Универсальные платы АЦП для шины PCIВ. Буткевич, В. Куликов
Одновременно с жаркой дискуссией о наличии или отсутствии перспектив у шины ISA на ближайшее десятилетие, ведущейся в отечественных журналах, освещающих проблемы диагностики, измерений и контроля на базе плат и модулей сбора данных, управляемых ПК [1,2], основные производители плат АЦП/ЦАП и цифрового ввода/вывода приступили к насыщению рынка этих изделий продукцией, ориентированной на сопряжение с компьютером по шине PCI. В статье представлены результаты анализа недорогих плат АЦП с частотами оцифровки аналоговых сигналов в полосе сотен килогерц для задач промышленной и лабораторной автоматизации. Рассмотрим продукцию ведущих зарубежных и отечественных производителей, устойчиво работающих на рынке последние 10 лет, базирующихся на собственных наработках в области цифровой обработки аналоговых сигналов.
Несмотря на то, что за рубежом сотни фирм занимаются производством систем измерений, диагностики и контроля штатно управляемых ПК, лидирующие позиции занимают около десятка компаний, среди которых National Instruments, Hewlett-Packard, Keithley Instruments, Computer Boards, Blue Wave Systems, Omega Engineering, Fluke, IOtech, Data Translation, Signalogic, Microstar Laboratories.
В нашей стране основное производство плат АЦП для сторонних потребителей сосредоточено в ЗАО "Л-КАРД", Центре АЦП "Руднев-Шиляев", АОЗТ "Инструментальные системы" и ЗАО "Компания Сигнал".
В последние 23 года за рубежом громогласно заявили о своих предложениях в области недорогих универсальных плат АЦП на шину PCI: National Instruments (NI), Computer Boards (CB), Omega Engineering (OE), Microstar Laboratories (ML). В России, для решения задач автоматизации измерений и стендовых испытаний, разработку и серийные поставки развивающегося семейства недорогих универсальных плат АЦП на шину PCI своим заказчикам осуществляет пока только Л-КАРД [1,3]. В табл. 1 сопоставлены технические характеристики самых дешевых моделей семейств плат АЦП на шину PCI всех этих компаний.
Таблица 1. Основные характеристики плат АЦП на шину PCI от ведущих разработчиков
| Плата | Число входных каналов* | Входные диапазоны***,В | Разрядность АЦП, бит | Частота оцифровки, кГц | Процессор | Цена произво дителя, $ |
| 6023E (NI) | 8 / 16 | +-0,05/+-10 | 12 | 200 | нет | 395 |
| PCI-DAS1000 (CB) | 8 / 16 | +-1,25/+-10 | 12 | 250 | нет | 349 |
| PCI-DAS1200 (OI) | 8 / 16 | +-1,25/+-10 | 12 | 330 | нет | 649 |
| DAP4200a (ML) | 16** | +-1,25/+-10 | 12 или 14 | 769 (12 бит) 588 (14 бит) |
Intel 80486DX4 Analog Devices ADSP |
4195 |
| L-780 (L-CARD) | 16 / 32 | +-0,08/+-5 | 14 | 400 | 2184 | 340 |
*) - число дифференциальных каналов/число каналов с общей "землей"
**) - только каналы с общей "землей", упомянута возможность расширения до 512 каналов при помощи внешних коммутаторов.
***) - минимальный диапазон/максимальный диапазон
Из табл. 1 видно, что зарубежные производители "единодушно" остановились на 12-бит "стандарте" АЦП для своих самых недорогих плат. Разработчики Л-КАРД выбрали 14-бит АЦП для своих новых плат на шину PCI, отойдя от привычного 12-бит, характерного для изделий с маркой L-CARD на шину ISA [3], исходя из запросов потребителей на отечественном рынке. Запросы потребителей, уже использующих платы Л-КАРД, способствовали введению милливольтового диапазона измерений, что расширило область технических и научных приложений для использования плат АЦП серии L-7XX на шину PCI.
