（仪器科学与技术专业论文）基于dsp的vxi高速高精度数据采集技术研究.pdf

摘要 v x l 总线测试平台是仪器测量领域的前沿技术，可以灵活地组建自动测试系 统，其模块化、灵活性强、即插即用、数字吞吐能力强的特点使v x i 总线测试平 台的应用越来越广泛。本文设计的高速高精度数据采集系统是基于v x l 总线的自 动测量模块。 对于高速数据采集与处理，随着数据量的不断加大和实时处理要求的不断提 高，人们提出了用d s p 进行数据处理，以便提高系统的实时性，并减小对数据传 输速度和存储容量的压力。d s p 高度优化的结构使它能快速响应i 0 的变化，并 进行高速数据传输。因此，基于d s p 的高速高精度数据采集模块已成为v x l 自动 测试系统的基本模块之一。 文中首先介绍了一种模块化的v x i 仪器平台v v p ( v x iv e r s a t i l ep l u g i n ) 。 v v p 系统是一种寄存器基、c 尺寸、单槽位的3 2 位v x l 仪器，它采用主板+ 插板 的构架，具体功能分散在若干插板上形成应用子系统，每个主板最多支持4 块插 板。主板采用3 2 位浮点d s p 做v x l 模块的主板控制器，利用其高度优化的处理 器结构和独特的指令系统，对数据采集进行高效实时的控制、分析与处理。 高速高精度数据采集模块是在v v p 仪器平台上开发出来的。该模块作为一块 v v p 仪器平台上的插板，采用2 0m s p s 的1 6 位a d 转换器，一块插板上设计了2 个高速a d 转换通道，每个通道有4 k x1 6 位的缓冲存储器，可以内部触发、外 部触发和软件触发。v v p 仪器平台最多可以支持4 块插板8 路a d 同时工作。 v x l 仪器没有传统仪器的操作和显示面板，对v x i 仪器的操作与显示是借助 上位计算机来实现的，用户与仪器的交互界面也变为了由计算机软件实现的软面 板，虚拟仪器的软面板以图形化的界面与用户交互，大大方便了用户熟悉和操作 仪器。对于本采集系统我们提供了功能强大的软面板，利用软面板可用交互的方 式控制v x i 仪器，d s p 程序可以灵活方便地从上位机下载。 最后，文中给出了高速高精度数据采集模块的测试结果和结论。 【关键词】v x id s pa d 数据采集虚拟仪器 a b s t r a c t t h ev x i - b u sb a s e dt e s tp l a t f o r mi st h el e a d i n gt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do f i n s t r t u n e n tt e s t i n g ，i tc a l le a s i l ym a k eu pt h ea u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m v x i b u s s m o d u l a t i o n , f l e x i b i l i t y , p l u g & p l a ya n dh i g l ld a t at h r o u g h p u tm a k ei tw i d e l yu s e di n t h ei n d u s t r i a ls o c i e t y t h i sp a p e rp r e s e n t sah i 曲s p e e da n dh i g hp r e c i s i o nd a t a s a m p l i n gs y s t e mb a s e do nt h ev x i b u s d u et ot h eh i g l ld a t at h r o u g h p u ta n dt h en e e do fr e a l t i m ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gi nh i g h - s p e e dd a t as a m p l i n gs y s t e m ，w ep r o p o s e dt o u s ed s pt od o r e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n gt om i n i m i z et h er a t eo fd a t at r a n s f e r r i n ga n dr e d u c e m e m o r ys i z e t h eh i 曲p e r f o r m a n c eo fd s pc a nq u i c k l yr e s p o n dt oh i g hs p e e di o n o w , d s pb a s e dh i g h - s p e e dd a t as a m p l i n gs y s t e mh a sb e c o m eab a s i cm o d u l ei nv x i a u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s