多通道同步高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其windows 程序設(shè)計(jì)

1、首先被丟棄,以緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況,這被稱為隱性質(zhì)量降級(jí)。為了盡量減少網(wǎng)絡(luò)控制在控制模型所造成的影響,我們可以通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)通信情況,找出一個(gè)最大允許傳輸間隔時(shí)間常數(shù),在制定控制算法時(shí)將的影響考慮進(jìn)去,以獲得最佳的網(wǎng)絡(luò)控制效果。本文在分析傳統(tǒng)智能儀表設(shè)備不足的基礎(chǔ)上,采用PC的RS2232C接口和KP數(shù)字調(diào)節(jié)儀的RS2 442A接口通信為手段,以PC的圖形用戶界面為用戶提供了一致的監(jiān)控平臺(tái)和實(shí)時(shí)的通信模塊。由于在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中綜合了Windows的多線程技術(shù)、異步I/O和基于事件I/O的優(yōu)勢(shì),整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、可靠性和用戶界面上都較以往的系統(tǒng)有較大的提高。下一步,我們將在實(shí)際的工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性的

2、推廣,并就其中出現(xiàn)的問(wèn)題做出進(jìn)一步的改進(jìn)。參考文獻(xiàn)1Charles A Mirho,Andre Terrisse著,賀軍、高勝友等譯.Windows95通信編程.清華大學(xué)出版社,19982David J Kruglinski著,希望圖書(shū)出版社譯.Visual C+技術(shù)內(nèi)幕6.0,第五版.北京希望電子出版社,19993侯俊杰著.深入淺出MFC,第二版.華中科技大學(xué)出版, 20014KP數(shù)字式程序調(diào)節(jié)儀通信接口,20015Gregory C Walsh,Hong Y e.Scheduling of Networked Control Systems.IEEE Control System Maga

3、zine,20016Reza S Raji.Smart Networked for Control.Systems/Con2 trol,IEEE S pectrum,J une,1994網(wǎng)絡(luò)、通信與多媒體多通道同步高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其Windows程序設(shè)計(jì)中國(guó)科技大學(xué)(合肥230027楊俊峰何浩武杰摘要文章介紹了一個(gè)最高采樣率為100MSPS,采樣精度為8bit,基于PCl總線和計(jì)算機(jī)并口的八通道同步高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并詳細(xì)介紹了在Windows98下如何利用WinDriver 設(shè)計(jì)同時(shí)對(duì)多路PCI插卡進(jìn)行控制的程序。關(guān)鍵詞高速A/D轉(zhuǎn)換PCI接口并口WinDriver設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序1概述

4、在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中,往往產(chǎn)生寬帶信號(hào)或者上升沿比較陡的信號(hào)。對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理需要高速的A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。同時(shí),又要求多路的數(shù)據(jù)采集卡具有良好的同步性,以完成如測(cè)距、定向等功能。本文所介紹的系統(tǒng)正是針對(duì)這些要求而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)八通道100MHz時(shí)鐘/觸發(fā)分配器和八塊高速A/D卡構(gòu)成。時(shí)鐘/觸發(fā)分配器為八路高速數(shù)據(jù)采集卡提供了同步性能良好的八路采樣時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào),從而保證了數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)具有良好的同步性能。時(shí)鐘觸發(fā)分配器的輸出時(shí)鐘由可編程時(shí)鐘芯片SY89429產(chǎn)生,它的輸出頻率可以在25MHz和400 MHz之間以1MHz為步長(zhǎng)連續(xù)調(diào)解。在

5、系統(tǒng)使用的時(shí)候,實(shí)際上用到的輸出時(shí)鐘范圍為25M100 MHz。89429產(chǎn)生的時(shí)鐘通過(guò)一片MC100E11119差分時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生最大時(shí)間晃動(dòng)t skew為50ps的9路高質(zhì)量PECL差分時(shí)鐘,其中8路時(shí)鐘作為A/ D卡的輸入時(shí)鐘,1路時(shí)鐘被轉(zhuǎn)化為T(mén)TL時(shí)鐘后用于同步觸發(fā)信號(hào),以避免觸發(fā)信號(hào)位于時(shí)鐘邊緣而造成的8路A/D卡不同時(shí)觸發(fā)的情況。時(shí)鐘/觸發(fā)分配器提供兩種觸發(fā)方式:分別是用軟件產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)(內(nèi)觸發(fā)以及外接觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)經(jīng)圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖時(shí)鐘同步后經(jīng)一片MC10H645轉(zhuǎn)化為8路同步的觸發(fā)信號(hào)提供給后端的A/D卡。整個(gè)時(shí)鐘/觸發(fā)分配器采用增強(qiáng)型并口(EPP方式與計(jì)算機(jī)相連。通過(guò)

