中泰PC6342ad采集卡.docx
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中泰PC6342ad采集卡
PC-6342超高速模入接口卡技术说明书
1.概述:
PC-6342超高速模入接口卡适用于具有ISA总线的PC系列微机,具有很好的兼容性,CPU从目前广泛使用的64位处理器直到早期的16位处理器均可适用。
在硬件的安装上也非常简单,使用时只需将接口卡插入机内任何一个ISA总线插槽中,信号电缆从机箱外部直接接入。
PC-6342超高速模入接口卡的模拟信号由卡前端的37芯扁平带缆插头输入。
允许采用16路单端输入方式或8路双端输入方式。
用户可根据需要选择测量单极性信号或双极性信号。
本接口卡具有高速高精度的特点,其最高采样频率可达1.25MHz。
可广泛应用于需要超高速实时数据采集的实验室或工业过程控制系统。
PC-6342超高速模入接口卡安装使用简便、功能齐全。
其A/D转换启动可以选用程序触发、外部TTL信号触发以及可预置模拟电平触发等方式。
A/D转换后的结果数据将自动存放在本接口卡上的静态存储器(SRAM)中。
A/D转换状态的结束可以用程序查询或以中断方式通知CPU。
主机以读取映像存储器的方式读取和处理A/D转换的结果。
2.主要技术参数:
(标*为出厂标准)
2.1输入通道数:
单端16路*/双端8路
2.2输入信号范围:
0~5V,±5V*
2.3输入阻抗:
≥10MΩ
2.4输入通道选择方式:
单通道程序指定/多通道自动扫描
2.5A/D转换分辩率:
12位
2.6最高采样频率:
1.25MHz
2.7A/D启动方式:
程序启动/外部信号启动/可预置模拟电平启动(只对通道0有效)
2.8A/D转换结束识别:
程序查询/中断方式
2.9A/D转换输出码制:
单极性二进制原码/双极性二进制偏移码
2.10存储器容量:
128K×16Bit*(可扩至256K×16Bit)
2.11存储器映像地址:
D000:
0000~D000:
7FFF*;C000:
0000~C000:
7FFF
2.12存储器映像页面数:
4页(128K)/8页(256K)
2.13系统综合误差:
≤0.15%F.S(1MHz以下)
2.14自备时钟频率:
10MHz
2.15电源功耗:
+5V(±10%)≤1A
2.16使用环境要求:
工作温度:
10℃~40℃
相对湿度:
40%~80%
存贮温度:
-55℃~+85℃
2.17外型尺寸:
(不含档板)
长×高=236mm×114mm(9.3英寸×4.5英寸)
3.工作原理:
3.1工作原理框图:
PC-6342超高速模入接口卡工作原理框图见图1。
图1工作原理框图
3.2工作原理简介:
PC-6342超高速模入接口卡主要由地址译码电路、通道转换电路、超高速A/D转换电路、系统时钟电路、双端口存储器电路及接口控制逻辑电路等部分组成,分别简介如下:
3.2.1地址译码电路:
地址译码电路分为I/O地址译码电路及存储器映像地址译码电路两部分。
I/O地址由地址总线A3~A9决定,用户可根据需要通过开关K1自行确定I/O初始基地址(出厂时设为100H)。
此地址确定后,地址译码电路在程序驱动本接口卡时将产生板选有效信号,同时由地址总线A0~A2译出本接口卡所需的各端口地址,配合
和
等信号完成各种不同的控制功能。
存储器映像地址由地址总线A16~A19决定,根据主机的存储器使用规定,本卡提供两个32K存储器映像地址区供用户选用,即D000:
0000~D000:
7FFF(出厂标准)和C000:
0000~C000:
7FFF。
用户可以通过JK7选择插座选择之。
(注意:
现在很多显示卡在C000:
0000~C000:
7FFF地址区内放有显示卡的固化程序,使用中应注意避开。
)存储器映像地址确定后,配合A0~A15地址总线及
和
等信号即可完成对本卡上的双端口存储器进行主机读写操作。
3.2.2通道转换电路:
通道转换电路包括高速通道开关、通道译码、自动扫描/程序控制选择等部分。
在程序控制方式时,本电路可将程序选定的任一路外部模拟信号送入A/D转换电路进行连续采样。
在自动扫描方式时,本电路将反复连续地自动完成从通道0到通道N(N由用户用程序指定,不得大于15)的逐个扫描选择。
