CN101944002B - 一种增益可调的多功能数据采集卡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增益可调的多功能数据采集卡；包括DB37接头、电源模块、AD采集单元、DA输出单元、数字输入单元、数字输出单元、FIFO、PCI桥芯片、CPLD、CPCI接口。所述电源模块与其他部分均有连接；所述AD采集单元与DB37接头连接；所述DA输出单元与DB37接头连接；所述数字输出单元与DB37接头连接；所述数字输入单元与DB37接头连接；所述CLPD与AD采集单元连接；所述CLPD与DA输出单元连接；所述CLPD数字输出单元连接；所述CLPD与数字输入单元连接；所述CLPD与FIFO连接；所述CLPD与PCI桥芯片连接；所述FIFO与AD采集单元连接；所述PCI桥芯片与CPCI接口连接。本发明的信号输出端为CPCI总线，可以直接插在CPCI或PXI工控机中使用。通过上位机编程可以实现增益可调节，保证信号采集精度。

Description

一种增益可调的多功能数据采集卡

技术领域

本发明涉及一种增益可调的多功能数据采集卡，尤其指一种基于CPCI总线或PXI总线的增益可调的多功能数据采集卡，可以用于电源监控、温度监控等应用场合。本发明属于计算机通信，计算机辅助测试及自动测试领域。

背景技术

数据采集技术是信息科学的一个重要组成部分。信息技术的核心是信息获取、通信和计算机技术，常被称为3C技术(即Colection，Communication and Computer)，其中信息获取是基础和前提，数据采集技术是信息获取的主要手段。目前，数据采集系统越来越多的应用于工业控制和测试等领域。

具体地说，数据采集系统的任务，就是采集目标数据源产生的模拟信号并将其转化为数字信号，然后送入计算机，根据具体的需要再由计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。与此同时，系统还必须将上述计算处理后的部分(或全部)数据准确显示或打印，以实现对某些物理量的实时监视。当然，其中一部分数据还可能被计算机控制系统用来控制某些物理量。

CPCI(Compact PCI)的意思是“紧凑型PCI”，是PCI总线的电气和软件标准与欧式卡的工业组装标准的有机结合，是当今最新的一种工业计算机总线标准。同时，CompactPCI支持热插拔，具有高性能、低成本、使用方便、寿命长、可靠性高、灵活、数据完整和软件兼容等优点。CompactPCI总线的高传输速率与高可靠性，使其在开发高速数据采集系统中得到了广泛的应用。在电气、逻辑和软件功能方面，Compact PCI与PCI完全兼容。

CPCI规范是由PICMG制定的一种新的开放的工业计算机标准，用于工业和嵌入式应用。CPCI系统由机箱、总线底板、适配器卡和电源组成。总线底板是总线信号的物理互连机构，每块适配器卡应平行地插入机箱，垂直于地，卡与卡的中心距为20.32mm，总线底板上连接器的编号从左到右依次为P1-P8，插槽的编号也依次为S1-S8。系统中有一个槽是系统槽，该槽内插入系统适配卡，其余的槽称为外围槽，插入外围适配卡，包括简单或智能I/O，PCI主设备适配卡等。系统槽必须定位在系统的最左端或最右端的位置。系统适配器卡要负责提供总线仲裁、时钟分配、中断处理和复位等功能，还要能通过管理每块外围适配卡的IDSEL(初始化设备选择)总线信号负责系统的初始化。CPCI定义了封装坚固的工业版PCI总线架构，在硬件模块易于装卸的前提下提供优秀的机械整合性。它在电气、逻辑和软件功能等方面，与PCI总线标准完全兼容，而在结构上则选择了更加强壮的标准欧式总线的结构。

CPCI总线具有严格的技术规范，符合CPCI技术规范的扩展卡可插入任何CPCI系统并可靠地工作，这使得其具有良好的兼容性。CPCI的总线操作遵循PCI总线操作规程，CompactPCI总线在PCI的基础上做了一些改进：