e dav x iv e r s a t i l ep l u g - i n ( v v p ) i n s t r u m e n tp l a t f o r m t h ev x iv e r s a t i l ep l u g i n ( w p ) p l a t f o r mi sar e g i s t e r - b a s e d ，c - s i z e ，3 2 - b i ta n d s i n g l es l o ti n s t r u m e n t ac o m p l e t ev v pi n s t r u m e n tc o n s i s t so fo n ee n h a n c e dm a i n b o a r da n df o u rp l u g i nb o a r d s ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rc o n s t r u c t i n gb a s i ci n s t r u m e n t s t h em a i nb o a r d1 】s e sa3 2 - b i t sf l o a t i n gp o i n td s pt od ot h er e a l - t i m ec o n t r o la n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g b a s e do nt h e ，pp l a t f o r m ，o u rt e a mh a sd e v e l o p e dah i 曲s p e e da n dh i g h p r e c i s i o nd a t as a m p l i n gm o d u l e a sap l u g i nb o a r di nm i tu s e sa2 0 m h z16 一b i t a dc o n v e r t e rt os a m p l ea n a l o gs i g n a l s i tc o n t a i n st w oa dc h a n n e l s ，e v e r yc h a n n e l h a sa4 kx1 6 b i tb u f f e r i th a st h r e ef l e x i b l et r i g g e rm o d e s ：i n n e rt n g ；o u t e rt r i ga n d s o r w a r et r i g v v pp l a t f o r mc a l ls u p p o r tu pt o4p l u g i nb o a r d s ( 8c h a n n e la d ) t o w o r kt o g e t h e l v x ii n s t r u m e n td o e s n th a v et h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n tp a n e l ，w ec a nc o n t r o lt h e v x ii n s t r u m e n tb yt h ec o m p u t e r c o m p u t e rs o f tp a n e lr e a l i z e st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n k l s e r sa n di n s t r u m e n tt h es o f tp a n e li n t e r a c t sw i t ht h ea s c r sb yag r a p h i ci n t e r f a c e ， w h i c h h e l p st h eu s e r st ob ef a m i l i a rw i t ha n do p e r a t et h ei n s t r u m e n ti na s h o r tp e r i o d o ft i m e i nt h i ss a m p l i n gs y s t e m ，w ep r o v i d eap o w e r f u ls o f tp a n e lt h a tc a ne a s i l y c o n t r o lt h ev x ii n s t r u m e n t f i n a l l y , s o m et e s t i n gd a t aa n dc o n c l u s i o ni sg i v e n k e y w o r d s ：v x id s pa d d a qv i 致谢 本论文及课题的研究工作是在我的导师汪乐宇教授悉心指导和热情帮助下 完成的。感谢汪老师为我们创造了一个良好的学习和科研环境，汪老师在学习、 工作、生活等各个方面都给予了我无微不至的关怀和指导。