专利名称：一种基于vxi总线的多通道同步数据采集卡的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及虚拟仪器技术领域，指的是一种基于vxi总线的同
步数据采集卡。
背景技术：
国内外现有的16位VXI数据采集卡最高采样率都低于lMSa/s，在 板缓存都比较小。随着现代科学技术的迅速发展，尤其是在航空航天、 军事领域，所要采集的模拟信号频率逐步上升，用户对于采集的信号采 样精度要求也越来越高，对于在板缓存也要求比较大。在这种情况下， 现有的VXI同步采集卡都满足不了这种需求。 发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高采样
率、在板缓存大、采样精度高的基于vxi总线的多通道同步数据采集卡。
本实用新型的技术方案是一种基于VXI总线的多通道同步数据采集 卡，每块板卡由4个完全独立的模拟信号调理子板和1块母板组成，在 母板上集成有FPGA芯片、SDRAM芯片、VXI接口芯片，该板为8层印制 板；在子板上集成有模拟信号调理电路、A/D转换器，该板为4层印制 板；每个子板具有独立的信号采集通道，各通道具有1个独立的16位 A/D转换器和信号调理电路，各通道独立并行采样，每通道的最高采样 为2M，采样率可向下分频。
该采集卡的所有A/D采样时钟最终都来自VXI背板的同一个时钟，且A/D采样时钟等长。
本数据采集卡经实验室检测和用户现场应用，达到如下主要效果-
1. 采样率高。采用16位A/D转换器的最高采样率为2M，采样率可
向下分频。
2. 采样精度高。采用低噪声信号调理技术，程控增益，程控滤波以 及多点校准技术，该采集卡的采样精度优于1%。。
3. 数据存储容量大、速度快。每通道采用128MB的SDRAM作为数据 存储器，工作频率为80MHz，峰值数据吞吐量可达320MB/S。
4. FPGA内部均采用全局时钟、同步设计方法，使用同步设计方法 可以大大降低信号毛刺对时序逻辑的影响，提高板卡的稳定性。
5. 该采集卡的所有A/D采样时钟最终都来自VXI背板的同一个时 钟，且A/D采样时钟在印制板上等长，保证了多个通道采样的同 步性，非常适合于对相位要求高的应用场所。
图l VXI同步采集卡总体结构框图。 图2采集卡单通道结构图。 图3 FPGA内部整体结构图。 图4模拟信号接收单元原理图。 图5程控增益单元原理图。 图6程控滤波单元原理图。 图7 A/D转换器单元原理图。 图8触发单元原理图。图9时钟发生器单元原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，以4通道采集卡为例，详细说明本实用新型 的具体实施方式
，但本实用新型的实施方式不限于此。
硬件总体结构如图1所示，每块板卡由4个完全独立的模拟信号调 理子板和1块母板组成。母板主要完成数字信号的控制、传输和与VXI 总线接口。母板由FPGA芯片EP20K100QC、 SDRAM芯片K4S511632B、 VXI 接口芯片IT9010等构成，该板为8层印制板。在子板上集成有模拟信 号调理电路、A/D转换器。
模拟子板完成模拟信号的接收、信号选择、程控放大以及滤波功能， 最终把模拟信号传送到A/D转换器中进行转换。该模拟子板为4层印制 板，模拟电路和数字电路完全隔离，以减小高速数字电路对低频模拟电 路的干扰。
FPGA完成整个采集通道的运行控制。A/D转换后的数字信号在 EP20K100QC的控制下暂存在K4S511632B数据存储器中。当K4S511632B 中的存储数据达到上层软件所设定的存储长度时，就通过VXI总线接口 IT9010传送到上位机中去。
如图2所示，同步釆集卡有4路模拟信号输入，这4路采集通道共 同组成一块单板。每个单板中的4个数据采集通道相互独立，独自使用 资源，这样可以达到各个通道的完全隔离。单板中4个采集通道共享同 一个VXI总线接口资源，这样才可以保证对于计算机， 一块单板对应一 个功能模块，而不是4个功能模块。如图9所示，时钟发生器单元产生该通道工作所需的时钟，该时钟 是通过对VXI总线背板上的10MHz基准时钟进行8倍频后得来的。
如图8所示，触发信号发生和触发信号传输单元判断外部输入的触 发信号或者产生本通道输出到其它通道的触发信号，来保证各通道之间 的同步数据采集。
