研華高速采集卡PCI-1714完整解決方案

一 PCI-1714市場定位
　　
　　隨著工業控制以及信號處理技術的飛速發展，在一些信號處理領域，對一些高性能、高穩定、高可靠、較強抗混疊特性的高速甚至超高速數據采集板卡的需求也在日益增加。目前，Advantech公司為適應這一發展，研制出了全新4路30MS/s同步高速數據采集卡PCI-1714，可用于高速數據采集應用，如軍事方面的雷達信號、超音波信號分析；在一般商用方面如數字廣播信號分析，配合帶通濾波器（Band-Pass Filter）與降頻技術（Down Conversion）可應用于RF信號分析；在通信領域中，利用PCI-1714的12b的分辨力與30MHz的頻寬，可進一步作I、Q的信號采集，分析該通信調變與解調變的品質；在工業控制方面，可作為電力設備如變壓器的超聲法監控局部放電的高速數據采集設備、高速旋轉機械設備利用聲波信號進行故障診斷用的聲壓高頻信號的采集設備等。應該說，PCI-1714在需高速數據采集的場合性價比較高。
　　
　　二 PCI-1714的特性及面向應用的硬件解決措施
　　
　　PCI-1714是高速、高分辨力、高容量PCI數據采集卡，配備4組模擬輸入端，具備同步采集功能。當4組模擬輸入同時使用時，采樣頻率最高可達30MS/s。
　　PCI-1714板載提供自動校正功能，使用者只要通過軟件指令就可啟動，完成模擬輸入信道的校正工作，不需任何繁雜手工操作。
　　PCI-1714在觸發數據采集方面，提供多樣選擇：來源包括軟件、內部時鐘同步以及外部觸發等多種方式。模擬觸發功能提供多種觸發條件的選擇，數字觸發則提供上升沿觸發與下降沿觸發兩種選擇。在多卡同步功能方面，PCI-1714可接受外部輸入時鐘進行資料采集，所以使用者可使用同一外部輸入時鐘達成多卡同步采集功能。
　　其特性歸納為：數據采樣速率高達30MS/s；內含4個獨立ADC，可使4個信道同步取樣；每路ADC內建32K FIFO內存，允許使用者在極速采樣時有足夠緩沖區可供暫存，以維持數據采集速度及完整性；提供多種輸入范圍，包含±5V、±2.5V、±1V、±0.5V等，使用者通過工具程序即可輕松完成設定；研華專屬的板卡裝置識別碼（Board ID），當客戶同時插入多張板卡時，可進行硬件組態設定，輕易辨識每張板卡；高達6種觸發模式，方便客戶依需求自行設定。包含軟件觸發、Pacer、Post-Trigger、Pre-Trigger、Delay-Trigger及About-Trigger。
　　
　　三 面向應用的軟件解決措施
　　
　　一個優秀的高速數據采集分析系統，除需要合理編寫驅動程序及控制代碼外，更重要的是合理利用設備提供的用于高速數據采集的DMA數據傳輸方式、板載FIFO空間的合理分配及其合理應用等。PCI-1714板卡采用PLX-9056 PCI總線控制器，可實現極速的DMA數據傳輸，同時，每路ADC獨占板載的32kb，可保證數據在高速數據采集時的臨時存儲與數據的批量傳輸，實現數據的高速采集。
　　
　　1. 合理使用DMA 數據傳輸方式
　　
　　DMA方式特別適用于大量數據的高速采集。同中斷方式一樣，在使用DMA方式傳輸時須指定DMA級別，需對板卡上DMA控制寄存器和Intel 8237 DMA進行操作。Advantech在編寫PCI-1714底層驅動時，已將DMA高速數據傳輸功能進行了集成，因此在使用PCI-1714進行高速數據采集時，可直接利用其提供的免費驅動來實現這種數據傳輸方式。一般板卡上會提供單DMA或雙DMA方式，雙DMA方式允許傳輸數據的同時進行采集。雙DMA方式使用兩個緩沖區和兩個DMA通道，板卡首先通過DMA通道6拷貝到兩個緩沖區。在編寫基于PCI-1714的應用程序時，可從第一個緩沖區傳輸數據，當第二個緩沖區變滿時，硬件會切換到第一個緩沖區。應用程序又可從第二個緩沖區傳輸數據。不斷循環下去。
　　
　　2. 合理使用板載的32kb的FIFO
　　
