统的各项指标，如速率、 分辨率、精度、输入电压范围、控制方式及抗干扰能力等方面提出来更高的要求。显然，高速、大容量 的数据流，以及对信号处理实时性的要求已成为现代电子系统的一个重要特点。同时，人类对外部世界 的了解也要求更细微、更精确，这些都使的传统的低速采集系统显得力不从心。在许多应用场合，人们 都需要设计和应用高速数据采集系统，以在极短的时间内获取大量数据。于是，速度，即数据采集系统 通过的速率，作为评价高速数据采集系统的一项重要指标，也越来越受到重视。 为了适应高速数据采集的需要，追切需要高速数据采集系统的出现。而数据采集卡是数据采集系统 的主要组成部分，它是外界电信号与计算机之间的桥梁，完成对数据的测量和传输。提高数据采集卡的 速度和精度能明显提高数据采集系统的速度和精度。因此，基于p c i 总线的高速数据采集卡应运而生 并得了到发展。 卜3 关于微机总线的发展 传统的微机总线( 如j s a ，e i s a 和m c a ) 由于宽带的限制，己成为制约微机牲能的瓶颈。也不能满足 高速数据采集和处理的要求。p c i 总线是3 2 位可升级到6 4 位的独立于c p u 的总线结构，总线速度高 达3 3 1 6 6 v f l - l z ，同步猝发传送使得数据传输率高达1 3 2 m b i s ( 3 2 位总线) 、2 6 4 m b s ( 6 4 位总线) 。线性猝 发成组数据传输是p c i 总线的基本传输机制：一次猝发传输通常由一个地址周期和一个或多个数据周 期组成。它解决了总线的速度问题，为p c i 外设提供了一个高宽度的数据通道，将外设从i o 总线上移 下来，不需要处理器介入便可进行数据传输。p c 总线可进行隐式仲裁。 由于p c i 总线具有高性能和低成本的特点，代替i s a 等总线成了微机总线的主流技术。并且大部 分新型p c 主板上己不再提供e 1 s a i s a 接口，所以开发基于p c i 总线的产品己成为一种必然趋势。 2 i 数宁信l 广| 兰竺! | 譬篁h 影自 号输入l 采样预【i 模数转1 。j l处理广+ |按广_ 弧小 1 再1 1 - 3 关于微机总线的发展 传统的微机总线( 如i s a ，e i s a 和m c a ) 由于宽带的限制，己成为制约微机性能的瓶颈，也习i 能满足 高速数据采集和处理的要求。p c i 总线是3 2 位可升级到6 4 位的独立于c p u 的总线结构，总线速度高 达3 3 6 6 m i - i z ，同步猝发传送使得数据传输率高达1 3 2 m b a ( 3 2 位总线) 、2 6 4 m b s ( 6 4 位总线) 。线性猝 发成组数据传输是p c i 总线的基本传输机制：一次猝发传输通常由一个地址周期和一个或多个数据周 期组成。它解决了总线的速度问题，为p c i 外设提供了一个高宽度的数据通道，将外设从1 ( 3 总线上移 下来，不需要处理器介入便可进行数据传输。p c i 总线可进行隐式仲裁。 由于p c i 总线具有高性能和低成本的特点，代替i s a 等总线成了微机总线的丰流技术。并且大部 分新型p c 主板上己不再提供e i s a i s a 接口，所以开发基于p c i 总线的产品己成为一种必然趋势。 分新型p c 主板上已不再提供e i s m s a 接口，所以开发基于p c i 总线的产品已成为一种必然趋势。 2 卜4 数据采集系统的数据传输与存储技术 一般低速的数据采集系统和c p u 之间的传输接口相当简单，大多是a d c 的数据线和c p u 数据总 线直接相连，c p u 接受数据采用查询方式或中断方式即可，这是因为采样频率相对c p u 的时钟频率低， 而使得a d c 在下一次转抉结束之前c p u 能够把上一次的转换数据取走。但对于高速采集系统，采取 中断或查询的接口方法就不合适了。 常见的高速传输接口包括： ( 1 ) d m a ( d i r e c tm e m o r y a c c e s s 直接内存访问) 高速传输方式 其传输速度是鑫c p u 时钟周期和d m a 传输方式决定。 ( 2 ) f i f o ( f i r s ti n ，f i r s to u t 先进先出) 高速传输接口 其特点是数据进出有序，输入输出的时钟可以不同，且具有独立的输入输出口。 ( 3 ) 双端口s e a m ( s t a t i cr a m 静态存储器) 高速传输接口 后面的两种方法都是在系统内增加了外部数据存储器，对数据进行缓冲。存储器可以选用高速f i f o 和s r a m 。s r a m 静态存储器，需要地址译码才能将数据写入，而f i f o 为先进先出缓冲器不需要 地址译码，读、写控制简单。 本次设计采用d m a + f i f o 的高速传输方式。数据传输的途径是：a f d 出来的数字信号经过驱动电 路驱动后，进入外部的f i f o ，待外部f i f o 半满以后，用精确的时序实现f i f o 的边写边读把数据从 外部f i f o 导入f p g a ( f i r f dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 现场可编程f 1 建列) 的内部f i f o 。待内部f i f o 满以后，采用d m a 方式把数据导入计算机。 卜5 一i 系统简介 1 5 系统简介和论文结构安排 本系统上位机通过p c i 局部总线传输实现对9 路模拟信号( 6 路电压信号和3 路电流信号) 高速采 集，可同时采集和有选择采集，采样精度为1 2 位，9 通道同时采集需达到1i v h z ，还实现对1 6 路y o 口的读取与控制，最后上位机对采集到的数据进行分析与处理。 ( 1 ，应用n o t e l 9 9 软件设计p c i 数据采集专的原理圉私p c 8 蹑： ( 2 ) 在f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b i eg a t ea r r a y ) 中用v h d l 设计实现p c i 总线接口； ( 3 ) 用v h d l 设计实现控制模数转换芯片，f i f 0 芯片的控制时序，实现高速数据采集； ( 4 ) w i n d o w s2 0 0 0w d m 驱动程序设计： ( 5 ) 电器试验数据高速采集处理系统应用软件设计。 卜5 2 论文结构安排 论文安排为：本章主要介绍了课题的研究背景、研究内容和部分相关技术；第二章介绍了数据采集 与数字信号处理理论中的f i r 数字滤波器；第三章介绍了p c i 协议；在第四章介绍p c i 数据采集卡的硬件 设计和设计中的难点；第五章介绍了系统驱动程序和电器试验参数应用算法的设计；第六章对全文作了 简要的总结。 4 第二章数据采集与数字信号处理理论 2 _ 1 信号采样与量化 数据采集是对连续时间信号进行采样、量化，变为数字信号( 序列) 后再进行存储、处理、显示或打 印的过程，是数字信号处理的前提。相应的系统称为数据采集系统。 2 - 1 一l 采样 采样是将连续时间信号转换成离散时间信号的一种物理过程，可分为： ( 1 ) 理想采样与采样定理 设连续时间信号为工( f ) ，其频谱为( ) ，理想采样信号为周期性冲激脉冲信号c ( f ) ，其周 期为t ；，频率为z = l t t 。，频谱为c ) c ( f ) = 万( r _ t ) ( 2 1 ) c ( c o ) ：警妻5 一碱) ( 2 z ) 1 s 采样过程为x ( t ) - sc ( t ) 相乘的过程，即采样后得到离散时间信号x ，( ，2 t ) 为 由频域卷积定理锝 x a n t , ) = x ( t ) c q ) 置( m ) ：1 - - l x ( ) t c ( 棚) 】：；1 一芝x ( 珊一n ，)置( m ) =) c ( 棚) 】= 彳x ( 珊一n ，) 二二 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 可见理想采样后的频谱变为x ( c o ) 的周期延拓频谱，重复频率为s ，为使频谱不发生混叠，要求 x ( c o ) 的最高频谱分量五s 互2 ，这即为奈奎簸特采样定理 五也称为奈奎斯特采样频率。