研华高速采集卡PCI-1714完整解决方案

一 PCI-1714市场定位
　　
　　随着工业控制以及信号处理技术的飞速发展，在一些信号处理领域，对一些高性能、高稳定、高可靠、较强抗混叠特性的高速甚至超高速数据采集板卡的需求也在日益增加。目前，Advantech公司为适应这一发展，研制出了全新4路30MS/s同步高速数据采集卡PCI-1714，可用于高速数据采集应用，如军事方面的雷达信号、超音波信号分析；在一般商用方面如数字广播信号分析，配合带通滤波器（Band-Pass Filter）与降频技术（Down Conversion）可应用于RF信号分析；在通信领域中，利用PCI-1714的12b的分辨力与30MHz的频宽，可进一步作I、Q的信号采集，分析该通信调变与解调变的品质；在工业控制方面，可作为电力设备如变压器的超声法监控局部放电的高速数据采集设备、高速旋转机械设备利用声波信号进行故障诊断用的声压高频信号的采集设备等。应该说，PCI-1714在需高速数据采集的场合性价比较高。
　　
　　二 PCI-1714的特性及面向应用的硬件解决措施
　　
　　PCI-1714是高速、高分辨力、高容量PCI数据采集卡，配备4组模拟输入端，具备同步采集功能。当4组模拟输入同时使用时，采样频率最高可达30MS/s。
　　PCI-1714板载提供自动校正功能，使用者只要通过软件指令就可启动，完成模拟输入信道的校正工作，不需任何繁杂手工操作。
　　PCI-1714在触发数据采集方面，提供多样选择：来源包括软件、内部时钟同步以及外部触发等多种方式。模拟触发功能提供多种触发条件的选择，数字触发则提供上升沿触发与下降沿触发两种选择。在多卡同步功能方面，PCI-1714可接受外部输入时钟进行资料采集，所以使用者可使用同一外部输入时钟达成多卡同步采集功能。
　　其特性归纳为：数据采样速率高达30MS/s；内含4个独立ADC，可使4个信道同步取样；每路ADC内建32K FIFO内存，允许使用者在极速采样时有足够缓冲区可供暂存，以维持数据采集速度及完整性；提供多种输入范围，包含±5V、±2.5V、±1V、±0.5V等，使用者通过工具程序即可轻松完成设定；研华专属的板卡装置识别码（Board ID），当客户同时插入多张板卡时，可进行硬件组态设定，轻易辨识每张板卡；高达6种触发模式，方便客户依需求自行设定。包含软件触发、Pacer、Post-Trigger、Pre-Trigger、Delay-Trigger及About-Trigger。
　　
　　三 面向应用的软件解决措施
　　
　　一个优秀的高速数据采集分析系统，除需要合理编写驱动程序及控制代码外，更重要的是合理利用设备提供的用于高速数据采集的DMA数据传输方式、板载FIFO空间的合理分配及其合理应用等。PCI-1714板卡采用PLX-9056 PCI总线控制器，可实现极速的DMA数据传输，同时，每路ADC独占板载的32kb，可保证数据在高速数据采集时的临时存储与数据的批量传输，实现数据的高速采集。
　　
　　1. 合理使用DMA 数据传输方式
　　
　　DMA方式特别适用于大量数据的高速采集。同中断方式一样，在使用DMA方式传输时须指定DMA级别，需对板卡上DMA控制寄存器和Intel 8237 DMA进行操作。Advantech在编写PCI-1714底层驱动时，已将DMA高速数据传输功能进行了集成，因此在使用PCI-1714进行高速数据采集时，可直接利用其提供的免费驱动来实现这种数据传输方式。一般板卡上会提供单DMA或双DMA方式，双DMA方式允许传输数据的同时进行采集。双DMA方式使用两个缓冲区和两个DMA通道，板卡首先通过DMA通道6拷贝到两个缓冲区。在编写基于PCI-1714的应用程序时，可从第一个缓冲区传输数据，当第二个缓冲区变满时，硬件会切换到第一个缓冲区。应用程序又可从第二个缓冲区传输数据。不断循环下去。
　　
　　2. 合理使用板载的32kb的FIFO
　　
