基于CPCI总线的多功能数据采集模块

说明书摘要本发明涉及一种基于CPCI总线的多功能数据采集模块，包括硬件模块和FPGA程序，硬件模块包括阻抗控制电路板、电子元器件、SCSI100信号连接插座、标准CPCI总线连接器、标准3UEurocard板卡前面板。阻抗控制电路板和电子元器件是本发明的核心功能载体，分为FPGA单元、CPCI总线单元、AD转换单元、DA转换单元、定时器单元、计数器单元、通用IO单元和辅助电路单元共八个功能单元。FPGA程序包括AD转换模块、DA转换模块、定时器模块、计数器模块和通用IO模块，采用VerilogHDL编程开发。本发明性能稳定、可靠性高，可进行长时间、连续大量数据转换传输；CPCI总线数据传输具有DMA功能，总线实际传输速率最高可达80MB/s，高速连续传输不丢帧；总线信号驱动能力强，传输距离远；结构简单，价格低廉，使用方便。摘要附图DA转换+5V基准电源射随电路FPGACPCI桥接芯片电平转换外部供电调试电路ClockJTAGAS101105103104102AD转换4+2.5V基准电源2AD转换2+2.5V基准电源1AD转换3AD转换1IO单元定时器单元计数器单元1权利要求书1．一种基于CPCI总线的多功能数据采集模块，其特征在于：其组成分为两部分——硬件模块和FPGA程序；其中硬件模块包括：1)一阻抗控制电路板，包含焊接于此电路板上的电子元器件，具体包括以下八个单元：①一FPGA单元，其应用FPGA芯片，焊接于所述的阻抗控制电路板的中心位置，用于实现对阻抗控制电路板上其它各组成单元的连接和操控；②一CPCI总线单元，其应用CPCI总线桥接芯片，用于与FPGA单元配合实现本发明与CPCI总线计算机的数据传输；③一AD转换单元，采用多块高性能的16位AD转换芯片，采集模式为并行模式，采集速率1K、2K、5K、8K、10K、15K、20K、100K、150K、200K可选，可同时以最高200KSPS将32路单端或16路差分模拟信号转化为数字信号；④一DA转换单元，采用高性能的16位DA转换芯片，可将16路数字信号以多种工作模式（16路同步输出、高8路同步输出、低8路同步输出、每路单独输出）转化为模拟信号；⑤一定时器单元，采用高性能的锁存驱动芯片，采用FPGA内部程序定时控制，可同时提供4路32位定时信号；⑥一计数器单元，采用高性能的锁存芯片，采用FPGA内部程序计数控制，可同时对4路数字脉冲信号进行计数，计数器位宽为24位；⑦一通用IO单元，采用高性能的双向缓冲芯片，每8路为一组，共四组，每组IO输入输出方向程序可控，可以根据实际需要进行灵活的配置；⑧一辅助电路单元，实现对本发明的供电，对整个电路的复位，程序的下载，并为部分芯片提供配置信息。2)一SCSI100信号连接插座，焊接于阻抗控制电路板的左侧边缘，用于提供本发明中的各种模拟、数字信号与外部设备连接的接口；3)一标准CPCI总线连接器，焊接于阻抗控制电路板的右下方边缘，用于提供本发明中CPCI总线与计算机背板之间连接的接口；4)一标准3UEurocard板卡前面板，安装于阻抗控制电路板的左侧边缘，2用于为本发明提供硬件保护，便于板卡的安装与固定，并起到电磁屏蔽作用；FPGA程序包括：1)AD转换模块，用于对32路单端或16路差分中被选择的通道进行模数转换，并通过中断方式通知CPCI总线计算机读取转换的结果；2)DA转换模块，用于对CPCI总线计算机下发的数字量进行数模转换；3)定时器模块，用于经CPCI总线计算机配置后的4路32位定时器定时信号输出；4)计数器模块，用于经CPCI总线计算机配置后的4路24位计数器进行输入脉冲信号的计数；5)通用IO模块，用于接收CPCI总线计算机配置信息，得到输入输出方向和输入输出使能设置后，由开启命令进入IO的读写操作。2、根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多功能数据采集模块，其特征在于：所述的AD转换模块，其组成包括：一AD转换子模块、一数据缓存FIFO、一中断发送子模块和一CPCI总线读写操作子模块。AD转换子模块，完成模数转换的过程和将转换结果存入FIFO过程；数据缓存FIFO，是在FPGA内部开辟的大小为16K×32-bit的存储空间，由于此发明的CPCI总线数据宽度为32位，但AD转换的结果为16位，为了节省FIFO空间和最大效率的利用总线，将FIFO设置为32位宽，即一个存储单元可存储两个通道的转换结果，计算机每次可以读取两个通道的转换结果；中断发送子模块，根据计算机设置的FIFO中断Level，满足条件后在中断屏蔽位开启前提下向计算机申请中断，通知计算机读取AD转换结果；CPCI总线读写操作子模块，通过与CPCI总线单元的电气信号的时序配合，实现DMA和总线Target从设备读写数据两种方式，完成计算机对AD模块配置信息的下发和AD转换结果的读取。3、根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多功能数据采集模块，其特征在于：所述的DA转换模块，其组成包括：一DA转换子模块、一DA转换数据缓存RAM和一CPCI总线读写操作子模块。DA转换子模块，完成数模转换过程；DA转换缓存RAM，是在FPGA内部开辟的大小为2K×16-bit存储空间，用于存储计算机下发的DA转换数字量；CPCI总线读写操作子模块，通过与CPCI总线单元的电气信号的时序配合，通过DMA和总线Target从设备写数据两种方式，完成计算机对DA模块配置信息的下发和DA转换数据的存储。34．根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多功能数据采集模块，其特征在于：该阻抗控制电路板板卡为3UEurocard外型，尺寸为160mm×100mm，厚度为1.6mm，采用FR-4材料，6层电路板，包括一个电源层、一个地层和四个信号层，单端信号传输线特性阻抗为50Ω±10Ω。5．根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多功能数据采集模块，其特征在于：该CPCI总线单元每一路CPCI总线信号都要串联一个10Ω终端电阻，信号布线长度保持在1.5英寸以内，时钟线长度保持为2.5±0.1英寸范围内。6.