6、計(jì)算機(jī)并口可以向可編程器件EPLD中寫(xiě)入數(shù)據(jù),從而實(shí)時(shí)地完成改變可編程時(shí)鐘芯片89429的輸出時(shí)鐘頻率、產(chǎn)生軟件觸發(fā)、切換觸發(fā)模式等功能。系統(tǒng)的高速A/D卡是一種通用的高速A/D 卡。輸入信號(hào)在經(jīng)過(guò)放大后,經(jīng)過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換芯片變換成為數(shù)字信號(hào),并通過(guò)乒乓切換的方式被鎖存在緩沖存儲(chǔ)器中。當(dāng)鎖存數(shù)據(jù)量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí),高速A/D卡自動(dòng)停止鎖存,并向計(jì)算機(jī)發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求或是改變一個(gè)端口的值。當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到中斷請(qǐng)求,或者查詢到端口的值發(fā)生改變后,即可以通過(guò)PCI總線將卡上存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)取出。當(dāng)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)被取出后,又可以開(kāi)始下一次數(shù)據(jù)采集。高速A/D卡基于PCI總線,采用的PCI接口芯片

7、為AMCC公司的S5920,它可以大大簡(jiǎn)化PCI接口邏輯的設(shè)計(jì)?？ㄉ暇哂袃善删幊踢壿嬈骷﨓PLD,用于完成PCI接口邏輯設(shè)計(jì)和觸發(fā)、鎖存等功能。高速A/D卡的最高采樣速率為100MSPS,采樣精度為8bit,卡上緩沖存儲(chǔ)器長(zhǎng)度為512kbit,可以通過(guò)PCI總線改變采集卡的各種參數(shù)設(shè)置,如信號(hào)增益大小、基線位置、觸發(fā)模式、鎖存數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等等,較好的滿足了各種情況的要求。8路高速的A/D卡在8路同步的外接時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)控制下工作,較好地完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。整個(gè)系統(tǒng)建立在一個(gè)擁有10個(gè)PCI插槽的工控機(jī)上,以保證其可靠運(yùn)行。3系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)整個(gè)系統(tǒng)工作在一臺(tái)具有10個(gè)PCI插槽的工控機(jī)上,使用

8、的操作系統(tǒng)為Windows98。綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的工作,會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的工作具有以下特點(diǎn):(1整個(gè)系統(tǒng)具有比較復(fù)雜的功能,既要通過(guò)計(jì)算機(jī)并口對(duì)時(shí)鐘/觸發(fā)分配器進(jìn)行設(shè)置,又要通過(guò)PCI總線完成高速A/D卡的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀取等 功能;(28塊高速A/D 卡具有相同的PCI 器件識(shí)別號(hào)(Device ID 和廠商識(shí)別號(hào)(Vendor ID ,并且具有基本相似的工作方式;(3由于高速A/D 卡是在一種非連續(xù)的方式下工作,所以通過(guò)PCI 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中,對(duì)傳輸速率的要求相對(duì)降低?？紤]到以上特點(diǎn),系統(tǒng)的監(jiān)控程序設(shè)計(jì)采用了圖2所示結(jié)構(gòu)。 圖2系統(tǒng)監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)圖整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控程序采用Microso

9、ft Visual C +6.0編寫(xiě)。程序中將完成高速A/D 卡和時(shí)鐘/觸發(fā)分配器的各種功能的函數(shù)分別封裝在兩個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(.DLL 文件里,系統(tǒng)主監(jiān)控程序以MFC 提供的CFormView 類為框架,完成類似示波器顯示的界面,并通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中API 函數(shù)的調(diào)用,實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的控制、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀取、保存、顯示等功能。之所以采用這種結(jié)構(gòu),一方面是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)方便了程序的編寫(xiě)和二次開(kāi)發(fā),另一方面可以有效地避免編寫(xiě)程序過(guò)程中因?yàn)镃/C +語(yǔ)言混合編譯而出現(xiàn)的一些問(wèn)題。時(shí)鐘/觸發(fā)分配器采用計(jì)算機(jī)并口與系統(tǒng)相連。由于計(jì)算機(jī)并口的端口號(hào)對(duì)每個(gè)計(jì)算機(jī)是基本固定的,因此在Windows 98系統(tǒng)下,可