他严谨的治学态度、 渊博的学识和对科学勇于探索的精神非常值得为学习。在此谨向汪老师表达我深 深的敬意。 其次，我要特别感谢余锋副教授二年多来的热心指导和帮助，他是位知识 渊博的老师，特别感觉余老师在高速数字电路设计中给予我的悉心帮助。余老师 悉心的指导使我收益非浅。 我还要感谢周泓老师，感谢他在v i s a 驱动函数中对我的热心指导。 我也要感谢陈耀武老师，感谢他帮我联系制作p c b 电路板。 同时我还要感谢我的师兄师姐高昆、刘莉，张宇弘，杨园忠，还有我的同学 黄建强，林旭等曾经帮助过我的每一位朋友。他们在我的做课题研究期问都给予 了我无私的帮助和大力的支持，没有他们我的论文是不能够顺利完成的。 孙阳 2 0 0 3 年2 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第一章绪论 v x i 总线是w e 总线在仪器领域的扩展( v m eb u se x t e n s i o nf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 。作为“跨世纪”的仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台， v x i 总线在我国测试和仪器领域的应用日益广泛，v x i 总线模块仪器的范围已覆 盖了传统的电子仪器领域。v x i 总线具有开放性、模块化、体积小、速度快、可 靠性高等优点，是高速仪器总线中生命力最强的一种。v x i 总线的出现有力地推 动了虚拟仪器地发展，其优越的体系结构为虚拟仪器的开发提供了一个理想平 台。因此，自诞生以来，v x i 技术得到了迅速发展，广泛应用于军事、航空、航 天、工业控制等领域“1 m 1 。基于高速高精度a d 变换的数据采集模块是组建v x i 系统不可缺少的一个关键部件。目前，由于v x l 总线测试系统变得日益复杂，并 且数据采集的要求也在不断提高，所以人们开始寻求基于v x i 总线系统的数字信 号处理的高性能方法。从而提出了用d s p 进行数据处理，以便提高数据处理的实 时性，并减小对数据传输速度和存储容量的压力。因此，蒸于v x l 总线的d s p 模块已成为v x l 自动测试系统的基本模块之一。由此引出了本文的课题“基于 d s p 的v x i 高速高精度数据采集技术研究”。 1 2v x i 总线仪器系统 1 2 1v x i 总线发展史 现代仪器发展的最重要的特点是计算机的广泛应用。这一特点导致了一一个新 的概念“虚拟仪器”的产生。虚拟仪器是基于通用p c 的可编程仪器。它的出现 使用户在基于统一标准的基础上可以灵活方便地定制专用仪器，从而增强丁开发 者和用户的能力。仪器灵活性的增强，要求有更严格的标准来规范，因而产生了 许多的工业标准，比如i e e e t 8 8 ，即著名的( j pt b 。仪器和计算机技术是不断发展 的，区此要求更快t 臣啦! 的标准这赴，“：生、x i 和v x lp f 韵， in 0 i 真 ：躬r f f i 。，。 浙江大学硕士学位论文 八十年代中期，美国空军的一个模块化自动测试设备( m a t e ) 用户组织提出 对模块化仪器进行标准化的建议，并成立了卡式仪器分委员会，对各种模块式仪 器和卡式仪器进行研究，以降低设备尺寸为指导原则，寻求一种替代传统g p i b 接口总线的模块化标准接口。世界上一些有影响的仪器厂家受美国空军的委托， 从仪器生产方面考虑，希望能研制出一种模块化的仪器总线。与此同时，i e e e 也着手进行一个标准项目，目的是发展一种高速的模块化仪器总线，这些都为 v x i 总线的产生作了准备。一九八七年春，c o l o r a d od a t as y s t e m s 、h p 、t e k 、 r a c a l d a n a 、w a v e t e k 等五家测试和仪器公司的工程技术代表组成一个联合体， 他们志愿在一起工作一段时间，根据v m e 计算机总线、e u r o c a r d 标准( 机械结 构标准) 和i e e e 4 8 8 2 等标准，来制定开放性仪器总线。同年七月，他们一致宣 布支持一种在v m e 总线基础上扩展而成的模块化仪器的公用系统结构，命名为 v x i ( w e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t ) ，并公布了v x i 总线一1 0 版本规范。 之后经过不断修改、完善，1 9 9 2 年，v x i 总线系统规范成了工业领域国际标准， 即i e e e - i1 5 5 - 1 9 9 2 标准。凡符合v x i 总线规范标准的仪器及系统，被称为v x l 仪器及v x i 仪器系统m 】【“1 。 1 2 2v x i 总线的体系结构和特点 v x i 是一套硬件规范，它规定了设备的尺寸、结构、电气指标等重要参数， 同时也规定了设备问的一些底层的通信协议。一个v x i 系统包括机架和联接外部 设备的电缆等外设以及相应的软件。如图1 1 ，v x i 主机架上集成了0 槽控制接 口和v x i 设备，共有最多1 3 个插槽，最左端是0 槽。