Переход на интерфейс с ПК по шине PCI интересен пользователям информационно-измерительных систем на базе универсальных плат АЦП прежде всего перспективами работы в режиме реального времени. Поэтому, в дополнение к возможностям новой шины, обеспечивающей более быструю передачу данных (до 132 Мбайт/сек для PCI против 5 Мбайт/сек для ISA), не-которые изготовители плат на шину PCI снабжают их собственными процессорами производства компаний Texas Instruments, Analog Devices и др., что повышает автономность и надежность плат АЦП и дает пользователю принципиальную возможность перенесения части операций обработки сигнала на плату.
Действительно, собственный процессор платы и передача ему функций управления сбором данных платой позволяет минимизировать неприятные последствия того, что в недорогих информационно-измерительных системах операционная система типа Windows 95/NT, обрабатывая собственное прерывание, на некоторое время утратит контроль над работой платы. Альтернативой процессору является создание на плате схемы цифровой обработки сигнала на базе ПЛИС. Однако, опыт разработчиков Л-КАРД показывает, что для устройств сбора и обработки аналоговых сигналов в полосе частот 510 МГц применение цифрового сигнального процессора (ЦСП) оказывается технически и экономически более выгодным по сравнению с реализацией функций цифровой обработки сигналов на ПЛИС: стоимость реализации соответствующей схемотехники отличается в несколько раз.
Тем не менее, в качестве замечания стоит отметить, что в практике Л-КАРД ПЛИС оказались весьма удобным подспорьем при решении задачи повышения надежности и уменьшения габаритов платы L-1251 (L-CARD) на шину ISA [3]. Их использование в схеме шинного интерфейса позволило решить задачу, поставленную заказчиком перед разработчиками Л-КАРД.
В зарубежных разработках плат АЦП с сигнальными процессорами предпочтение отдается ЦСП компании Texas Instruments и Analog Devices. Отечественные разработчики из Л-КАРД отдали предпочтение применению ЦСП Analog Devices в своих изделиях по причине более низкой цены по сравнению с ЦСП Texas Instruments и, с технической точки зрения, большей памяти на кристалле при уменьшенном времени цикла. В серии плат L-7XX применены ЦСП ADSP-2184/-2185/ -2186 (в зависимости от модели и модификации).
"Интеллектуализация" производимых плат АЦП сопровождается разработкой для них весьма сложного ПО. Так, компания Microstar Laboratories разработала для своих плат многозадачную ОС, позволяющую синхронизовать сбор данных, проводить их фильтрацию, усреднение, Фурье-анализ и осуществлять операции управления в рамках типовых алгоритмов автоматического регулирования.
Возможно, вершиной интеллектуализации плат сбора и обработки информации является продукция компании Blue Wave Systems. В качестве примера можно привести плату PCI/66, на которой, в зависимости от модификации, размещается 2, 4 или 6 цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) ADSP-2106X с тактовой частотой 40 МГц. Каждый их ЦСП имеет 6 двунаправленных коммуникационных портов с пиковой пропускной способностью 40 Мбайт/с. Кроме этого, на плате смонтирована программно управляемая схема PCI интерфейса master-slave. Эти устройства обмена информацией позволяют связать в единую коммуникационную сеть все ЦСП платы, организовать доступ к массивам памяти на плате и вне ее в режиме прямого доступа к памяти (ПДП) (DMA Direct Memory Аccess) без прерывания работы каждого из процессоров. Каждым ЦСП возможна генерация и передача прерываний ПК по PCI ши-не. Дополнительные возможности обработки данных, их хранения, а также осуществления процедур ввода/вывода дает установка на плате мезонинных модулей, также производимых Blue Wave Systems.
Однако, платы АЦП с процессором зарубежного производства обладают огромным недостатком с точки зрения отечественного потребителя высокой стоимо-стью. Как видно из табл. 1, одна из самых недорогих плат Microstar Laboratories DAP4200a на шину PCI стоит более $4000. Тот же ценовой диапазон характерен и для изделий Blue Wave Systems.
