摘  要: 研究了影响数据采集系统" title="数据采集系统">数据采集系统" title="高速数据采集系统" title="高速数据采集系统">高速数据采集系统">高速数据采集系统性能的两个主要因素——微机总线与A/D" title="A/D">A/D转换器。在阐述了PCI总线的结构、特点及A/D转换技术的基础上，进一步介绍了专用PCI接口芯片S5933和分辨率为16位的A/D转换芯片AD7723，并给出一个应用实例。

　　关键词: 高速数据采集  PCI总线  S5933芯片  A/D转换  虚拟仪器

　　现代电子技术给传统仪器的发展提供了强大的推动力。从模拟仪器到数字化仪器，再由智能仪器发展到今天的虚拟仪器，已经完全摆脱了传统仪器独立使用、功能单一、精度低、用户无法改变的模式。虚拟仪器是由软硬件结合实现的。自从“软件就是仪器”这一口号提出后，虚拟仪器开发厂商与研究人员尽量减少硬件在仪器中的使用，而采用软件替代这些硬件，例如，数据处理与显示部分完全可以用软件来实现。这样不仅降低了仪器成本，而且解决了硬件难于维护的问题。

　　虚拟仪器主要包括数据采集与处理及最终结果显示三个部分。数据采集作为其中的重要组成部分，须用软硬结合实现。其性能的提高不仅依赖于微机总线的性能，更取决于A/D转换器的性能。

　　在瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测量中，需要进行高速数据采集。一些厂商推出了通用的高速或超高速数据采集卡，只需在其前端接上传感器，后端加上后继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，但价格也比较昂贵。随着新的微机总线技术的出现和发展，为自行研发高速度、高性能的数据采集卡提供了便利的条件。提高高速数据采集卡的性能，关键在于：一微机总线的选择;二A/D转换芯片。

1 关于PCI总线

　　传统的微机总线(如ISA、EISA和MCA等)由于带宽的限制，已成为制约微机性能的瓶颈，不能满足高速数据采集与处理的要求。ISA只有8位和16位两档，最高传输速率只有8MB/s;EISA兼容ISA，虽然能支持32位数据、32位地址，速率可达32MHz，但其成本比较高，应用于服务器较多。IBM公司的微通道(MCA)可以认为是标准总线，由于其专利的封闭性而难以广泛流行。

　　局部总线PCI(Peripheral Component Interconnect)即外围设备互连总线的出现解决了这一问题(此外，还有另一种流行比较广泛的局部总线VESA，其特点更适用于视频显示信号，而PCI总线信号适用性更强)。PCI总线是32位并可升级到64位的独立于CPU的总线结构，总线速度高达33/66MHz，同步控制、猝发(burst)传送使得数据传送" title="数据传送">数据传送速率高达132MB/s(32位总线)、264MB/s(64位总线)。线性猝发、成组数据传输是PCI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PCI外设提供了一个高带宽的数据通道，将外设从I/O总线上移下来，不需处理器的介入便可进行数据传输。PCI总线可进行隐式仲裁。当前主设备正在执行数据传送时，PCI机理允许总线仲裁发生。如果仲裁器决定将下一次总线所有权授予某个主设备，而不是当前交易的主设备，它从当前主设备取回GNT(仲裁信号，允许主设备使用总线，低电平有效)并将之发给总线的下一个所有者，但是，直到当前主设备让总线空闲，下一个所有者才取得总线所有权。这样，在执行仲裁总线周期的时间里没有浪费总线时间，提高了总线的效率。

　　PCI有三个相互独立的物理空间:存储器地址空间、I/O地址空间和配置地址空间。配置地址空间是PCI所特有的一个物理空间，所有的PCI设备必须提供配置地址空间。在桥和配置地址空间的支持下，PCI提供了功能强大而又方便灵活的配置能力。

　　由于PCI总线协议非常复杂，通常采用两种接口方案来执行PCI协议——专用芯片(AMCC公司的S593x，PLX公司的PCI9052、PCI9054、PCI9050等，放置于系统或插卡与PCI总线之间，提供数据和控制信号的接口电路)和PLD(ALTERA公司的FLEX8000(CPLD)，Xilinx的XC3100A(FPGA)等，不受插卡功能限制)。专用PCI接口芯片使用简单方便，设计者不需在处理系统与PCI总线接口的问题上花很多时间。