理想采样后的频谱没有失真。 ( 2 ) 带通采样技术 实现数字解调的前提是要把接收到的模拟信号通过a d 数字化。对中频数字化来说，采样时钟速率 的选择对解调处理很重要，由于目前使用的多是窄带信号，根据n y q u i s t 带通采样定理，采样速率在满 5 足大于信号带宽两倍的情况下，选取远远低于信号最高频率的两倍速率就能正确地反映带通信号的特 性，带通采样减少了抽样点数目，同时还达到降低信号中频的作用，很大程度上减少了后续数字信号的 处理负担。这些处理都降低了通信系统对a i ) c 器件和d s p 芯片的性能要求，在实际使用中可以采用一些 通用芯片就可以满足要求，降低了通信电台的成本。 下面讨论采样速率的选择，它受以下因素的影响：一方面，a d c 不可避免的会引入量化噪声，量化 后的信噪比由下式给出： 舳_ 6 0 2 n + 1 7 6 洲0 1 9 f ( 2 5 ) 式中，为采样频率，b 为模拟信号带宽。第三项也被称为处理增益，是一个正值，可见，在调制带 宽b 定、a d 位数n 确定的情况下，提高采样频率j ，有利于改善信噪比。但输入信号本身有一定的信 噪比，因此a d 的量化噪声比输入信号的噪声电平低l o 倍以上就可以了。 另一方面，由于采用了带通采样技术，a d 的采样率不能任意选取。由带通采样定理可知，带通采样 率正应满足下式 籍耶等舯腰满足渤 鲁 仫e ， 式中厶为带通信号的最高频率， 为带通信号的最低频率，b 为信号带宽。1 8 【j 表示取不大于括号 内数值的整数。 从频域分析，a d 变换后的信号频谱发生了变化，在满足带通采样定理的条件下，只能保证采样后 的频谱不发生混叠，此外还要考虑到a d c 以后的频谱分布情况。由于目前的a d 器件都内部集成了采样 保持放大器( s h a ) ，采样的孔径时间变得很短，所以a d c 可以看成一串冲击脉冲与连续的时域信号相乘 并量化的结果，时域相乘相当于频域卷积，因此造成了原来信号的频谱以采样频率进行周期延拓。如果 所择采样频率恰好为中频信号的整数分之一，例如中频7 0 m h z ，采样率3 5 珊1 z ，则可以直接将原中频信 号搬移到零频。如果选择的采样额率不是中频信号的整数分之一，可以便频谱不出现在零频。 2 一l _ 2 量化 量化是将离散时间的采样信号转换成数字信号。量化过程可看作是连续幅度输x ( n ) 到离散幅度 y ( 胛) 的映射， n = q x k = h ( i ) s ( n f ) ( z 1 4 ) ，= 口，= d 根据式( 2 1 4 ) ，线性相位盯r 滤波嚣的直接型结构可以改为如图2z 所示的结构，从而使n 次乘 法减少为【2 】次，加法次数增加了 n 2 】次 图3 3p c i 总线读访问时序 c l k 厂_ 厂_ 厂、厂_ 厂_ 广_ 广_ 广_ 广 f r a m 襻= 1 3l lli ( j = = j = = 主= j 釜= a d = 暑匹孽雹孽d 蔓互二= ) 二= 二亟奎二二盎毒二 c b e # = = 垂回雹垂d 垂d 二= 二二= 亘匠工二二弛毒= = 毒主襄| 二霎荟圭# 妻葚 l j 、 垂 垂一耋耋耋、 薹二= | 二 豫吖搏卜专一l 季薹t 一l 薹j f d e v s e l # i - - - 二：警二i | ili 旺 f i g 3 4t i m i n gf o rw r i t i n go p e r a t i o no fp c i 1 7 譬 壹uks：n叠-l v 上早 3 吨- 2 写操作 如图3 4 所示，一个读操作和写操作很相似，也是当f r a m e # 置“l ”后传输开始，但是写操作 不需要回转周期，因为m a s t e r 提供了所有的地址和数据。数据段两个操作相同。 3 - 2 3 传输终止 传输终止有两种方式：m a s t e r 发起的终止和t a r g e t 发起的终止。 3 - 3p c i 总线的仲裁机制 为了减小传输延迟，p c i 仲裁机制是基于连接的而不是基于时间片的。