　　為防止在高速數據采集時丟失數據，特別是在像Windows這樣的多任務操作系統下，通常板卡完成A/D轉換后，將數據寫入到數據輸出寄存器中，接著使用DMA或中斷服務功能將數據傳輸到CPU/內存。使用FIFO功能，新數據僅僅被添加到FIFO緩沖區的第二個位置上，而不會覆蓋原數據。隨后的數據會依次排列到緩沖區中。當想從FIFO 緩沖區中搬移數據時僅需從數據寄存器讀取一個數據即可，這樣會將最初數據取出，FIFO中下一個位置的數據會取代數據寄存器中的值，便可在任何時候傳輸來自FIFO緩沖區中的數據，當在傳輸舊數據時，硬件會將最新數據保存在FIFO中，從而防止數據丟失；也可在FIFO半滿或全滿時，一次性傳輸數據。由于這樣減少了CPU時間，因此非常適合于大量高速數據傳輸。
　　可通過查詢狀態寄存器狀態判斷FIFO緩沖區的狀態，分別判斷空標志位（Empty flag）、半滿標志位（Half full flag）以及全滿標志位（full flag）的狀態。Advantech公司在編寫PCI-1714的驅動時，提供給用戶一個AdBufChangeEvent的DRV_CheckEvent事件，用戶只需對其進行使能，檢查其半滿或者全滿標志，便可在AdBufChangeEvent事件中取出所需ADC采集值。
　　
　　3. 高速數據采集流程
　　
　　PCI-1714實現高速數據采集的流程如圖。
　　

　　4. 數據記錄
　　
　　采用常規File I/O存儲方式、IDE接口、ATA133的串行方式，通常存儲速度約2Mb/s，即使采用高速為15000r/s的SCSI II硬盤大概也只能達到10Mb/s左右的數據流寫入速度。這是不能滿足PCI-1714的30MS/s的數據采集速度要求的。目前，SCSI II控制卡數據傳輸速度為40～80Mb/s，可充分利用這一特性，將SCSI II控制卡以及高速SCSI II硬盤結合的方式，透過精確的 DMA控制與直接存取SCSI硬盤的能力，實現至少40Mb/s的高速數據記錄。
　　SCSI II標準對SCSI II裝置定義了公用指令集，通過這些指令，能直接控制SCSI II控制裝置。目前，SCSI II的重要研發單位Adaptech公司已提供的ASPI（Advanced SCSI Programming Interface），編寫程序時只要使用ASPI高階函數及指令，通過ASPI driver實現數據高速存儲。具體過程，可參閱Adaptec公司網站，研華也即將為用戶提供SCSI II高速數據存儲解決方法。
　　
　　四 在電力變壓器局部放電監測中的具體應用
　　
　　對電力變壓器局部放電進行在線監測，通過對有關參數信號進行采集和分析，及時掌握設備狀態，檢測內部初期故障及發展趨勢，診斷其狀態，減少損失，避免惡性事故發生。
　　對高壓變壓器監測的主要項目是實時監測其局部放電。目前，主要監測方法是超聲波檢測法：即在電力變壓器內部發生局部放電過程中，會產生聲波和超聲波，且很快向四周介質傳播。當放電能量較大或放電點距箱壁較近時，用置于油箱壁上的超聲波傳感器即可收到信號。由于超聲法受電氣干擾小，能定性判斷局部放電信號的有無，所以它在局部放電定位上廣泛應用。
　　油中放電上升沿很陡，脈沖寬度多為微秒級，能激勵起2～8MHz的超高頻電磁信號。而PCI-1714每路采集頻率可達30MS/s，根據Shannon采樣定理，PCI-1714可滿足變壓器局部放電實時采集要求。利用超聲波監測方法，并采用PCI-1714高速采集設備研究變壓器的局部放電，克服了傳統脈沖電流法測量頻率低、頻帶窄的缺點，可較全面研究局部放電本征特征。由于這些顯著優點，因而PCI-1714在電力設備，尤其是對變壓器、發電機出口母線等處的局部放電檢測是完全適合的，特別是在線檢測中將有廣闊前景。
　　通過對實時的現場在線測試的變壓器局部放電時域圖及其歸一化頻譜分析圖進行分析，可知變壓器局部放電的中心頻譜在4.5MHz左右，與實際得到頻譜完全吻合，說明PCI-1714是能完全“勝任”這項艱巨任務的。