根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多功能数据采集模块，其特征在于：该阻抗控制电路板的叠层顺序为顶层、地层、中间信号层1、中间信号层2、电源层、底层；布线时重要的信号走顶层和地层；模拟信号和数字信号走线不交叉；一些重要的信号如CLK用地线屏蔽，模拟量输入信号间用地线相隔；AD、DA芯片下方不走数字信号，数字地和模拟地仅在地层一处相通。7.根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多功能数据采集模块，其特征在于：该AD电路单元，模拟信号直接通过连接器与AD芯片相连，省去了繁琐的衰减放大调理电路，避免了由于复杂电路引起的模拟信号误差的积累；差分AD的选择只是软件上的选择，硬件上没有任何改变，只是将两个通道看作一对差分，一个通道作为差分正向的输入，另一个通道作为差分负向的输入，计算机软件将两个通道解析出来的模拟量作差便得到差分模拟量的数值。此设计的益处在于：①省去了构成差分AD的复杂硬件电路；②避免了误差的积累；③差分输入的差模量最大可达+-20V，几乎没有哪一款运放能承受如此高的差模量。8．根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多功能数据采集模块，其特征在于：该辅助电路单元，分为电平转换模块、FPGA配置模块、CPCI总线配置模块、复位电路模块和外部供电调试五个部分：电平转换模块分别将+3.3V电压转化为+1.2V电压，将+5V电压转化为+2.5V电压，并在所有电源转换芯片的输入输出引脚都设计有去耦电容。FPGA配置模块具有JTAG和AS两种配置模式，并选用EPCS16芯片作为AS模式下的EEPROM配置芯片。CPCI总线配置模块选用EEPROM芯片对CPCI总线单元进行初始化配置，配置信息容量为22个双字。复位电路模块选用MAX811芯片作为电路的复位芯片，为整个模块进行初始化操作。外部供电调试模块可以在该多功能数据采集模块未通过CPCI总线接入计算机时对整个模块进行供电调试。9．根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多功能数据采集模块，其特征4在于：该SCSI100信号连接插座，其两排100针插座共连接外部通信数据总线的16根模拟输出信号线，32根单端模拟输入信号线（或16对差分模拟输入信号线），4根定时器输出信号线，4根计时器输入信号线，32根通用IO信号线，2根AD、DA转换的外部触发输入信号线，6根AGND地线和4根DGND地线。10．根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多功能数据采集模块，其特征在于：该标准CPCI总线连接器，采用符合IEC-1076国际标准高密度气密式针孔连接器。11．根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多功能数据采集模块，其特征在于：该标准3UEurocard板卡前面板，通过两个螺钉与阻抗控制电路板连接，并带有EMC密封圈。1说明书基于CPCI总线的多功能数据采集模块技术领域本发明涉及一种基于CPCI总线的多功能数据采集模块，尤其是指一种计算机与外部设备之间进行各种数据转换传输的模块。在各种控制领域中，需要对被控设备的各种数据进行采集、分析、处理和显示等，这就需要一些能完成A/D、D/A及I/O等各种功能的数据采集、转换模块。本发明设计的是一种基于CPCI的多功能数据采集模块，可以同时实现AD转换、DA转换，通用IO，定时器和计数器控制。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，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部。数据采集系统是将现场采集到的数据进行处理、传输、显示、存储等操作的设备。随着测控技术的发展，以嵌入式计算机为核心的数据采集系统已经在测控领域占据了统治地位。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。数据采集系统出现于20世纪50年代，1956年美国首先研发了用在军事上的数据采集测试系统，并且测试任务由测试设备高速自动完成。由于该数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了认可。在20世纪60年代后期，国外就有成套的数据采集测试设备进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。数据采集系统的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应用尽可能高的采样速度，以实现实时采集、实时处理和实时控制功能。对于那些数据量比较小或对实时性要求不高的应用，可以选用已经得到了广泛支持且速度较快的SCSI、USB和1394等常用接口，这些标准接口为各种数据采集应用提供了相对丰富的选择，使得像外设这样的生产厂商能够在追求数据传输速度的同时降低成本。他们只需要使生产的设备支持标准接口，减少了在数据采集接口方2面研究开发的投入。20世纪70年代，随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类：一类由仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成，如GPIB接口总线系统，这类系统主要用于实验室；第二类由数据采集卡、标准总线和计算机构成，如STD总线系统，这类系统在工业现场应用较多。20世纪80年代后期，数据采集系统发生了巨大的变化，由于工业计算机、单片机和大规模集成电路组合，并用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。随着计算机技术和数字信号处理技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用，尤其是高速数据采集系统的应用正日趋广泛。特别是在涉及到数字信息处理的领域中，如激光雷达信号处理、数字图像处理、数字示波器、超声波检测以及虚拟仪器等领域，能否实现高速准确的数据采集无疑将决定整个系统的性能。20世纪90年代至今，在国际上技术领先的国家，数据采集技术