(1)CPCI总线由于采用了欧式卡结构(符合IEEE 1101.1标准)，具有更好的机械特性，这一特点增强了PCI总线系统在电信或条件恶劣的工业环境中的可靠性和维护性。

(2)CPCI可支持更多的插槽，每个CompactPCI总线段最多可支持8个插槽，而不是标准PCI的4个。

(3)后面板采用高密度2mm插针式连接器(符合IEC-1076国际标准)，它具有低电感和低阻抗的特性，这对PCI信号是至关重要的，连接器的低阻抗将不必要的信号反射减到最少。3U卡(160mm*100mm)提供了47排、5列、220针与背板的连接，而6U卡(233.35mm*160mm)更是提供了315针与背板的连接，加上前面板的扩展，非常便于用户自定义I/O以及实现。

(4)热插拔规范支持，实现了连接器电源和信号引线对热插拔规范的支持。CompactPCI周边卡必须包括一个CompactPCI总线接口器件，CompactPCI总线与PCI总线的接口逻辑和时序完全相同。

CompactPCI与PCI相同，与处理器无关，适用于任何当今和将来的微处理器。这种开放的工控计算机总线标准，具有广泛的发展前景。随着全球越来越多的厂商的加入以及计算机网络技术的发展，定会更进一步带动CompactPCI技术的成熟，最终其势必会成为总线型工控计算机的主流。

PXI是PCI在仪器领域的扩展(PCI eXtensions for Instrumentation)，是一种专为工业数据采集与自动化应用量身定制的模块化仪器平台，它充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构-PCI，将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。PXI规范在CompactPCI机械规范中增加了环境测试和主动冷却要求以保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。PXI总线将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。

目前国内多功能数据采集卡开发技术日趋成熟，市场上也出现了大量的高速高精度多功能数据采集卡，但是随着速度和精度的提高，价格也是居高不下，尤其进口的高速多功能数据采集卡，价格一般在万元以上。实际上，在某些应用中并不要很高的采集速度和精度，如电源控制。在这种情况下，开发一种功能全面、成本较低的多功能数据卡具有很好的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于CPCI或PXI总线的增益可调的多功能数据采集卡，其解决了同增益情况下小信号采集精度较差的问题。

本发明以复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，以下简称CPLD)为核心，外围采用多路复用器用于多路AD信号采集，采用缓冲器、锁存器产生IO信号，有效的降低成本，可应用于对采集速率要求不高、控制成本的应用场合。

本发明的具体技术内容如下：

一种增益可调的多功能数据采集卡，采用CPLD单元(可编程控制器)+PCI桥+FIFO+外围设备的总体架构。具体主要包括AD采集单元、DA输出单元、数字输入单元、数字输出单元、FIFO、电源模块、PCI桥芯片、CPLD、DB37接头、CPCI接口组成：

所述电源模块与其他部分均有连接；所述AD采集单元、DA输出单元、数字输出单元、数字输入单元分别与DB37接头连接；所述CLPD分别与AD采集单元、DA输出单元、数字输出单元、数字输入单元、FIFO、PCI桥芯片连接；所述FIFO与AD采集单元连接；所述PCI桥芯片与CPCI接口连接。所述AD采集单元将模拟信号转换为数字信号存储到FIFO中；DA输出单元将数字信号转换为模拟信号输出；数字输出单元对CPLD输出的数字信号进行锁存、提高驱动能力；所述数字输入单元将外部输入的数字信号通过缓冲器进行缓冲、隔离、提高驱动能力后送入CPLD。

其中，所述CPLD单元包括AD转换时序控制模块、DA转换模块、IO控制模块、CPCI总线时序逻辑模块、FIFO时序逻辑模块、指示灯控制模块。

其中IO控制模块包括数字输入模块和数字输出模块。

其中，所述的电源模块输出±15V电压。

其中，所述PCI桥芯片采用PLX9054。

其中，所述FIFO容量为1K。

其中，所述AD采集单元包括多路复用器、增益可编程放大器、模拟开关、1/2衰减器、AD跟随电路、AD跟随放大电路和AD转换器。其中多路复用器用于模拟信号的选通；增益可编程放大器接受CPLD的指令实现增益可调；1/2衰减器保证AD转换器电压；AD转换器将模拟信号转换为数字信号。