0 槽是一个特殊的插槽， 必需接专用的设备，因为它负责整个系统的背板管理。0 槽控制器可以内置于至 机架中，也可以通过接口联接到远端的计算机上。而一般v x i 设备接在主机架的 其余插槽上。一个v x i 设备的尺寸是由v x i 标准所规范的，可以分为a 、b 、c 、 d 四种，尺寸依次减小。v x l 使用与v m e 总线相同的地址和数据信号格式传递信 息。但v x i 增加了设备时钟和同步信号流总线。系统的总线包括m o d i d ( m o d u le n d e n t i f i c a t i o n ) 模块确队总线，t t l 和e c l 触发总线和一个l o m h z 时钟，用尸 传输模拟信号的a io gq a i i i 总线还彳了局部总线l 目槽m 数据的传递，以宵，j 系统带宽。每+ 个x i 设备 j 【系统j j 一个6 z 1j ? f q 地址惟御定。v i i 殳 浙江大学硕士学位论文 备包括基于寄存器( r e g i s t e rb a s e d ) 和基于消息( m e s s a g eb a s e d ) 两类。对于寄 存器的设备，v x i 采用低级的二进制信号来传递信息。对于基于消息的设备，v x l 定义了一套类似于i e e e 4 8 8 协议的w p s ( w o r ds e r i a lp r o t o c 0 1 ) 协议，用于规范 这类设备的通信。v x i 设备间的联接方式可采用基于v x l 的内制c p u 方式、g p i b 到v x l 转换的方式和m x i 方式三类，可以保证v x l 支持网络操作。因而v x i 设备 可以和各类计算机平台联接成一个实时分布式系统。“” 图1 iv x l 仪器示意图 v x i 仪器是一种模块化的卡式仪器，它没有传统意义上的操作面板，对v x i 仪器的操作与显示，都需要借助p c 机进行。毫无疑问，所有v x i 仪器都属于虚 拟仪器，它继承了虚拟仪器的所有特性。v x l 总线系统的出现为虚拟仪器的发展 提供了新的方向与动力，v x i 总线的系统结构为虚拟仪器的开发提供了更为理想 的平台。v x i 仪器的特点是：“” ( 1 )开放标准：v x i 是一种真正的开放标准，得到世界上许多仪器厂家( 已 收到v x l 总线联合体颁发的标识码的生产厂家目前有2 0 0 多家) 的支 持，因此，用f t 可以选用不同厂家的仪器模块，使用户集成虚拟仪器 系统选择r e 更人、更为灵活、效率更i n 缩短了系统组建时恻提高 丁系统l v 忆j 口。卜。 浙江大学顾士学位论文 ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 较高的测试系统吞吐量：v x i 总线背板的理论数据传输速率最高可达 4 0 m b y t e s ，背板不再成为数据传输的瓶颈。v x i 总线的另一个优点 是具有分布性智能的潜力，可在共享存储器体系结构上与背板上多个 微处理器打交道。通过背板上的数据传输，可使数据带宽比系统中任 何一个器件所能达到的带宽都要宽。多级优先权可提供严格的中断处 理，在判断电路中能高效利用数据总线，有助于提高整个系统的吞吐 量。 模块化结构：v x i 仪器系统采用了模块化结构，其采用共用电源、面 板、共用冷却、高密度紧凑的结构设计，有利于减少尺寸，选用需要 的测试模块、较少的c p u 管理等措施降低系统的冗余度，与机架层迭 式仪器系统相比，会大大缩小系统尺寸和降低成本。 软件易于集成和移植：v 规范定义了i e e e 4 8 8 - v x i 总线接口，测 控软件可用i r e e 4 8 8 2 和s c p i 标准命令高级语言编程，以减少用户 用汇编语言编程的劳动，也可以把成功的g p i b 语言和软件移植到 v 平台上。 资源利用率高，很容易实现系统集成，大大缩短研制周期。能实现系 统资源共享，系统易于升级和扩展，易于根据各种现场的需要方便地 更换模块，重新组合系统。因此，即使若干年后老机型被淘汰，其主 体部分( 如计算机、v x i 机箱、v x i 模块等) 还可用于新机型，资源 的重复使用率高达7 5 8 5 ，能将设备的成本及投资风险降至最 低。 便于用户自行开发“虚拟仪器”。虚拟仪器( v i ) 是测量仪器、计算机 与软件这三者的有机结合。它将仪器硬件( 例如a d 、d a 转换器， 数字v o ) 、计算机资源( 如微处理器，存储器，显示器) 、软件( 例 如软面板，图形界面，数据处理，信息交换等) 有效地结合起来，构 成软硬件结合、虚实共体的新一代电子仪器。 1 2 3v x ip l u g & p l a y ( v p p ) 标准的嘱要作用是为了保i i e 仪器i e l j 的通川n 。股的标玳丛鱼包括【标准 浙江大学硕上学位论文 都只解决了仪器的硬件规范问题，而对于软硬结合的虚拟仪器来讲，软件设计的 重要性是不可忽视的。因此，仅仅有严格的机械和电气等硬件设备是不够的，仪 器的软件规范的制定也是重要和更加追切的。于1 9 9 3 年9 月成立的v x i p l u g 奄p a y 标准。就是针对这一问题从系统的角度解决这一问题。