10、以簡(jiǎn)單地采用端口操作函數(shù)-outp (完成對(duì)端口的控制,也可以使用CreateFile (的方式完成同樣的功能。但是對(duì)于高速A/D 卡,由于它是基于PCI 總線的,其端口地址和存儲(chǔ)區(qū)的地址映射方式是隨著各個(gè)計(jì)算機(jī)而不同的。即使對(duì)于同一個(gè)計(jì)算機(jī),由于具有多塊這樣的高速A/D 卡,每一塊都具有不同的端口地址和存儲(chǔ)區(qū)的地址映射方式,因此不能簡(jiǎn)單的采用對(duì)端口進(jìn)行操作和在指定地址空間進(jìn)行讀寫(xiě)操作的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)它的功能。為了方便PCI 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě),在程序設(shè)計(jì)中采用了WinDriver 作為PCI 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)工具。WinDriver 是美國(guó)KRF 2Tech 公司出品的用于編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的一種

11、工具包。它可以使編程人員用C 或C +語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,而不是將大量精力放在編寫(xiě)那些復(fù)雜的、難于調(diào)試的內(nèi)核模式代碼。利用WinDriver 提供的向?qū)С绦?可以方便地對(duì)硬件進(jìn)行診斷操作,完成簡(jiǎn)單的讀、寫(xiě)、中斷檢查等操作。當(dāng)診斷完成后,向?qū)С绦蚝蟾鶕?jù)硬件的設(shè)置自動(dòng)生成源代碼,產(chǎn)生一些框架函數(shù)用來(lái)對(duì)硬件的資源進(jìn)行操作。從系統(tǒng)自動(dòng)生成的框架程序,可以看出程序的工作流程為:(1調(diào)用WD -Open (得到一個(gè)WinDrive 的句柄;(2調(diào)用WD -Vision (以保證WinDriver 的版本正確;(3調(diào)用WD -PciScanCards (得到當(dāng)前安裝的具有一定Vendor ID 和Dev

12、ice ID 的PCI 設(shè)備;(4調(diào)用WD -Pci G etCardInfo (得到選中的PCI 設(shè)備的信息;(5調(diào)用WD -CardRegister (安裝中斷和進(jìn)行存儲(chǔ)區(qū)映射;(6使用WD -Transfer (完成I/O 端口操作和存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)傳輸;(7如果卡上使用了中斷,調(diào)用WD -Int Enable (來(lái)使能中斷,然后調(diào)用WD -Int Wait (完成中斷等待;(8當(dāng)對(duì)PCI 設(shè)備的操作完成之后,可以調(diào)用WD -CardUnregister (釋放設(shè)備資源,并調(diào)用WD -Close (關(guān)閉WinDriver 句柄。高速A/D 卡的監(jiān)控程序庫(kù)就是考慮到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在WinDri

13、ver 提供的框架程序的基礎(chǔ)上修改而成的。(1Dll 文件的生成使用Microsoft Visual C +6.0生成一個(gè)空的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)項(xiàng)目(empty DLL project ,將WinDriver 自動(dòng)生成的框架程序中的相關(guān)文件復(fù)制到該項(xiàng)目下,并調(diào)用這些基本函數(shù)完成對(duì)高速A/D 卡的操作。由于該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)為外界調(diào)用提供函數(shù)接口,因此可在接口函數(shù)頭文件中加入如下宏控制編譯:#ifndef -F9800D -#define F9800DL IB extern C -declspec (dllimport #else#define F9800DL IB -declspec (dllexport

14、#endif這樣,只需在dll 接口函數(shù)中使用F9800DL IB 聲明,在生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)時(shí)使用#define -F9800D -而在調(diào)用接口函數(shù)時(shí)不使用該宏,即可方便的控制接口函數(shù)的輸入輸出。(2對(duì)多個(gè)PCI 設(shè)備進(jìn)行操作用WinDriver自動(dòng)生成的框架程序提供了對(duì)單個(gè)PCI設(shè)備的基本調(diào)用,而在系統(tǒng)中實(shí)際碰到的情況是多個(gè)具有相同Device ID和Vendor ID的PCI 設(shè)備同時(shí)工作。針對(duì)系統(tǒng)的這個(gè)特點(diǎn),可以參考單個(gè)PCI設(shè)備的情況完成統(tǒng)一的對(duì)多PCI設(shè)備進(jìn)行操作的接口函數(shù)。首先調(diào)用WD-PciScanCards得到具有一定Device ID和Vendor ID的PCI設(shè)備數(shù)目,然后在