2 A/D转换技术

　　在信号的采集与处理中，必须将模拟信号转换为数字信号，这就用到了模/数(A/D)转换技术。现在A/D芯片的最高采样速率" title="采样速率">采样速率可达1GSPS(次/每秒)，属于超高速A/D转换芯片。常用的超高速A/D芯片有AD9038，采样速率300MSPS，分辨率8位;MAX100芯片，采样速率250MSPS，分辨率8位。转换速率低于60MSPS的常用高速A/D转换芯片有AD9058，采样速率50MSPS，分辨率8位。

　　A/D芯片采样速率提高的同时，转换精度也大大提高了。并且近年来兴起的∑-△A/D转换技术能以较低的成本获取高分辨率，使分辨率高达16、24位。∑-△A/D转换器以很低的采样分辨率和很高的采样速率将模拟信号数字化，利用过采样技术、噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率。其内部含有自采样和跟踪电路，不需外加采样保持或跟踪保持电路，从而提高了采样速率，降低了孔径误差。ADI公司的AD7705/6、AD7723/2/1/0等为典型的16位∑-△A/D转换器;24位A/D芯片有AD7714/5/6等。

3 数据采集系统的实现

3.1 总线接口

　　笔者设计的高速数据采集系统采用AMCC公司的S5933专用芯片来实现PCI协议。S5933功能强大，既可以作为PCI总线从设备接口，也可以作为系统主设备接口，最大传输速率可达132M/s(32位数据总线)。

　　S5933提供了三种物理总线接口:PCI总线接口、外加总线接口和可选的NV存储器接口。数据传送可以在PCI总线与外加总线之间进行，也可以在PCI总线与NV存储器之间进行。PCI总线与外加总线的数据传送有三种通道:信箱寄存器(MailBox)、FIFO(First In First Out)和直通(PASS-THRU)通道。本高速数据采集系统中采用FIFO通道方式。S5933片内提供两个独立的FIFO数据通道，一个是用于PCI到外加总线的数据传送；另一个是用于外加总线到PCI总线的数据传送。这两个FIFO的深度都只有8×32bit，即每传递8个双字就要产生一次中断。但是S5933为FIFO提供的控制信号允许将内部FIFO与外加FIFO串联，增加FIFO的深度。选择一片(因为数据采集中只需在一个方向上进行数据传送)单向的外加FIFO IDT723651(2K×bit)来加深FIFO。采用ALTERA公司的FLEX8636来完成内部FIFO与外加FIFO的串联。FIFO具有较强的中断能力，可以向PCI总线或外加总线请求中断。

3.2 A/D芯片的选择

　　A/D芯片的性能对数据采集系统的影响是不容忽视的，选择何种A/D芯片是设计高速数据采集系统的关键之一。本系统采用ADI公司的AD7723芯片来进行模数转换，其结构如图1所示。

　　AD7723为∑-△A/D芯片，分辨率为16位，单极性或双极性输入，输入带宽可达460kHz，转换速度1.2MSPS，数据传送有串行和并行两种方式，这里采用并行数据传送方式。AD7723内部有低通和带通数字滤波器。芯片的供电电压为+5V。

芯片内部提供了一个2.5V的参考电压，也可以选用外加参考电压。芯片封装形式为44脚PQFP封装，部分引脚说明见表1。

3.3 系统电路说明

　　数据采集系统的电路结构如图2所示。模拟信号经过用户调理电路处理后送到A/D转换器。A/D转换后输出16位的数字信号。为了充分利用PCI总线的传输带宽，将两次A/D转换的数据分别送入数据锁存器，组合成一个32位数，送入32位的FIFO。数据经接口芯片传至PCI总线，送入内存。

　　软件设计时，将FIFO设置成由PCI初始化同步主控方式。定义中断条件:允许读计数器(MRTC)到零时产生中断。本系统中没有其它的中断，所以中断服务程序中不需做中断查询，可以直接处理采集到的数据。如果有必要，可以启动另外一次数据采集。

　　本文从影响数据采集系统性能的主要因素——微机总线和A/D转换器两个方面着手，对高速数据采集系统进行了研究，并提出实现方案。该数据采集系统采用PCI总线结构，以及16位分辨率的AD7723芯片进行A/D转换，改善了高速数据采集系统的性能，既提高了数据传输速度，又提高了数据测量精度，满足用户高速、高精度的测量要求。

参考文献

1 刘晖译. PCI系统结构(第四版).北京:电子工业出版社， 2000

2 陈利学. 微机总线与接口设计. 成都:电子科技大学出版社， 1998

3 班荣峰. 基于专用芯片S5933的PCI总线接口设计. 北京:电子技术应用，1998;24(11):55~57

4 高光天.模数转换器应用技术.北京:科学出版社，2001