它在v x i 的基 础上规范了软件和整个虚拟仪器体系，从而确保了不同v x i 系统间的通用性。v p p 规范提出之后，得到了广大仪器生产厂家的积极响应，h p 等测试和仪器公司不 久之后纷纷成为了联盟成员，h p 公司很快成为了其中的核心成员之一。作为一 个开放的组织，v p p 系统联盟内部由生产厂家联合会与用户联合会两大部分组 成，生产厂家联合会成员共同承担组织费用，而用户则可免费申请加入。联盟通 过i n t e r n e t 网络论坛、e m a i l 通信与学术研讨会等多种形式，进行系统开发与 应用的经验交流与意见反馈，进一步维护和完善v p p 规范。到目前为止，v p p 规 范虽尚未从形式上成为工业领域的国际标准，但各仪器模块的生产厂家都积极符 合v p p 规范，并推进与促成v p p 规范的早日国际标准化。”1 1 - 3 基于d s p 的数据采集系统 1 3 1d s p 在数据采集系统中的运用 在电子测量中，常常要对高速信号进行采集与处理。例如在雷达工程中对电 磁脉冲信号的测量，就需要对高速信号进行采集与处理，而且对此类高速信号的 测量，往往对数据采集与处理系统提出严格的要求。 随着计算机和微处理器技术的不断发展、数字处理器( d s p ) 技术也飞速发展， 其应用越来越广泛。绝大多数d s p 的数据和程序空间分开，数据内存和程序内存 访问能够在一个处理器周期内完成。d s p 有专门的硬件乘法器( i a c ) 、使得它可 在单个周期内执行一个完整的乘法累加操作、除此之外，绝大多数d s p 提供了算 术逻辑单元和移位操作单元。其它的增强特征包括专门的地址发生器、片内静态 r a m 、串口和并口的外围接口和d m a 控制器。d s p 芯片具有低开销循环及跳转的 硬件支持、快速的中断处理和硬件i o 支持，还可以并行执行多个操作的功能。 d s pf 向流水线操作使取指，译码和执行等操作可最叠执 ：。此外，适f i 于数学运 算的指令集干快述的指令阁划都使得。匕儿什曲! 人的数川。ij j 处耻功能 。 浙江太学硕士学位论文 对于高速数据采集与处理应用中，随着数据量的不断加大和实时处理要求的 不断提高，目前大量使用的、主要依靠内嵌式计算机或外部计算机来进行数字信 号处理的工作方式在一些场合已不能满足要求。从而提出了用d s p 来做处理，以 便提高数据处理的实时性，并减小对数据传输速度和存储容量的压力。 1 3 2 利用d s p 技术提高v x i 仪器的性能 自从v x l 总线技术提出以来，v x l 总线自动测试系统已成为数据分析与处理 的优秀平台，在航空航天、通信、医学图象处理和工业领域已获得广泛应用。目 前，由于v x l 总线测试系统变得日益复杂，并且数据采集的要求也在不断提高， 所以人们已开始寻求基于v x l 总线系统的数字信号处理的高性能方法。 v x i 总线测试系统为数据采集提供了强大的工作环境。v x i 模块化仪器不仅 具有良好的电磁兼容性。而且对其电源和冷却都有严格的要求。这样，v x i 总线 系统就能以高速率、大容量完成信号处理。v x i 本地总线通常用于高速数据的本 地传输，而又不影响v x l 总线系统级的通讯。目前，一些常用的高速本地总线传 输协议可以使v x i 模块间数据传输速率高达l o o g b s 。因此，v x i 总线可以传输 大容量、高分辨率的数据。非常适合于用硬件来实现高速信号处理。数字信号处 理器( o s e ) 是专用于实时信号处理的微处理器系列，尤其适合于微处理器与高性 能i l o 紧密结合的场合。它不同于传统的c i s c 和r i s c 微处理器，d s p 高度优化 的结构使它能快速响应i o 的变化，并进行高速数据传输。因此，基于v x i 总线 的d s p 模块已成为v x l 自动测试系统的基本模块之一。d s p 可以在v x i 仪器中扮 演如下角色：瞄7 1 ( 1 ) d s p 对数据采集系统各部分进行控制，如初始化设置、功能设置和 过程控制等。 ( 2 )数据预处理功能。根据系统的要求，d s p 可以对所采样的数据进行 数据处理，以减轻主机负担，提高系统效率。d s p 特有的哈佛结构 和精简指令集，使它特别适合于数据运算，如f f t 和数字滤波等。 ( 3 )充分发挥d s p 微处理器的运算能力来消除二f 扰，提高测量精度。 ( 4 )充分发挥d s p 丰富的【f ) 资源，组建高速多通道数据采集系统。 浙江大学顶士学位论文 1 4 课题的任务 研究开发基于v x i 总线的高速高精度数据采集模块，及其相应的支持 v x i 即插即用驱动软件，该模块适用于工业中高速高精度的信号测量，为组 建v x i 总线自动测试系统提供基础模块，主要技术性能指标达到国外同类 产品先进水平。 主要研究内容 ( 1 ) 高速a d 驱动电路设计。 ( 2 ) 双通道2 0 m s p s1 6 b i t a d 转换电路设计。 ( 3 ) 基于a d s p 2 1 0 6 x 的软硬件系统设计。 ( 4 ) 可编程逻辑( c p l d ) 设计。 ( 5 ) 高速p c b 板级设计。 ( 6 ) 实时d s p 软件设计。 ( 7 ) 支持v x i 即插即用的驱动程序设计。 ( 8 ) 上位机软面板设计。 1 5 高速高精度数据采集系统特性 接口方式： 最高转换精度： 信号输入方式： 触发信号要求： 最高采样率： 数据记录长度： 采样时钟： 触发方式： 数据传输方式： 采集通道数： v 接口。 1 6 b i 4 输入范围是2 v 至+ 2 v ；外触发输入为t t l 电平。 触发信号为标准t t l 电平，触发方式为沿触发。 2 0 m s p s 。 4 k 1 6 b i t 。 2 0 m h z 。 外触发、v x i 内触发、命令触发。 中断方式，i o 查询方式。 每块插板2 路，最多支持4 块插板8 路采样。 浙江大学硕士学位论文 第二章高速高精度数据采集系统设计 2 1 多功能插板式v x i 仪器平台( w p ) 设计思想 v x i 总线技术自1 9 8 7 年问世以来，在军工、航天、航空、通信、电子、核 探测等领域的自动测试系统中得到了广泛应用。虽然v x i 总线具有许多不容置 疑的优点，但它还是在高级的应用中受到很大的限制。价格太高是它最大的一个 不利条件。大部分的消费者还是对价格很敏感的，他们要求v x i 制造商能提供 他们可以应用但只是中等价格的v x i 模块。 2 2 1 模块化的v x i 仪器严格定义了仪器模块的尺寸( 从小到大依次是b 、c 、d 尺寸模块，目前最常用的是c 尺寸的单槽位模块) ，优点是取之方便，但弊端是 造成许多功能并不复杂的模块空间利用率较低，在组建v x i 测试系统时需要占 用较多的槽位，因此仪器的性价比不高。v l s i 技术的发展则大大节省了实现系 统功能所占用的面积，因此在v x i 模块有限的空间内可以通过安装多个的功能 单元来实现仪器的“一模( 块) 多用( 途) ”，这样不仅大大降低了仪器成本，也 给用户集成和选型带来方便。目前采用主板+ 功能插板形式实现的v x i 多功能模 块产品中，子模块功能一般都不复杂，主板依靠将不同类型的插板组合起来实现 仪器的多功能。【柏】 我们设计了一种多功能插板式v x i 仪器平台( 以下简称，p ) 。主板相当于一 块v x i 原型卡( p r o t o t y p i n gc a r d ) ，结构上采用一块主板+ 四块插板的结构，由 于v v p 仪器的功能主要由插板实现，因此插板予系统的设计具有相当的灵活性。 2 2 多功能插板式v x i 仪器平台( v v e ) 的介绍 v v p 应用系统是一种寄存器基、c 尺寸、单槽位的3 2 位v x i 仪器。v v p 仪 器有一个大的主板，主板的主要任务是完成与v x i 背板总线的接口，并向主板 上的应用子系统提供必要的资源，包括对v v p 局部总线支持，数传与中断控制， d m a 控制，时钟，触发线等：v v p 具体功能的实现分散在若干捅板上形成应用 子系统，每个主板最彩支持到4 个子系统v v p 系统的总体框| = ! | 鲕图2r 所示。 浙江大学硕士学位论文 前面板接口1l 前面板接e 1 2 w pv v pi iw p | 1v v p 功能l 功能i i 主板处理器i l 功能il 功能 插板ll 插板j i ( d s p )j i 插板jj 插板 o # l 1 # l 。j ；_ 一l2 # l3 # 1 v v p 局塑璺堡i l v x i - - v v p 接口控制墨 w p 应用系统l ，。 y x i 背板总线 图2 1v v p 系统的总体框图 典型的v v p 应用系统主板上除了需要接口控制器和功能予模块外，还包括 了一片处理器( d s p ) ，依靠处理器来完成对各个模块的控制。在这里，选用s h a r c 的优越性就在于s h a r c 片内有大容量的双口r a m ，而且可以完全映射到v x i 空间内，从而省去了与一般处理器接口所必需外接的双口r a m ，简化了系统接 口控制器的设计。【柏】 v 弋，p 仪器与外设的输入输出信号通过两只前面板接口的9 6 芯连接器引入主 板，v x i 背板总线经过主板的接口控制部分后形成高速的局部总线称为v v p 总 线，仪器的主要功能由4 个基于v v p 总线的功能子系统实现，每个功能子系统 实现在1 块3 2 9 7 5 2 2 8 m a n 2 多层p c b 板上。外设的输入输出信号和v v p 总线 通过两排1 4 4 芯表面贴装器件从主板引入功能子系统。每个插板模块都被设计成 只有一种特殊的功能。接口控制器处理所有的v m e 和v x i 协议，它是v m e 总 线的从者、中断者和每种v x i 规范的a 1 6 a 3 2 设备。v v p 总线的主干线是一种 高速3 2 6 4 位的同步总线，传输数据达4 0 0 m b y t e s ，与v m e 总线的交换数据速 率达4 0 m b y t e s 。v v p 总线是一种多控制者的总线。接口控制器、主板微处理器 和任意的插板模块都可以成为总线的控制者。主板与插板之间以及插板与插板之 间的数据传递有着多种方法。v v p 总线的一个很重要的特性是它的可伸缩性。 这样，不仅适合没有处理器的低层v x i 模块，而且适合于带有多个数字信号处 理器的高层v x i 模块。