15、系統(tǒng)的初始化函數(shù)中動(dòng)態(tài)分配一結(jié)構(gòu)體(struct數(shù)組(在程序中使用的該結(jié)構(gòu)體聲明由WinDriver wizard自動(dòng)生成,接著調(diào)用WD-Pci G etCardInfo依次將設(shè)備信息填入該結(jié)構(gòu)體數(shù)組內(nèi)。這樣,通過(guò)設(shè)置要操作的PCI設(shè)備的序號(hào),選擇數(shù)組內(nèi)的不同位置的結(jié)構(gòu)體,即要方便地得到各個(gè)PCI設(shè)備的信息,完成對(duì)PCI設(shè)備的操作。(3系統(tǒng)中斷服務(wù)程序和多卡同步工作在WinDriver生成的框架程序中,中斷服務(wù)程序是在一個(gè)名為3-Int HandlerRoutine(其中的3代表生成框架程序時(shí)所起的項(xiàng)目名稱的函數(shù)中完成的。通過(guò)改寫(xiě)該函數(shù),即可以完成設(shè)備在中斷到來(lái)的時(shí)候需要完成的中斷服務(wù)程序。在

16、本系統(tǒng)程序中,對(duì)中斷的處理是僅僅向主窗口發(fā)送一個(gè)自定義的消息?？紤]到系統(tǒng)同步性的工作特點(diǎn),當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí),多個(gè)高速A/D卡同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D變換且具有相同的工作方式,當(dāng)一路高速A/D卡上的數(shù)據(jù)采滿時(shí),其他七路A/D卡上的數(shù)據(jù)應(yīng)該也準(zhǔn)備好(如果有數(shù)據(jù)。這樣在系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)中,僅將一路數(shù)據(jù)采集卡的工作方式設(shè)置為中斷方式,而將其他七路高速A/D卡的工作方式設(shè)置為查詢方式,通過(guò)查詢端口來(lái)判斷是否有數(shù)據(jù)。在中斷服務(wù)程序發(fā)出的自定義消息的消息響應(yīng)函數(shù)中,依次查詢各路A/D卡上的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好,并完成數(shù)據(jù)的讀取,清標(biāo)志位,清中斷請(qǐng)求等操作。使用這種結(jié)構(gòu),既高速地完成了數(shù)據(jù)讀取,又有效地避免了由于對(duì)多路中

17、斷進(jìn)行處理造成的誤觸發(fā)。在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中,系統(tǒng)的監(jiān)控程序較好地完成了對(duì)計(jì)算機(jī)并口和多路高速A/D卡的操作,方便地完成了對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示、分析等功能,較好的滿足了實(shí)際需要。4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由于整個(gè)系統(tǒng)對(duì)高速性和同步性方面的要求,對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)也提出了新的要求。為此,在設(shè)計(jì)中采用了如下措施:(1為了避免各個(gè)信號(hào)間的串?dāng)_(cross talk和保證信號(hào)的完整性(integrality,在PCB設(shè)計(jì)中采用了四層板,通過(guò)使用大面積的電源和地層使信號(hào)線與地或電源平面之間形成一個(gè)緊耦合層,從而減少了信號(hào)線之間的串?dāng)_。(2時(shí)鐘輸出使用PECL差分時(shí)鐘信號(hào),減少了傳輸中的干擾。(3綜合使用磁珠、濾波電容、電感等減少了電源部分的擾動(dòng)。(4在布線時(shí)使用淚滴焊盤(pán)和采用圓弧拐角布線技術(shù),以減少信號(hào)線的輻射和反射,降低串?dāng)_。(5布線時(shí)精心走線,以保證多路時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)之間的延遲盡可能一致。通過(guò)上述各種措施的應(yīng)用,較好地完成了設(shè)計(jì)要求。5系統(tǒng)性能測(cè)量由于系統(tǒng)對(duì)同步性能要求的特殊性,除了高速A/D卡的性能指標(biāo)外,系統(tǒng)性能主要體現(xiàn)在兩個(gè)指標(biāo)上:各路之間對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行采樣,其結(jié)果之間的時(shí)間延遲,以及的晃動(dòng)(即大量測(cè)量值得到的其標(biāo)準(zhǔn)偏差。由于采樣結(jié)果為數(shù)字信號(hào),上述指標(biāo)不易進(jìn)行直接測(cè)量,在實(shí)際測(cè)