　　为防止在高速数据采集时丢失数据，特别是在像Windows这样的多任务操作系统下，通常板卡完成A/D转换后，将数据写入到数据输出寄存器中，接着使用DMA或中断服务功能将数据传输到CPU/内存。使用FIFO功能，新数据仅仅被添加到FIFO缓冲区的第二个位置上，而不会覆盖原数据。随后的数据会依次排列到缓冲区中。当想从FIFO 缓冲区中搬移数据时仅需从数据寄存器读取一个数据即可，这样会将最初数据取出，FIFO中下一个位置的数据会取代数据寄存器中的值，便可在任何时候传输来自FIFO缓冲区中的数据，当在传输旧数据时，硬件会将最新数据保存在FIFO中，从而防止数据丢失；也可在FIFO半满或全满时，一次性传输数据。由于这样减少了CPU时间，因此非常适合于大量高速数据传输。
　　可通过查询状态寄存器状态判断FIFO缓冲区的状态，分别判断空标志位（Empty flag）、半满标志位（Half full flag）以及全满标志位（full flag）的状态。Advantech公司在编写PCI-1714的驱动时，提供给用户一个AdBufChangeEvent的DRV_CheckEvent事件，用户只需对其进行使能，检查其半满或者全满标志，便可在AdBufChangeEvent事件中取出所需ADC采集值。
　　
　　3. 高速数据采集流程
　　
　　PCI-1714实现高速数据采集的流程如图。
　　

　　4. 数据记录
　　
　　采用常规File I/O存储方式、IDE接口、ATA133的串行方式，通常存储速度约2Mb/s，即使采用高速为15000r/s的SCSI II硬盘大概也只能达到10Mb/s左右的数据流写入速度。这是不能满足PCI-1714的30MS/s的数据采集速度要求的。目前，SCSI II控制卡数据传输速度为40～80Mb/s，可充分利用这一特性，将SCSI II控制卡以及高速SCSI II硬盘结合的方式，透过精确的 DMA控制与直接存取SCSI硬盘的能力，实现至少40Mb/s的高速数据记录。
　　SCSI II标准对SCSI II装置定义了公用指令集，通过这些指令，能直接控制SCSI II控制装置。目前，SCSI II的重要研发单位Adaptech公司已提供的ASPI（Advanced SCSI Programming Interface），编写程序时只要使用ASPI高阶函数及指令，通过ASPI driver实现数据高速存储。具体过程，可参阅Adaptec公司网站，研华也即将为用户提供SCSI II高速数据存储解决方法。
　　
　　四 在电力变压器局部放电监测中的具体应用
　　
　　对电力变压器局部放电进行在线监测，通过对有关参数信号进行采集和分析，及时掌握设备状态，检测内部初期故障及发展趋势，诊断其状态，减少损失，避免恶性事故发生。
　　对高压变压器监测的主要项目是实时监测其局部放电。目前，主要监测方法是超声波检测法：即在电力变压器内部发生局部放电过程中，会产生声波和超声波，且很快向四周介质传播。当放电能量较大或放电点距箱壁较近时，用置于油箱壁上的超声波传感器即可收到信号。由于超声法受电气干扰小，能定性判断局部放电信号的有无，所以它在局部放电定位上广泛应用。
　　油中放电上升沿很陡，脉冲宽度多为微秒级，能激励起2～8MHz的超高频电磁信号。而PCI-1714每路采集频率可达30MS/s，根据Shannon采样定理，PCI-1714可满足变压器局部放电实时采集要求。利用超声波监测方法，并采用PCI-1714高速采集设备研究变压器的局部放电，克服了传统脉冲电流法测量频率低、频带窄的缺点，可较全面研究局部放电本征特征。由于这些显著优点，因而PCI-1714在电力设备，尤其是对变压器、发电机出口母线等处的局部放电检测是完全适合的，特别是在线检测中将有广阔前景。
　　通过对实时的现场在线测试的变压器局部放电时域图及其归一化频谱分析图进行分析，可知变压器局部放电的中心频谱在4.5MHz左右，与实际得到频谱完全吻合，说明PCI-1714是能完全“胜任”这项艰巨任务的。