v v p 总线由一些分模块组成，即数据传输总线( d t b ) 、 信0 近j ：_ ：乏通通( s l c ) 、般层n q - + t 惭结陶矧应用总线：h ”l 浙江大学硕士学位论文 数据传输总线( d t b ) 模块 图2 2 展现了d t b 的结构。d t b 是一种同步的多控制者总线。总线时钟频 率是用户可定义的。现有版本支持3 3 m h z 、4 0 m h z 、5 0 m h z 的系统时钟频率， 随着处理器和a s i c 技术的发展将有可能超过i o o m h z 。地址空间包括板上的3 2 位和v m e 空间的2 4 位。控制器和插板模块的存储器和寄存器空间是直接映射 到v m e 空间的。这就允许v m e 总线通过接口控制器能高速透明地访问板上的 存储器和寄存器。根据实现的需要，数据线可以从3 2 位到6 4 位。在v 、，p 总线 仲裁的时候，接口控制器拥有最高的优先级，其它的模块( 如：主板控制器、各 个插板模块的控制器) 有公平的或者固定的优先级。 图2 2d t b 的结构框图 信号连接通道( s l c ) 模块 图23 是信号连接通道( s l c ) 的结构。v v p 总线何很多信号连接的迎道。比 如：员通n 0 连接、菊花琏式0 连接、丽断扳的l i o 连接、同步串仃连接驯非源 浙江大学硕一j j 学位论文 同步连接。v x i 局部总线的两个连接点a 和c 使得邻近的v x i 模块之间能够进 行高速的数据传输。所有的连接通道可以被同时操作，它们彼此独立并独立于数 据传输总线。 l 。i ! 。，。：i 。，一 v x i 内部总线 双层中断模块 图2 3s l c 的结构框图 ，p 总线的双层的中断结构如图2 4 所示。这两层分别是板上中断请求 ( i o r ) 和v m e 中断请求( v r ) 。i o r 是由主板控制器处理的。所有的插板模 块共用一根中断请求线向主板控制器要求中断服务。控制器通过查询i o r 源的 寄存器决定由哪个单元提出中断。除了用中断以外，插板模块还可以通过要求 d m a 服务来引起主板控制器的注意。提出v m e 的中断要求是向主板接口控制 器中的v i r 源寄存器写数据。主板控制器和任何有v v p 总线控制者权力的插板 模块都可以用这种方法请求v m e 中断。接口控制器执行v m er e l e a s eo n a c k n o w l e d g e 协议。 浙江大学硕士学位论文 应用总线模块 图2 4v v p 总线的双层的中断结构框图 如图2 5 所示，应用总线包括电源供给线和来自v x i 总线与接口控制器的管 理信号。除了给v x i 和v m e 总线提供电压以外，3 3 伏的电压还供给主板和各 插板模块。这个3 3 伏的电压是从几个分立的稳压器中导出的，可以防止热量集 中。管理信号包括v x i 特殊功能线、自测试信号、精确的时钟、j t a g 线和高精 度的参考电压。 v ” v ”l 【攀i 攀f 主扳 控制器 l r 1 j 接u 控制器 图2 5 应片j 总线的结构框图 聪雌 奇- 咀- 一蒜謦 ， 一怪。一 浙江大学硕l 学位论文 由于v v p 仪器的功能主要由插板实现，因此插板子系统的设计具有相当的 灵活性，从数传方式上看： ( 1 ) 主板控者模块采用了“存储区地址全透明映射”的策略将每个插板子 系统的存储区空间透明映射到整个v x l 3 2 空间中，使每个插板在v x i 的a 3 2 存 储区中至少拥有8 m 字节的可寻址空间，能接受v x i 主设备的直接访问； ( 2 ) 插板子系统同时还能被任何拥有v v p 局部d t b 总线控制权的处理器 模块访问； ( 3 ) 含有处理器模块的插板子系统也可以申请和拥有v v p 的局部d t b 总 线控制权，以访问，p 其它空间和功能模块的内容。 v v p 插板子系统具有多向访问和被访问的能力。主板上的控者模块通过对4 块插板子系统的组合，在一个v v p 应用系统中最多可以实现4 个相互独立的寄 存器基仪器。典型应用系统中的v v p 插板主要是作为主板处理器的外围扩展电 路设计的，依靠主板处理器的软件来实现“一模多用”的功能。 2 2 1 2 3 高速高精度数据采集模块的设计方案 我们所开发的高速高精度数据采集模块可以是图2 1 中插板0 到插板3 中的 任何一块。每块插板提供两路高速高精度数据采集通道，由于v v p 仪器平台的 四块插板互相独立，因此可以最多配置成8 通道高速高精度数据采集系统。插板 的设计方框图如2 6 。 嚣hm d 蚓n m m 母 k 一 n d 厂 v x i。 l 逻辑控制电路， d s p 接口电路 融i 驾； c p l d x - 一1 c p l d 赢硫 斟j 降l26 捅饭n i 笠i 1 力框l 篓l 浙旺大学硕士学位论文 数据采集过程是这样的：2 路模拟输入信号先进入低失真缓冲放大器a d 8 1 3 8 进行缓冲滤波，然后送入a i d 变化器中进行模拟一数字变换。变换后的数字信号 先在4 k x l 6 b i t 的f i f o 中进行缓存，缓存到满( f u l l ) 后，c p l d 向d s p 申请中断， d s p 响应中断后采用d m a 传输方式把采样数据读到内存中进行数据预处理。