也就是说，总线上的m a s t e r 必须对每一次连接做出仲裁。p c 使用一个中心仲裁机制，每一个m a s t e r 有一个唯一的雎q # 和g n w 信号。仲裁是隐藏的，即仲裁有前一次连接发出，这样就可以不花费p c i 总线周期，除非总线闲置。 一个设备通过置r e q # 信号来发出请求使用总线，当然这是当它有确实需要的时候。一个仲裁者 可以在任何时钟周期取消一个a g e n t 的g n t # ，一个m a s t e r 允许开始一个传输当它的g n t # 置“1 ” 后且总线空闲。 下图示意了基本的仲裁机制，这里有两个a g e n t 来申请使用总线，一个仲裁者在两个a g e n t 之阈做出调度。 c u n 门nn 门n 厂 r e c 撵噜 r e q # - b g n t 缸a g n 珏b f r a m e 拳 a d 图3 5p c i 总线的仲裁时序图 f i g 3 5t i i i l j n gf o r a r b i l r a t i o no f p c i 3 _ 4 p c i 总线的延迟 p c i 是一个低延迟，高速的i o 总线。m a s t e r 和t a r g e t 在一个传输中可以加入的等待周期均有一定 的限制。每一个m a s t e r 有一个可编程的定时器来决定它在总线忙时可以占用总线的最大时间。有了这 些限制和总线仲裁顺序，总线延迟变得可以预测了。 l8 期数。 ( 1 ) t a r g e t 延迟 t a r g e t 延迟是一个t a r g e t 在置t r d y “l ”之前需要等待的时钟周期数。 ( 2 ) m a s t e r 数据延迟 m a s t e r 数据延迟是m a s t e r 用来置 r d y # “l ”表示已经准备好传输数据的时钟周期数。 ( 3 ) 仲裁延迟 而仲裁延迟是当m a s t e r 发出使用总线请求之后到总线空闲及m a s t e r 得到总线使用权之间的时钟周 第四章基于p c i 数据采集卡的硬件设计 根据对电器试验参数高速信号数据采集系统的要求及功能，考虑到减少外围的干扰，以及系统调试 与升级的方便，确定了系统的硬件设计方案。首先，确定数据采集系统的基本结构。由于该采集系统需 要很高的采集速度，而且需要很多的采集通道数，因此采用多通道模拟开关选择的高速数据采集结构。 其次。确定核心电路的实现。通过f p g a 集成p c i 内核及数据采集的控制，可以减少外围电路的干扰。 4 - 1 硬件系统组成及工作原理 硬件系统框图如图4 ，1 所示： 1 1 秭j 戢输出 隔离赣升i开走鞋鞴m ( x t 6 ) n n f迎越逃捧f x 9 ) ，7 k 订一 计 擞攒蔚八 横拟多踏 擞 f p g 辣 桃 开关、 矗趣： 冽：墨篷 号浆甥 - - 嫩x l 6 h - 7 a d f i 2 2 0 x 3 jl c i 。k 龋1 【塑 图4 ，1p c i 数据采集卡结构框图 f i g 4 1b l o c kd i a g r a mo f p c id a t aa c q u i s i t i o nc a r d 本设计中f p g a 一方面实现p c i 接口，另一方面作数据采集控制器；采用异步先进先出存储器 ( a s y n c h r o n o u sf i r s ti nf i r s to u tm e m o r y ) 作中间缓存；采用高速模拟多路转换开关作模拟信号转换； 采用高速a d c 芯片作模拟数字转换。 论文设计的数据采集卡是基于p c i 总线，采用a l t e r a 公司的e p i k 5 0 实现p c i 协议来实现。同时 e p i k 5 0 还集成了数据采集控制器，可以有效简化电路设计。该电路板上电路还包括一些信号条理电路， 其主要功能是对输入的模拟信号进行放大、滤波、隔离、衰减、多路复用等一系列处理，使调理以后的 信号满足a d 的采样要求。 在设计系统时充分考虑电器试验参数高速信号采集系统要求采集速率高、数据量大的特点，采用 2 0 加外部f i f o 和d m a 方式来存储和传输数据。