基于DSP的VXI高速高精度数据采集技术研究
摘要
VXI总线测试平台是仪器测量领域的前沿技术，可以灵活地组建自动测试系统，其模块化、灵活性强、即插即用、数字吞吐能力强的特点使VXI总线测试平台的应用越来越广泛。本文设计的高速高精度数据采集系统是基于VXI总线的自动测量模块。
对于高速数据采集与处理，随着数据量的不断加大和实时处理要求的不断提高，人们提出了用DSP进行数据处理，以便提高系统的实时性，并减小对数据传输速度和存储容量的压力。DSP高度优化的结构使它能快速响应I／O的变化，并进行高速数据传输。因此，基于DSP的高速高精度数据采集模块已成为VXI自动测试系统的基本模块之一。
文中首先介绍了一种模块化的VXI仪器平台VVP(VXI Versatile Plug-in)。VVP系统是一种寄存器基、C尺寸、单槽位的32位VXI仪器，它采用主板+插板的构架，具体功能分散在若干插板上形成应用子系统，每个主板最多支持4块插板。主板采用32位浮点DSP做VXI模块的主板控制器，利用其高度优化的处理器结构和独特的指令系统，对数据采集进行高效实时的控制、分析与处理。
高速高精度数据采集模块是在VVP仪器平台上开发出来的。该模块作为一块VVP仪器平台上的插板，采用20MSPS的16位A／D转换器，一块插板上设计了2个高速A／D转换通道，每个通道有4K×16位的缓冲存储器，可以内部触发、外部触发和软件触发。VVP仪器平台最多可以支持4块插板8路A／D同时工作。
VXI仪器没有传统仪器的操作和显示面板，对VXI仪器的操作与显示是借助上位计算机来实现的，用户与仪器的交互界面也变为了由计算机软件实现的软面板，虚拟仪器的软面板以图形化的界面与用户交互，大大方便了用户熟悉和操作仪器。对于本采集系统我们提供了功能强大的软面板，利用软面板可用交互的方式控制VXI仪器，DSP程序可以灵活方便地从上位机下载。
最后，文中给出了高速高精度数据采集模块的测试结果和结论。
The VXI-bus based test platform is the leading technology in the field of instrument testing,it can easily make up the automatic testing system. VXI-bus's modulation,flexibility,plug & play and high data throughput make it widely used in the industrial society. This paper presents a high speed and high precision data sampling system based on the VXI-bus.
Due to the high data throughput and the need of real-time digital signal processing in high-speed data sampling system,we proposed to use DSP to do real-time signal processing to minimize the rate of data transferring and reduce memory size. The high performance of DSP can quickly respond to high speed I/O. Now,DSP based high-speed data sampling system has become a basic module in VXI automatic testing system.
In this paper,we proposed a VXI Versatile Plug-in (WP) instrument platform. The VXI Versatile Plug-in (VVP) platform is a register-based,C-size,32-bit and single slot instrument. A complete VVP instrument consists of one enhanced main board and four plug-in boards,which is suitable for constructing basic instruments. The main board uses a 32-bits floating point DSP to do the real-time control and digital signal processing.
Based on the VVP platform,our team has developed a high speed and high precision data sampling module. As a plug-in board in VVP,it uses a 20Mhz 16-bit A/D converter to sample analog signals. It contains two A/D channels,every channel has a 4KX 16bit buffer. It has three flexible trigger modes:inner trig,outer trig and software trig. VVP platform can support up to 4 plug-in boards (8 channel A/D) to work together.
VXI instrument doesn't have the traditional instrument panel,we can control the VXI instrument by the computer. Computer soft panel realizes the interaction between users and instrument. The soft panel interacts with the users by a graphic interface.
which helps the users to be familiar with and operate the instrument in a short period of time. In this sampling system,we provide a powerful soft panel that can easily control the VXI instrument.
Finally,some testing data and conclusion is given.