Среди зарубежных производителей самую недорогую плату на шину PCI удалось создать National Instruments. В основе реализованной схемы уникальные разработки компании:
- заказная СБИС PCI MITE для поддержания режима bus-master;
- заказной кристалл 24-бит счетчика/таймера DAQ-STC с тактовой частотой 20 МГц;
- прецизионный усилитель NI-PGIA с временем установления 2 мкс;
- шина межплатной синхронизации RTSI.
PCI MITE позволяет организовать три канала ПДП для обслуживания аналогового ввода/вывода и ввода/вывода сигналов синхронизации. DAQ-STC обеспечивает синхронизацию АЦП и ЦАП, содержит схемы логики формирования прерываний работы плат и синхронизации ввода/вывода между портами ввода/вывода и шиной RTSI. Всего DAQ-STC имеет 10 счетчиков/таймеров: по 4 на обслуживание аналогового ввода/вывода и 2 для использования по усмотрению пользователя. Среди дополнительных возможностей использование внешнего источника тактовой частоты вместо штатного 20-МГц. Аппаратное решение DAQ-STC дает пользователю возможность оцифровывать сигналы на разных каналах с индивидуальными частотами дискретизации. Шина RTSI обеспечивает синхронную работу нескольких плат, "информируя" их, при необходимости, о сигнале синхронизации, поступившем на одно из устройств.
Следует особо отметить, что использование заказной СБИС PCI MITE, поддерживающей режим bus-master, в Одновременно с жаркой дискуссией о наличии или отсутствии перспектив у шины ISA на ближайшее десятилетие, ведущейся в отечественных журналах, освещающих проблемы диагностики, измерений и контроля на базе плат и модулей сбора данных, управляемых ПК [1,2], основные производители плат АЦП/ЦАП и цифрового ввода/вывода приступили к насыщению рынка этих изделий продукцией, ориентированной на сопряжение с компьютером по шине PCI. В статье представлены результаты анализа недорогих плат АЦП с частотами оцифровки аналоговых сигналов в полосе сотен килогерц для задач промышленной и лабораторной автоматизации. Рассмотрим продукцию ведущих зарубежных и отечественных производителей, устойчиво работающих на рынке последние 10 лет, базирующихся на собственных наработках в области цифровой обработки аналоговых сигналов.
В Л-КАРД разработан ряд плат АЦП/ЦАП на шину PCI L-7xx на базе сигнальных процессоров ADSP-218x компании Analog Devices. Интересно, что удалось создать изделия, сопоставимые по цене с аналогами-предшественниками этих плат на шину ISA, при улучшении технических параметров за счет применения современной элементной базы и перехода на "быструю" шину.
Сейчас в серии плат на шину PCI компании Л-КАРД три модели: L-761/-780/-783. Это универсальные платы, обеспечивающие выполнение 4-х наиболее распространенных функций для измерительных и управляющих систем: АЦП, ЦАП, ввод и вывод цифровых сигналов. Находящийся на плате ЦСП в штатном режиме осуществляет тактирование и синхронизацию работы АЦП и ЦАП, служит буфером и организует обмен данными с ПК через двухпортовое ОЗУ. Дополнительно он обспечивает пользователю принципиальную возможность перенесения части операций обработки сигнала на плату и даже написание собственных драйверов. При этом в комплект поставки плат входят законченные выполняемые программы для процессора, позволяющие осуществлять ввод/вывод с аналоговых каналов в самых различных режимах и без необходимости дополнительного программирования ЦСП. Переключение каналов при многоканальном режиме сбора данных происходит автоматически, с произвольным порядком выборки канала и коэффициента усиления. Входное сопротивление каналов не менее 1 МОм. Аналоговая часть платы L-761 имеет гальваническую развязку на 500 В с цифровой частью и с цепями персонального компьютера, что расширяет диапазон приложений и повышает помехозащищенность аналогового тракта.
Использование новых коммутаторов компании Analog Devices с вертикальными оксидными струк-турами уменьшило межканальное прохождение при переключении каналов. Это позволило для плат L-761/-780 обеспечить работу с входными сигналами в милливольтовом диапазоне (табл. 2).