由于测试的电压、电流通道数比较多，所以板上带有三 块高速模拟多路转换开关m a x 4 6 1 4 ，选择各通道模拟信号通过高速a d 转换器a d 5 2 2 0 进行数据采集。 数据采集的过程如下：9 路模拟信号信号经过信号条理，送到a d 转换模块，每路模拟信号转换 成1 2 位趵数字信号：按照采样方式、采样频率的差异，参考最高性能要求9 路通道同时采样，1 2 位 a o 转换信号加上f i f o 的标志位、分频信号及控制信号构成两组3 2 位的信号，被送到f i f o 模块缓 存起来，实现一级缓存，这些缓存的数据将通过p c i 总线接口芯片e f i k 5 0 以主控的d m a 方式分两次 送到计算机内存。 数据采集的控制部分集成在a l t e r a 公司的f p g a 芯片e p i k s o 构成的控制模块来完成的。控制模 块的主要功能有4 部分：一是产生分频信号，由于每种采样方式的对采样频率要求不同，所以通过控 制模块分频产生采样信号；二是根据f i f o 模块的状态信号( f i f o 满、f i f o 半满、f i f o 空) 和接口模块 的一些状态、命令信号，控制模块将根据这些状态和命令信号产生对a d 转换模块、驱动电路和f i f o 模块的控制信号和对接口模块命令响应的状态信号：三是根据上位机要求选定多模拟开关的控制信号 四是用于模拟信号的量程选择的设置，主动触发、被动触发或自动触发的选择等的输出信号。 4 - 2 1 多路开关电路b l a x 4 6 1 4 4 _ 2 各电路单元功能 r a x 4 6 1 4 是一种低电压高速度的模拟多路转换开关。它的导通时问为1 2 n s ，关断时间为l o n s ，即 转换时间小于2 2n s ：导通电阻小于1 0 欧姆各通道导通电阻差异小于i 欧姆；r a x 4 f i l 4 的控制端逻 辑电平为3 3 v 。因此m a x 4 6 1 4 满足高速p c i 数据采集卡的设计要求。 4 - 2 2a d 转换电路 a d s 5 2 2 0 是t i 产品线中的一款新型高精度、宽动态范围、流水线型a d c 。它具有1 2 位有效分辨率，工 作电压范围及逻辑电平为3 3 v ，与p c i 接口相兼容。该器件内部含有参考电压，可最大限度的减少外围器 件。由于采用了流水线结构，采集速度有很大提高，采集速度最高可达4 0 m s p s 。 a d s 5 2 2 0 主要应用于工业过程控制、图像采集、便携式仪器、压力传感器以及其它一些要求商精度 、低功耗的测量仪器中。a d s 5 2 2 0 的主要特点如下： ( i )高信噪比：7 0 d b ( 2 )采用单周期转换模式； ( 3 )功耗小于1 9 5 m w ； ( 4 ) 可配置为差分或单端输入； ( 5 )数据输出速率在1 佃z 4 0 删z 内可编程； ( 6 ) 具有芯片自校准功能。 2 1 a d s 5 2 2 0 是流水线型a d ，时序图如下 4 _ 2 3f i f o 单元电路 图4 2a d s 5 2 2o 时序图 f i g 4 2t i m i n gf o ra d s 5 2 2 0 i d t 7 2 0 8 的内部结构如图4 3 9 1 示： r 图4 3i d t 7 2 0 6 的内部结构 f i g 4 3i n n e rs t r u c t u r eo f l d t 7 2 0 6 从图4 3 中可知，该芯片是一个双端口的存储缓冲芯片，它结构简单，便于操作，并具有控制端、 标志端、扩展端和内部i h k t 阵列，内部读、写指针在先进先出的基础上可进行数据的自动写入和读出。 2 2 。 当有数据到数据输入端口( d 0 i ) 8 ) 时，可由控制端w 来控制数据的写。为了防止数据的写溢出，可用标 志端满f f 、半满h f 来标明数据的写入情况。写入时由内部写指针安排其写入的位置。由于内部r a m 阵列 的特殊设计，先存入的数据将被先读出。如果需要数据外读，则可由控制端r 来控制数据的读出情况。 