对于高速数据采集与处理，随着数据量的不断加大和实时处理要求的不断提高，人们提出了用DSP进行数据处理，以便提高系统的实时性，并减小对数据传输速度和存储容量的压力。DSP高度优化的结构使它能快速响应I／O的变化，并进行高速数据传输。因此，基于DSP的高速高精度数据采集模块已成为VXI自动测试系统的基本模块之一。
文中首先介绍了一种模块化的VXI仪器平台VVP(VXI Versatile Plug-in)。VVP系统是一种寄存器基、C尺寸、单槽位的32位VXI仪器，它采用主板+插板的构架，具体功能分散在若干插板上形成应用子系统，每个主板最多支持4块插板。主板采用32位浮点DSP做VXI模块的主板控制器，利用其高度优化的处理器结构和独特的指令系统，对数据采集进行高效实时的控制、分析与处理。
高速高精度数据采集模块是在VVP仪器平台上开发出来的。该模块作为一块VVP仪器平台上的插板，采用20MSPS的16位A／D转换器，一块插板上设计了2个高速A／D转换通道，每个通道有4K×16位的缓冲存储器，可以内部触发、外部触发和软件触发。VVP仪器平台最多可以支持4块插板8路A／D同时工作。
VXI仪器没有传统仪器的操作和显示面板，对VXI仪器的操作与显示是借助上位计算机来实现的，用户与仪器的交互界面也变为了由计算机软件实现的软面板，虚拟仪器的软面板以图形化的界面与用户交互，大大方便了用户熟悉和操作仪器。对于本采集系统我们提供了功能强大的软面板，利用软面板可用交互的方式控制VXI仪器，DSP程序可以灵活方便地从上位机下载。
最后，文中给出了高速高精度数据采集模块的测试结果和结论。
The VXI-bus based test platform is the leading technology in the field of instrument testing,it can easily make up the automatic testing system. VXI-bus's modulation,flexibility,plug & play and high data throughput make it widely used in the industrial society. This paper presents a high speed and high precision data sampling system based on the VXI-bus.
Due to the high data throughput and the need of real-time digital signal processing in high-speed data sampling system,we proposed to use DSP to do real-time signal processing to minimize the rate of data transferring and reduce memory size. The high performance of DSP can quickly respond to high speed I/O. Now,DSP based high-speed data sampling system has become a basic module in VXI automatic testing system.
In this paper,we proposed a VXI Versatile Plug-in (WP) instrument platform. The VXI Versatile Plug-in (VVP) platform is a register-based,C-size,32-bit and single slot instrument. A complete VVP instrument consists of one enhanced main board and four plug-in boards,which is suitable for constructing basic instruments. The main board uses a 32-bits floating point DSP to do the real-time control and digital signal processing.
Based on the VVP platform,our team has developed a high speed and high precision data sampling module. As a plug-in board in VVP,it uses a 20Mhz 16-bit A/D converter to sample analog signals. It contains two A/D channels,every channel has a 4KX 16bit buffer. It has three flexible trigger modes:inner trig,outer trig and software trig. VVP platform can support up to 4 plug-in boards (8 channel A/D) to work together.
VXI instrument doesn't have the traditional instrument panel,we can control the VXI instrument by the computer. Computer soft panel realizes the interaction between users and instrument. The soft panel interacts with the users by a graphic interface.
which helps the users to be familiar with and operate the instrument in a short period of time. In this sampling system,we provide a powerful soft panel that can easily control the VXI instrument.
Finally,some testing data and conclusion is given.
引文
[1] ADSP-2106x SHARC User's Manual Analog Devices, Inc., 1997
[2] Bucci, G.; Landi, C, A multi-DSP based instrument on a VXI C-size module for real-time measurements, Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, Volume: 49 Issue: 4, Aug 2000, Page(s): 884 -889
[3] Analog Inc.. ADSP21160 SHARC technical specifications[M/CD]. Norwood: Analog Inc., 1999.
[4] VXI-IEEE Standard For VMEbus Extensions For Instrumentation:VXIbus. IEEEstd 1155-1992,1993.9.20 Published by IEEE
[5] VMEbus Extension For Instrumentation VXI-1: VXIbus system specification 1994
[6] Cadence Inc.. Verilog-XLreference[M/CD]. San Jose: Cadence Inc., 1998.
[7] Donald E. Thomas and Philip R. Moorby, The Verilog Hardware Description Language Second Edition, Kluwer Academic Publishers, 1995
[8] Thomas, D. E., The Verilog hardware description language, Kluwer Academic Publishers, 1998
[9] Stuart Sutherland, The Verilog PLI handbook, Kluwer Academic Publishers, 1999
[10] The Programmable Logic Data Book, Xilinx, Inc., 1999
[11] Actel Inc.. Actel FPGA data book [M/CD]. Sunnyvale: Actel Inc., 1999.
[12] Hewlett-Packard Inc.. HP VISA (Version 1.1) user's guide [M/CD]. Palo Alto: Hewlett-Packard, 1998.
[13] Hewlett-Packard Inc.. Universal instrument drivers [M/CD]. Palo Alto: Hewlett-Packard Inc., 1998.
[14] National Instruments Corp.. VXIbus interface software[M]. Austin: National Instruments Corp., 1997.
[15] National Instruments Corp.. Using VISA Version 1.0 [M]. Austin: National Instruments Corp., 1997.