其中，所述DA输出单元包括DA跟随电路、DA 跟随放大电路和DA转换器。其中DA转换器将来自CPLD的数字信号转换为模拟信号；DA跟随电路对模拟信号进行缓冲、隔离，提高驱动能力；DA跟随放大电路对AD跟随放大电路的前级2.5V跟随输出进行放大，放大倍数可通过数据采集卡的板上跳线进行选择，为DA转换器提供-5V或-10V内部参考。

一种增益可调的多功能数据采集卡主要包括模拟采集单元、模拟输出单元、数字输入单元和数字输出单元。模拟输入单元采用增益可编程放大器对模拟信号进行放大，可以提高小信号的采集精度。通过CPLD控制多路复用器切换模拟通道，实现AD采集芯片的复用，应用于采集速度没有特殊要求的场合可以有效的节约成本。模拟输出单元通过DA转换器将CPLD输出的数字量转换为电压信号输出。数字输入单元通过三态缓冲器，对数字输入信号进行缓存，同时增加驱动能力。数字输出单元通过D型触发器对数字输出信号进行锁存。数字输入和输出信号量都由CPLD直接采集或发出。

本发明的优点及功效在于：本发明通过可编程放大器实现对不同信号增益可调节，提高信号采集精度。通过多路复用器增加采集通道数目，降低成本。通过CPLD直接控制数字输出和数字输入单元，降低数据采集卡的复杂程度，提高可靠性。

附图说明

图1所示为本发明的电路原理图。

图2所示为本发明的AD转换模块原理图。

图3所示为本发明的DA转换模块原理图。

图4所示为本发明的数字输出模块原理图。

图5所示为本发明的数字输入模块原理图。

图6所示为本发明的CPLD功能图。

图中具体标号如下：

11DB37接头          12电源模块

13AD采集单元        14DA输出单元

15数字输入单元      16数字输出单元

17FIFO              18PCI桥芯片

19CLPD                110CPCI接口

111跳线

21多路复用器          22增益可编程放大器

23模拟开关            241/2衰减器

25AD 跟随电路         26AD跟随放大电路

27AD转换器            31DA跟随电路

32DA转换器            33DA跟随放大电路

41缓冲器              51锁存器

61AD转换时序逻辑      62数字IO

63FIFO时序逻辑        64CPCI总线时序逻辑

65DA转换              66指示灯控制

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

参见图1，本发明增益可调的多功能数据采集卡主要由AD采集单元13、DA输出单元14、数字输入单元15、数字输出单元16、FIFO17、电源模块12、PCI桥芯片18、CPLD19、DB37接头11、CPCI接口110等组成，是一种基于CPCI或PXI总线的多功能数据采集卡，采用CPLD单元(可编程控制器)+PCI桥+FIFO+外围设备的总体架构。其中CPLD单元采用芯片Altera EPM7128AE，实现外围设备(包括AD采集单元、DA输出单元、数字输入单元、数字输出单元)的控制、FIFO的控制、PCI桥芯片的通讯控制等功能；PCI桥采用PCI9054芯片，实现PXI总线与Local端总线的接口，接收上位机对Local端的控制信号和数据，并将Local端的数据以及信号量传递给上位机，上位机对Local端的控制通过写入特定地址并由Local端逻辑进行地址译码的方式来实现；FIFO采用IDT7204芯片接收AD采集单元送来的12位数字量，存储AD转换的结果，向CPLD报告自己的状态，并在上位机要求读取数据时将存储的数据送至9054以供上位机读取。

参见图2，本发明AD采集单元13由多路复用器21、增益可编程放大器22、模拟开关23、1/2衰减器24、AD跟随电路25、AD跟随放大电路26和AD转换器27组成。