其 中a i d 和f i f o 的控制电路由一片可编程逻辑器件c p l d 来实现，插板同d s p 的接口电路也是由一片可编程逻辑器件c p l d 来实现。电路设计中，除了模拟电 路、f o ，几乎所有的逻辑电路均在x i l i n x 的可编程器件c p l d 中实现，大大 提高了系统的集成度和可靠性。 模块的d s p 程序是由上位机在模块上电或者复位后加载的。也就是说，在模 块上电或复位后，模块并不立即开始工作，而是需要上位机把d s p 代码加载入 模块后，才开始正常工作。这样就实现了系统的动态配置。对于不同的应用，只 需要加载不同的d s p 代码。从而节省了程序存储空间，提高了模块的灵活性。 所有的这些操作都通过p c 上的软面板来进行。 当四块插板8 路a d 同时工作时，我们还必需注意到为了协调8 路刖d 同 时工作，这就对d s p 的性能提出了严峻的挑战。在编写相关d s p 程序时，必需 进行优化。另外由于a d 转换速率最快达到2 0 m s p s ，最高精度达1 6 位。因此 必需仔细设计模拟和数字电路结构，尽可能的去减小噪声。 在仪器系统的设计中，仪器驱动程序的设计一向是最费时间与精力的工作， 而对于用户来说。仪器驱动程序就象一个神秘的“黑匣子”，不知其内部所含是 何内容，一切只能靠开发商决定。为了使系统正常工作，我们还必需编写灵活有 效的仪器驱动程序，并尽可能优化仪器的性能。 以上提出的这些关键问题我们将在第三章和第四章中详述。 浙江大学硕士学位论文 第三章高速高精度数据采集硬件设计 3 1 总体结构 长期以来高速数据采集在测量和控制领域中占据极其重要的地位，对于一个 瞬变过程、一个快速反应的物理现象进行数据分析和处理都需要高速度的数据采 集技术进行数据采集，记录其结果，然后利用现代的计算机技术和相关的数学模 型进行分析。由采样定理可知，一个频率有限的信号，它没有在f m 以上的频率 分量，是唯一的由它在小于1 2 f m 秒的均匀间隔上抽取值来决定。换句话说，一 个频率有限的信号c 可以用2 坟或者大于2 f ) 的均匀抽样得来的离散样品来代替， 而不丢失任何信息。所以军事工业领域的火炮速度、火箭发动机、航空发动机工 作时的诸多关键参数，民用正业领域的声波测量、振动分析、磁约束核聚变试验 都需要高速数据采集。然而在如上所述的过程中需要同时对多个信号进行数据采 集和存储。 我们在v v p 仪器平台上开发了一种基于v x i 总线规范的高速高精度数据采 集模块。该模块作为一块v v p 仪器平台的插板，采用最高采样率2 0 m h z 的1 6 位a d 转换器，一块插板中设计了2 路同步a d 转换通道，每个通道有4 k 1 6 位的缓冲存储器，可以内部触发、外部触发和软件触发。v v p 仪器平台最多可 以支持4 块插板8 路a d 同时工作。 该模块主要由d s p 总线接口、高速刖d 转换器、模拟驱动滤波电路、缓冲 存储器、逻辑控制器等组成。如图3 1 所示。一次完整的测量过程是从d s p 发出 同步命令开始的。同步命令一方面触发a d 工作，另一方面允许对f i f o 的写入， 对采样的数据进行存储。当存储的数据达到预定的数量时，f w o 的特定状态位 置位，引发d s p 外部中断。在中断服务程序中，d s p 禁止对f i f o 写入，中断数 据的存储，同时复位状态位。然后以后台d m a 的方式读取数据，待完成数据处 理过程后，d s p 对f 巧o 复位清零，此即完成一次测量。 浙江大学硕二 ：学位论文 3 2 模拟电路设计 ( x i l i n x ) 图3 1 数据采集模块的框图 3 2 1 前端驱动、滤波电路设计 由于a d 9 2 6 0 的输入端需要差分信号，所以我们选取了高精度差分放大器做 为模拟信号的前端驱动。模拟信号调理电路如图3 2 。a d 8 1 3 8 是a d 公司新出 品的低失真差分放大器，a d 8 1 3 8 具有3 0 0 m 带宽，总谐波失真一9 4 d b c - 一1 1 4 d b c ， 是1 6 b i ta i d 转换器的理想驱动器。输入模拟信号为单端信号，经过a d 8 1 3 8 缓 冲后，以差分信号的方式输入到模拟一数字转换器a d 9 2 6 0 的输入端。如图3 2 ， a d 8 1 3 8 工作在单位增益，其共模电压设置成2 5 v ( 由a d 9 2 6 0 的v r e f 提供) 。 a d 8 1 3 8 采用单电源供电( + 5 v ) ，由于a d 9 2 6 0 的输入范围是一5 v 一5 v ，所以就可 以省去输入钳位电路。a d 8 1 3 8 的输出端有一个无源r c 滤波网络，它用来滤去 a d 8 1 3 8 的高频分量。这个滤波器的带宽可以根据输入模拟信号的频率调节，提 供抗混叠滤波功能。图3 2 中，输入信号是v i n ，输出信号是v t n a 和v i n b 。它 们的关系是v i n a v i n b = v i n 。图3 3 为v i n 的波形： 一l v 一1 vi m h z 正弦波。图 3 4 为v