[16] Synopsys, HDL compiler for verilog reference manual[M/CD]. Mountain View: Synopsys Inc., 1998.
[17]陈光禹 VXI 总线测试平台技术 成都电子科技大学出版社，1996
[18]孟宪元，可编程专用集成电路原理、设计和应用，电子工业出版社，1995
[19]杨晖等，大规模可编程逻辑器件与数字系统设计，北京航空航天大学出版社，1997
[20]周泓，汪乐宇，余福荣，VXI 即插即用虚拟仪器软面板设计，现代科学仪器，1998年第4期
[21]周泓，汪乐宇，I/O接口软件——VISA，国外电子测量技术，1998年第5期
[22]浙江大学数字技术及仪器研究所，虚拟仪器软件结构与接口技术，国家“九五”科技攻关项目专题(97-772-01-06)技术文本，2000年8月
[23]杨国忠，周泓，余锋，汪乐宇，基于 VISA 的事件处理与实现，测控技术，2000年9月，Vol．19
[24]陈光禹，顾亚平，田书林等，VXI 总线测试平台的研究与发展，测控技术，2001年第1卷第9期
[25]马恩云，孟汉城，DSP 在 VXI 总线消息基器件中的应用，测控技术，2001年第20卷第1期
[26]于波，韩月秋，VXI 总线超高速数据采集系统的设计与实现，北京理工大学学报，1999年12月，第19卷第6期。
[27]田春延，史慧，并行高速数据采集在 VXI 总线技术中的应用，计算机自动测量与控制，2000年8月
[28]庞晓晖，胡修林，张蕴玉，高速数据采集系统的设计与实现，仪器仪表学报，2000年6月，第21卷第3期
[29]杨景常，高速数据采集系统中数据存储电路的方案确定，测控技术，2001年第20卷第12期
[30]陈晓露，王跃科，杨建伟，基于 ADSP2106X 的高速数据采集与处理系统，数据采集与处理，2002年9月第17卷第3期
[31]史晓锋，李铮，蔡志权，基于 DSP 的高速数据采集与处理系统，集成电路应用，2001年第6期
[32]崔文进，高辉，基于 DSP 的数据采集系统，工业自动控制，2000年11月
[33]马恩云，孟汉城，田春延，基于 VXI 总线的高速数据采集模块设计，计算机自动测量与控制，2001．9(2)
[34]廖娟娟，安琪，廖维平，基于 VXI 总线的高速数据采集系统，电子测量与仪器学报，2001年6月，第15卷第2期
[35]杨景常，周国权，先进先出(FIFO)存储器技术在高速数据采集中的应用，四川工业学院学报，2002年第20卷第2期
[36]刘立，陈淑珍，虚拟仪器系统与 VXI、VXIplug & play,测量技术，1999年第2期
[37]代俊光，陈光禹，运用DSP技术提高VXI系统性能，国外电子测量技术，1997年第5期
[38]陈汝全，高性能的 CMOS A/D和D/A 转换器，影音器件，1999年1月
[39]张研，乔双，胡硕，高速A/D转换器 AD9260 与 AT89C52 单片机的接口，信息技术，2002年第6期
[40]“九五”攻关分专题《总线同步采样A/D转换数据采集模块》技术资料[R]．浙江大学仪器系“九五”攻关专题组．2000-7．
[41]周泓．虚拟仪器系统软件结构与接口技术的研究：[博士学位论文][D]．杭州：浙江大学仪器系，1999
[42]刘莉 田翔，支持动态互连结构的模块化多 DSP 并行处理系统的设计与实现，仪表技术与传感器．2002(9)
[43]崔少辉 孟晨，VXI 总线自动测试系统测试接口设计，电子技术应用．2002，28(7)．
[44]谢志刚 魏震生，VXI 总线任意数字信号发生器的研究与设计，电子技术应用．2002，28(7)．
[45]刘洁瑜 张旭东，基于 VXI 总线测试系统的可视化编程，计算机工程．2001，27(12)．
[46]张大庆 李嵘，基于浮点 DSP 的主从式多处理器在数据采集与处理系统中的应用，电气自动化．2002，24(5)
[47]胡志刚，高精度微功耗数据采集系统设计与应用，电子技术应用．2002，28(7)．
[48]杨燕翔 杨景，一种提高 A/D 分辨率的信号调理电路设计，电测与仪表．2002，39(3)
[49]沙占有 马洪涛，VXI 总线仪器系统，计算机自动测量与控制，1998．4
[2] Bucci, G.; Landi, C, A multi-DSP based instrument on a VXI C-size module for real-time measurements, Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, Volume: 49 Issue: 4, Aug 2000, Page(s): 884 -889
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