多路复用器采用两片MPC508芯片，其中一片接16路单端模拟输入的其中8路或者8路差分模拟输入的正端，另外一片接16路单端模拟输入的另外8路或者8路差分模拟输入的负端。通过控制MPC508的通断选择相应的输入送到可编程增益放大器，其开关时序由CPLD根据地址译码给出控制信号。单端或差分通过板上跳线进行选择。

增益可编程放大器采用PGA206芯片，对来自多路复用器的模拟输出(单端或差分)进行放大，同时具有差分转单端的功能，其增益由CPLD根据地址译码进行选择，参考端的输入根据模拟输入信号的极性由CPLD根据地址译码控制模拟开关的通断来选择，双极性时参考输入为0，单极性时参考输入为-5V，从而将单极性输入转化为双极性模拟信号进入AD转换芯片进行转换。

多路模拟开关采用ADG436芯片，对增益可编程放大器的输出进行选通，若根据地址译码所得输入为±10V的范围，则要控制ADG436选通衰减电路对信号进行衰减，然后再送入AD转换芯片进行转换。对于其他的范围，直接将其选通进入AD转换芯片进行转换。所有的模拟开关通断控制信号都由CPLD根据地址译码来给出。

1/2衰减电路由电阻分压电路来实现，当模拟输入范围为±10V时，由多路模拟开关进行选通以对信号进行1/2衰减，使其不超过AD转换芯片的输入范围，其输出送到AD转换芯片进行转换。

AD跟随电路采用OPA131芯片来实现，在模拟信号进入AD转换芯片进行转换之前对模拟开关的输出电压进行缓冲、隔离，降低输出阻抗，提高带载能力，使AD转换芯片更可靠地工作。

跟随放大电路由两片运放LM358来实现，其中一片作为前级跟随AD转换芯片的2.5V参考电压输出，另外一片作为后级对2.5V参考电压进行放大，以提供-5V的参考电压，在单极性模拟输入时通过CPLD控制多路模拟开关的闭合为增益可编程放大器提供-5V参考电压，从而将单极性输入信号转化为双极性信号。

AD转换芯片采用ADS774，对模拟输入进行AD转换，最大转换时间8.5us，12位精度，采用10V和双极性连接方式，对于单极性输入通过CPLD根据地址译码控制模拟开关通断选择增益可编程放大器的参考输入-5V，从而将单极性输入信号转化为双极性信号进入AD转换芯片进行转换，其转换输出存储到FIFO中，状态信号送到CPLD进行监控。

参考图3，本发明DA输出单元14由DA跟随电路3、DA跟随放大电路33和DA转换器32组成。其中DA跟随电路采用LM358芯片，跟随DA转换器的电压输出，对其进行缓冲、隔离，降低输出阻抗，提高带载能力。DA跟随放大电路也采用LM358芯片，对跟随电路的前级2.5V跟随输出进行放大，放大倍数可通过板上跳线111进行选择，为DA转换芯片提供-5V或-10V内部参考。DA转换芯片采用LTC7541芯片，对数字量输入进行DA转换以提供模拟输出，可通过板上跳线选择内部参考或外部参考，外部参考最大为±10V。

参见图4和图5，本发明数字输入和数字输出单元都直接由CPLD控制采集或输出。数字输入单元将外部输入的数字信号通过缓冲器LS244进行缓冲、隔离、提高驱动能力后送入CPLD。数字输出单元将CPLD输出的数字信号通过锁存器LS273进行锁存、提高驱动能力。

参见图6，本发明CPLD19主要包括AD转换时序逻辑单元61、数字IO单元62、FIFO时序逻辑控制单63元、CPCI总线时序逻辑单元64、DA转换单元65、指示灯控制单元66。各单元功能如下：