Таблица 2. Характеристики плат АЦП L-xx производства Л-КАРД
| L-761 | L-780 | L-783 | |
| Частота преобразования | для 125 кГц | до 400 кГц | до 3 МГц |
| Входные диапазоны | +-(5/1,2/0,3/0,08 В) | +-(5/1,2/0,3/0,08 В) | +-(5/2,5/1,2/0,6 В) |
| Разрядность (расчет по отношению сигнал/шум на заземленном входе усилителя) | (13,7 бит (частота дискретизации 100кГц) |
(13,8 бит (частота дискретизации 300кГц) |
(11,8 бит (частота дискретизации 2,8МГц) |
| Разрядность (расчет по отношению сигнал/(шум+гармоники)) | 13,3 бит (оцифровка синусоидального сигнала 10 кГц/4,9В; частота дискретизации 100кГц) | 13,3 бит (оцифровка синусоидального сигнала 10 кГц/4,9В; частота дискретизации 300кГц) | 11,7 бит (оцифровка синусоидального сигнала 100 кГц/2,4В; частота дискретизации 2,8МГц) |
| Гальваноразвязка | есть | нет | нет |
| Интегральная нелинейность | до +-1,5 бит | до +-1,5 бит | до +-1 бит |
| Дифференциальная нелинейность | -1...+1,5 бит | -1...+1,5 бит | до +-1 бит |
| Время установления аналогово тракта при максимальном перепаде напряжения | макс. 1,8 мкс (точность установления аналогово тракта 0,01%) |
макс. 1,8 мкс (точность установления аналогово тракта 0,01%) |
макс. 200 нс (точность установления аналогово тракта 0,1%) |
| Межканальное прохождение | -80 дБ(для 10 кГц) | -80 дБ(для 10 кГц) | -70 дБ(для 100 кГц) |
Использование в изделиях L-761/-780 АЦП с разрядностью 14 бит обусловлено тем, что такая разрядность фактически стала промышленным стандартом для АЦП на платах, работающих в диапазоне до 1 МГц. Достижения скорости обмена по шине PCI:
- отображение регистров платы на порты ввода/вывода до 1,2 Мбайт/с;
- отображение регистров платы на память ПК до 10 Мбайт/с.
Базовые технические параметры и некоторые характеристики цифро-аналогового преобразования для плат серии L-7хх представлены в табл. 2.
При необходимости подачи с платы аналоговых сигналов для всех изделий серии L-7хх используется микросхема сдвоенного ЦАП, что позволило вывести на внешний разъем 2 канала с сигналом в диапазоне ╠5 В. Время установления 8 мкс, максимальная частота преобразования 125 кГц, разрядность 12 бит. Модели плат L-761/-780/-783 на базе шины PCI имеют 16 цифровых входных и 16 выходных ТТЛ-линий, которые могут быть использованы для управления внешними устройствами.
Представленные данные свидетельствуют о том, что для создания контрольно-измерительных систем в промышленности и лабораторных исследованиях рынок представляет потребителю уже достаточно широкий простор для маневра при выборе плат АЦП по техническим, экономическим соображениям и авторитету производителя. При этом, однако, следует принимать во внимание еще один аспект. Внедрение плат АЦП может потребовать детальных технических консультаций как по "железу", так и по штатному ПО при повышении уровня сложности и ответственности конкретной разработки. В этом случае дополнительным аргументом в пользу отечественной продукции является доступность российских разработчиков для обсуждения и дискуссий, их знание и понимание реалий российского парка контрольно-измерительного оборудования. Уже сейчас на страничке российской сети Интернета www.lcard.ru организована оперативная справочная служба и дискуссионный клуб по вопросам применения плат АЦП/ЦАП с сигнальными процессорами. Вместе с более обширной справочной службой на страничке www.chipinfo.ru информация на
www.lcard.ru позволяет быстро решать проблемы применения плат АЦП/ЦАП.
Литература
ЗАО "Л-КАРД"
Тел. (095) 257-3414, факс (095) 737-9482
E-mail: vak@lcard.ru
|
KevinFum пишет... Здравствуйте Вас интересуют клиентские базы данных? Ответ на Email:denisrodykes@gmail.com 22/12/2018 11:53:05 |
| Ваш комментарий к статье | ||||