数据输出端口船是三态的，在无滨信号对呈高疆态。“空昱f ”标志雳来防工数据的空渎；若需将内 部数据重新读出可用控制端r t 来实现。输入数据位d 0 d 8 和输出数据位q 0 q 8 提供9 位输入输出位，可 将其中一位用作控制或用户自定义。扩展端x i ，x 0 、f t 用来进行字深和字长的扩展，以便于多个芯片盼 组合使用。r s 为复位端。需要注意的是：由于是异步输入输出，因此w 、r 不能同时有效。i d t 7 2 0 8 的主 要性能特点如下： ( i ) 先进先出： ( 2 )具有6 5 6 3 6 9 的存储结构； ( 3 )具有1 2 n s 的高速存取时间； ( 4 )可异步读出； ( 5 ) 可进行任意字深，字长的扩展； ( 6 )具有空、半清、满三个状态标志： 4 2 4f p g 单元电路 a l t e r a 公司的a c e i k 嵌入式可编程系列产品是将传统的可编程逻辑与嵌入式门阵列有机地结合 在一起的新型器件。由于它有两个独特的逻辑应用结构嵌入式阵列和逻辑阵列，从而使a c e x1 k 系 列产品革新了可编程结构并跻身为门阵列市场的主流。从1 0 k 到2 5 0 k 典型门，a l e x1 k 系列有三代产品， 而每一代都较前代具有更高的性能、更低的成本及功耗。将m a x + p l u si i 软件与f l e xi k 器件的i p 单元 结合起来可有效地简化设计工作，并极大地缩短设计流程。这些特性将使得a c e xi k 系列成为当今先进 而有效的门阵列替代产品。 a l e xi k 5 0 器件的特性如下： ( 1 ) 嵌入式可编程器件可提供集成系统与单个可编程逻辑器件性能； ( 2 ) 密度高，可提供5 万个可用门、4 0 9 6 0 位内部r a m ； ( 3 ) 功耗低：多数器件在静态模式下的电流小于0 5 m a ； ( 4 )1 k 5 0 特有的m u l t i v o l t 技术，使它的接口支持多种逻辑电平，即2 5 v 、3 3 v 或5 ，o v 可在 2 5 v 、3 3 v 或5 o v 电压下工作； ( 5 ) 速度高：i k 5 0 的接口速度最高可达2 5 0m h z ： ( 6 ) 具有多种配置方式和多种封装形式。 由以上分析可知，e p l k 5 0 无论在速度上还是在逻辑电平上都符合p c i 总线协议的要求。e p i k 5 0 是 5 0 0 0 0 f 3 级的f p g a ，p c i 接口部分大约占用3 0 0 0 0 f ，还能剩余2 0 0 0 0 ( 做控制。e p i k 5 0 是本设计的首选芯 片。 2 3 4 - 2 5 模拟信号条理电路部分 该电路板上电路还包括一些信号理电路，其主要功能是对输入的模拟信号进行放大、滤波、隔离、 衰减等一系列处理，使调理以后的信号满足a d 的采样要求。 4 3 数据采集的同步控制 数据采集的同步控制是整个测试系统中一个关键环节。它对于可靠地采集和捕捉整个参数变化过 程有十分重要的作用。触发电器触头分离过早将有可能采集不到起始的过程；反之，如果触发太晚，则 将有可能采集不到终止过程，甚至什么信息也采集不到，而数据采集同步控制环节可以解决这一问题。 本系统中一共设计了三种触发方式：主动式触发方式、被动式触发方式、自动触发方式。 4 - 3 1 主动触发方式 主动触发方式是信号触发，即由计算机执行接口缓冲初始化程序后控制采集卡开始采集的同时， 也向被测试品发出信号，这时电器触头开始切换。这种同步控制适用于电磁线圈或能进行电动操作的电 器。 当用户选择的触发方式为主动触发时，计算机启动采集卡开始工作，按照用户在软件中设定的采 样时间长度进行采集，结束后将波形显示出来。其工作流程如图4 4 所示 定的袋样 图4 4 主动触发方式_ t - 作流程 f i g 4 4w o r k i n gp r o c e s si ni n i t i a t i v et r i g g e rm a n n e r 主动触发方式下，需要i o 开关量的参与，通过采集卡的开关量发出主动触发信号，控制触头的 切换。