AD转换时序逻辑单元：根据地址译码选择增益可编程放大器(PGA206)的增益，在1、2、4、8种选择一个；根据地址译码控制多路模拟开关的通断，选择PGA206输出信号的路径，以及PGA206的参考电压输入；对ADS774进行时序控制，并监控ADS774的状态信号，从而提供合适的时序将转换出来的12位数字量存储到FIFO中；对多路复用器(MPC508)进行时序控制，根据地址译码控制多路复用开关的通断次序，将模拟输入选通输出。

数字IO单元：接收数字输入，根据上位机指令产生数字输出。

FIFO时序逻辑控制单元：控制FIFO的时序逻辑以将AD转换的数据存储到FIFO中，同时对FIFO的状态信号进行监控。

CPCI总线时序逻辑单元：实现地址译码，上位机发送的控制信号等操作指令都通过在地址总线上写特定的地址来实现，CPLD通过对9054Local端的地址译码实现相应的功能选择和控制时序；通过操作9054LOCAL端的控制信号，接收上位机下传的数据，把Local端数据传递给上位机，并将LOCAL端的状态变化以中断方式(LINT#)及时通知上位机。

DA转换单元65：根据上位机指令将12位数字量送到DA转换器LTC7541的输入端，控制DA的输出。

指示灯控制单元66：根据整个电路的状态控制指示灯电路，以对电路进行监控。

Claims (7)

1.一种增益可调的多功能数据采集卡，其特征在于：包括DB37接头、电源模块、AD采集单元、DA输出单元、数字输入单元、数字输出单元、FIFO、PCI桥芯片、CPLD、CPCI接口；所述电源模块与其他部分均有连接；所述AD采集单元与DB37接头连接；所述DA输出单元与DB37接头连接；所述数字输出单元与DB37接头连接；所述数字输入单元与DB37接头连接；所述CPLD与AD采集单元连接；所述CPLD与DA输出单元连接；所述CPLD与数字输出单元连接；所述CPLD与数字输入单元连接；所述CPLD与FIFO连接；所述CPLD与PCI桥芯片连接；所述FIFO与AD采集单元连接；所述PCI桥芯片与CPCI接口连接；所述AD采集单元将模拟信号转换为数字信号存储到FIFO中；DA输出单元将数字信号转换为模拟信号输出；数字输出单元对CPLD输出的数字信号进行锁存、提高驱动能力；所述数字输入单元将外部输入的数字信号通过缓冲器进行缓冲、隔离、提高驱动能力后送入CPLD。

2.根据权利要求1所述的一种增益可调的多功能数据采集卡，其特征在于：所述的电源模块输出±15V电压。

3.根据权利要求1所述的一种增益可调的多功能数据采集卡，其特征在于：所述PCI桥芯片采用PLX9054。

4.根据权利要求1所述的一种增益可调的多功能数据采集卡，其特征在于：所述FIFO容量为1K。

5.根据权利要求1所述的一种增益可调的多功能数据采集卡，其特征在于：所述CPLD单元包括AD转换时序控制模块、DA转换模块、IO控制模块、CPCI总线时序逻辑模块、FIFO时序逻辑模块、指示灯控制模块；其中IO控制模块包括数字输入模块和数字输出模块。

6.根据权利要求1所述的一种增益可调的多功能数据采集卡，其特征在于：所述AD采集单元包括多路复用器、增益可编程放大器、模拟开关、1/2衰减器、AD跟随电路、AD跟随放大电路和AD转换器；其中多路复用器用于模拟信号的选通；增益可编程放大器接收CPLD的指令实现增益可调；1/2衰减器保证AD转换器电压；AD转换器将模拟信号转换为数字信号。

7.根据权利要求1所述的一种增益可调的多功能数据采集卡，其特征在于：所述DA输出单元包括DA跟随电路、DA跟随放大电路和DA转换器；其中DA转换器将来自CPLD的数字信号转换为模拟信号；DA跟随电路对模拟信号进行缓冲、隔离，提高驱动能力；DA跟随放大电路对AD跟随放大电路的前级2.5V电压跟随输出进行放大，放大倍数可通过板上跳线进行选择，为DA转换器提供-5V电压或-10V电压内部参考。

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