3.2.3超高速A/D转换电路:
本卡的超高速A/D转换器件选用美国A/D公司出品的AD1671芯片。
本芯片内部自带精密基准源和采样保持电路,具有高达1.25MHz的转换速率和较高的转换精度。
A/D转换器的启动有三种方法:
程序启动、外部TTL信号启动、可预置模拟电平触发启动。
A/D转换后的输出代码形式由跨接器JK3选择,可根据模拟输入信号的性质分别输出单极性二进制原码或双极性二进制偏移码。
A/D转换后得到的数据组将自动顺序地存入双端口存储器中,直到完成总采样数后,本卡会自动停止A/D转换。
主机可以用程序查询的方法或中断方式判别结束否。
3.2.4时钟电路:
本卡上的时钟电路主要由10MHz时基电路及可编程序定时/计数器8254芯片组成,用以产生控制采样频率和自动通道扫描所需的时钟信号,同时对总采样数进行计数判别。
在本卡上,8254的通道0用于产生时钟信号,规定工作于方式2,控制字为34H。
其对应采样频率可编程范围为约52Hz(分频系数=FFFFH)至1.25MHz(分频系数=0008H)。
通道1用于对采样数进行减1计数,规定工作于方式0,控制字为70H。
通道2未使用。
关于8254定时/计数器的具体介绍和编程协议请参照3.3节。
3.2.5双端口存储器电路:
本电路具体还可分为双端口控制电路、存储器电路和存储器地址生成电路。
双端口控制电路用以控制存储器是由主机控制(用以读出存储器内存放的A/D转换数据或对存储器进行读写检验)还是由A/D转换器控制(用以将A/D转换结果自动顺序地写入存储器保存)。
存储器电路主要包括两片628128静态存储器,形成128K×16Bit的存储容量,需要时还可再增加两片628128,使存储容量达到256K×16Bit。
存储器地址生成电路用来在A/D转换器控制方式时自动形成存储器需要的地址编码。
3.2.6接口控制逻辑电路:
本部分电路主要用于根据用户的要求和设定,产生完成各种功能的控制信号,是上述其它各个电路模块的管理系统。
3.38254可编程定时/计数器应用简介:
3.3.18254芯片管脚图如图2所示。
图28254芯片管脚图
3.3.28254功能及框图:
8254是INTEL公司微型计算机系统中的一个部件,可以将8254作为一个具有四个输入/输出接口的器件处理,其中三个是计数器,一个是可编程序工作方式的控制寄存器。
其内部结构图如图3所示。
图38254内部结构图
3.3.38254可编程计数/定时器编程要点:
8254的全部功能是由CPU编程设定的。
CPU通过输出指令给8254装入控制字,从而设定其功能。
8254控制字格式如下:
D7D6D5D4D3D2D1D0
SC1
SC0
RL1
RL0
M2
M1
M0
BCD
各位的功能见表1~表4:
表1SC1、SC0-计数器选择
SC1SC0
选择计数器
00
选择0#
01
选择1#
10
选择2#
11
非法
表2RL1、RL0-CPU读/写操作
RL1RL0
操作类型
00
计数器封锁操作
01
读/写计数器低8位
10
读/写计数器高8位
11
先读/写低8位,后读/写高8位
表3M2、M1、M0-工作方式选择
M3M2M1
计数工作方式
000
方式0
001
方式1
010
方式2
011
方式3
100
方式4
101
方式5
表4BCD-计数方式选择
BCD
数码形式
0
十六位二进制计数
1
四位十进制(BCD)码计数
8254的三个计数器是独立的16位减法计数器。
计数器的工作方式由工作方式寄存器确定。
计数器在编程写入初始值后,在某些方式下计数到0后自动预置,计数器连续工作。
CPU访问计数器时,必须先设定工作方式控制字中的RL1、RL0位。
计数器对CLK输入端的输入信号进行递减计数。
8254的三个计数器按照各工作方式寄存器中控制字的设置进行工作。
可以选择的工作方式有六种。
方式0:
计数结束时中断。
编程后自动启动,计数器减1计数,计数到终点(减至0)后输出高电平,可用于中断请求信号,GATE为低电平时停止计数,回到高电平后继续往下计数。
再次启动要重新装入计数值或重新编程。
方式2:
比率发生器。
编程后重复地循环计数。
计数到终点时输出一个时钟周期宽度的低电平脉冲,自动初始化后继续计数。
用GATE的上升沿初始化,并开始计数。
GATE为低电平时停止计数。