基准电压为精密电压源，用来校准模拟通道的增益大小，补偿A/D 转换结果的精度，使补偿后的数据能精确反映输入信号的大小，把模拟 通道的失真减为最小，满足系统信号的失真要求；模拟通道的校准需要 进行所有增益情况下基准电压的A/D转换，以实际转换结果与理论结果 相比较，得出此时模拟通道实际的增益值，作为实际工作时的通道增益 值。
单端运算放大器接收单端信号，差分运算放大器接收差分信号，如 图4所示，单端、差分信号分别被不同接法的0P37接收，直流和交流 耦合方式通过信号选择开关MAX311实现。校准电压连接到信号选择开 关的基准电压输入端，FPGA根据上层的控制信号来识别当前需要选取的 信号类型，从而输出不同的控制信号到信号选择开关，保证实际输入到 采集卡模拟通道的信号为需要的信号类型。
为了使A/D转换结果具有最佳的信噪比，程控增益放大器需要对经 过信号选择开关选通后的模拟信号进行放大，保证信号的幅度接近A/D 转换器的最大转换信号值，具体的增益大小可以根据当前输入信号的量 程而定。如图5所示，接收后的模拟信号被送到前级运放0P37进行第 一级放大，根据信号的量程，还需要进行第二级放大。第二级放大由D/A转换器TLC7528和OP37实现程控增益。
如图6所示，为了有效的滤除干扰信号，因此根据输入信号的频率， 将选择不同档位的低通滤波器。滤波器的档位划分为200KHz， 100KHz， 50KHz， 10KHz，选用LINEAR公司的滤波器LTC1069-7实现。该滤波器 为8阶线性相位低通滤波器，可以通过简单改变输入时钟频率调节滤波 器的截止频率。
如图7所示，经过滤波后的模拟信号送到16位A/D转换器ADS8411 中进行转换，该A/D转换器内部提供4. 096V的参考，并行数据输出。
A/D转换器完成模拟信号的转换，转换后的数字信号被FPGA所接 收，并被存储到SDRAM中。
SDRAM存储采集数据，当SDRAM中存储的采样数据达到上层软件所 设定的存储长度时，FPGA中央控制单元就向VXI总线申请读取采样数据 中断，VXI总线在接收到中断信号以后，就通过VXI总线来读取SDRAM 中的采样数据。
FPGA完成整个采集通道的运行控制，对整个单板性能有着决定性的 作用。FPGA完成A/D转换数据的接口； SDRAM的刷新、读、写控制；通 道工作状态的控制(采集控制、触发模式、A/D采样率控制、通道间同步 控制、增益控制、增益校准控制)；SDRAM数据到VXI总线接口控制；请 求VXI总线读SDRAM数据中断控制；VXI总线写控制参数接口单元，来 控制通道的工作状态；VXI总线读通道FPGA状态参数接口单元等。图3 是FPGA内的结构图。FPGA内部均采用全局时钟、同步设计方法，使用 同步设计方法可以大大降低信号毛刺对时序逻辑的影响。
权利要求1、一种基于VXI总线的多通道同步数据采集卡，其特征在于每块板卡由4个完全独立的模拟信号调理子板和1块母板组成，在母板上集成有FPGA芯片、SDRAM芯片、VXI接口芯片，该板为8层印制板；在子板上集成有模拟信号调理电路、A/D转换器，该板为4层印制板；每个子板具有独立的信号采集通道，各通道具有1个独立的16位A/D转换器和信号调理电路，各通道独立并行采样，每通道的最高采样为2M，采样率可向下分频。
2、 如权利要求1所述的一种基于VXI总线的多通道同步数据采集卡， 其特征在于该采集卡的所有A/D采样时钟最终都来自VXI背板的同一 个时钟，且A/D采样时钟等长。
专利摘要本实用新型提供一种基于VXI总线的多通道同步数据采集卡，每块板卡由4个完全独立的模拟信号调理子板和1块母板组成，在母板上集成有FPGA芯片、SDRAM芯片、VXI接口芯片，在子板上集成有模拟信号调理电路、A/D转换器，每个子板具有独立的信号采集通道，各通道具有1个独立的16位A/D转换器和信号调理电路，各通道独立并行采样，每通道的最高采样为2M，采样率可向下分频。本实用新型采集卡采样率高，采样精度优于1‰，数据存储容量大、速度快，峰值数据吞吐量可达320MB/S，降低了信号毛刺对时序逻辑的影响，提高了板卡的稳定性，保证了多个通道采样的同步性，适合于对相位要求高的应用场所。
文档编号G06F3/05GK201130369SQ20072031132
公开日2008年10月8日 申请日期2007年12月20日 优先权日2007年12月20日
发明者严昭莹, 李小杰, 涛 赵, 郭恩全 申请人:陕西海泰电子有限责任公司