同时，采集卡启动后，采集卡按照采集设置里面选择的采样长度进行采集数据，当采集完规定的 2 4 数据后，采集工作结束。其工作原理如图4 5 所示。 一1 2 v + o ：工 采 曲 ：控 集 ij；机 卡 一一 ： - o n t l p 4 - 3 2 被动触发方式 动测量 图4 5 主动触发方式原理图 f i g 4 5p r i n c i p l eg r a p ho f i n i t i a t i v et r i g g e rm o d e 今 y 上l y 将数据导入内存 l l连续导入采样长度的点数 图4 6 被动触发采集工作流程 f i g 4 6w o r k i n gp r o c e s si np a s s i v et r i g g e rm o d e 被动触发方式是由手动切换电器触头开始分离时，发出采集控制信号，计算机接收到这一控制信 号后，向采集卡发出开始采集控制信号，这时可以保证电器触头开始切换时信号能够被捕捉到。这类控 制适用于手动切换电器如各种手动开关等。 当用户选择的触发方式为被动触发时，需要先启动采集卡工作当艇头切换时，才开始导入数据， 箕工作流程如图4 6 所示。 人 ” n 将数据导入内存 审 令y - i 连i 卖导八自女发后采样长度的点数 图4 7 自动触发工作流程 f i g 4 ，7w o r k i n gp r o c e g gi na u l o m a t i ct r i g g e rm o d e 这种工作方式下，手动切换使被检测电嚣产品的触头分断，在机械运动的同时。会给i o 开关量 个输入信号，工控机检瓤到后，控制采集卡采集数据。 4 3 3 自动触发方式 由于主动触发和被动触发方式试验当中试晶衽本系统需要配舍丽不同静试品宅路在动作对豹切抉 时间是不一样的，所以容易造成采集到的试验数据不完整或完全采集不到试验数据的情况发生，基于上 述原因，我们又研制了一种自动触发方式。这种方式舍弃了本系统和试品电路之间的信号控制线，可以 实现试验数据的完整采集。 自动触发方式又分为电压触发和电流触发。这种触发方式的优点是不需要通过i 0 卡的控制或查询 i o 卡的状态并且可以采集6 通道电压和3 通道电流信号当中的任意通道或多通道。自动越发方式 2 6 的工作流程图见图4 7 ，工作原理图见图4 8 。 u 一 一 广 pt l瞄 n 刘， 7 1 r 一 图4 8 自动触发原理图 f i g4 8t h e o r yg r a p hi na u t o m a t i ct r i g g e rm o d e 为了保证采集数据的完整性，我们根据对试品电路中的电流或被测试品触点两端的电压信号阈值的 判断并选择配有1 2 8 k f i f o 采集卡来配合完成采集工作。 下面对照图4 8 介绍一下自动触发的工作原理。 试验开始前，用户可以在软件中设置采样频率f 和采样长度l ，在采样长度允许的范围内设置触 发前要保留的采集时间t ，根据这些来确定触发前需要保留的数据采样长度ft ，以保证采集数据的完 整性。 试验开始时，首先要启动本系统，这时采集卡开始工作。而在测试品电路没有闭合之前采集卡 得到的数据是无效的。 以图4 8 为例，假设采集卡从0 点开始采集，到t 3 点采集结柬。采到的数据首先放入f i f o ，计 算机时刻查询f i f o 存储器的状态，当f i f o 存储器非空时，从中导出的数据和闽值进行比较判断，并依 次存放在所串请的连续内存中，当在t 2 对刻的数据超过闽值就说明齄头已经开始切换，就可以认为从 t 2 以后的数据即为有效的试验数据。而在t 2 之前，即t 1 t 2 之间的一部分数据也应是有效的数据，并 且已经存储在了内存中。而t 1 之前采集并存放在内存单元中的数据是无效数据。 这块内存区域实际是个逻辑环形区域，其工作方式同f i f o 存储器相类似。当判断出第一个超过阈值 的数据时，再往内存中导入触发后采样点个数数据，即上一声，当采集结束后，这块内存中的数据就 是采集到的有效数据，包括触发前的和触发后的数