由于篇幅有限,在此只介绍本卡用到的两种方式,如果用户想进一步了解请自行查阅有关资料。
4.安装及使用注意:
本卡的安装十分简便,只要将主机机壳打开,在关电情况下,将本卡插入主机的任何一个空余扩展槽中,再将档板固定螺丝压紧即可。
禁止带电插拔本接口卡。
设置接口卡开关,跨接套和安装连接信号引
出线均应在关电情况下进行。
本卡跨接选择器较多,使用中应严格按照说明书进行设置操作。
输入信号端在使用中应避免对地短路。
当模入通道不全部使用时,应将不使用的通道就近对地短接,不要使其悬空,以避免造成通道间串扰和损坏通道开关。
同时严禁在通道上加上超过±20V的电压。
本卡上的存储器映像地址将占用主机系统存储区当中的C000:
0000~C000:
7FFF或D000:
0000~D000:
7FFF的32K存储区,当插入本卡的主机开机自检内存区时有时会显示在该区内的某些信息(与主机机型或CMOS设置有关),这不是故障,可以根据提示跳过去。
由于本卡上的A/D转换器AD1671功耗较大,使用中芯片表面温度较高(可达四、五十度)是正常现象,不影响正常工作。
由于器件速度的关系,本卡在多通道自动扫描方式最高采样速率(1.25MHz)工作时,采样精度会略有下降,但最大不超过0.2%F.S。
为保证安全及采集精度,应确保系统地线(计算机及外接仪器机壳)接地良好。
特别是使用双端输入方式时,为防止外界较大的共模干扰,应注意对信号线进行屏蔽处理。
5.使用与操作:
5.1主要可调整元件位置见图4:
图4主要可调整元件位置图
5.2输入输出接口CZ1定义:
输入输出接口CZ1定义见表5:
(表5见下页)
表5输入输出接口CZ1定义表
插座引脚
信号定义
插座引脚
信号定义
1
CH1(CH1+)
20
模拟地
2
CH2(CH2+)
21
模拟地
3
CH3(CH3+)
22
模拟地
4
CH4(CH4+)
23
模拟地
5
CH5(CH5+)
24
模拟地
6
CH6(CH6+)
25
模拟地
7
CH7(CH7+)
26
模拟地
8
CH8(CH8+)
27
模拟地
9
CH9(CH1-)
28
模拟地
10
CH10(CH2-)
29
模拟地
11
CH11(CH3-)
30
模拟地
12
CH12(CH4-)
31
模拟地
13
CH13(CH5-)
32
模拟地
14
CH14(CH6-)
33
模拟地
15
CH15(CH7-)
34
模拟地
16
CH16(CH8-)
35
模拟地
17
外部TTL启动信号输入端
36
数字地
18
可预置模拟电平PV输入端
37
数字地
19
+5V输出
5.3I/O基地址的设定与选择:
用户可通过K1选择所需要的初始地址。
开关拨至ON处为“0”,反之为“1”。
初始地址的可选范围一般为100H~36FH之间,用户应根据主机硬件手册给出的可用范围以及是否插入其它功能卡来决定本卡的I/O基地址。
现举例说明见图5。
ON1234567ON1234567
A3A4A5A6A7A8A9A3A4A5A6A7A8A9
(a)100H(b)318H
图5I/O地址选择
5.4跨接插座的用法:
5.4.1输入单/双端方式选择:
JK1,JK2为单/双端输入方式选择跨接插座。
JK2JK1JK2JK1
a.单端输入方式b.双端输入方式
图6单/双端输入方式选择
5.4.2转换码制选择:
JK3为转换码制选择跨接插座。
码制的定义参见5.6节。
用户应根据输入信号的极性进行选择,方法见图7。
DSDS
a.单极性二进制原码b.双极性二进制偏移码
图7转换码制选择
5.4.3总采样数倍率选择:
JK4为总采样数倍率选择跨接插座。
总采样数倍率选择的意义是:
由于本卡使用8254的一个16位字长计数器做为总采样数的计数器。
其最大计数能力为64K,达不到128K,故本卡上特别设计了一个对实际总采样数进行÷2/÷4的倍率选择器。
这样当存储器的容量为128K×16Bit时,选用÷2倍率,使总采样计数器的最大计数能力达到128K。
同理,当存储器容量扩充至256K×16Bit时,则要选择÷4倍率。
相应的,计算装入总采样计数器的参数时应该根据JK4的选择对实际总采样数进行÷2或÷4的数据处理。
JK4的选择使用方法见图8。
a.÷2(128K)b.÷4(256K)
图8JK4的选择使用方法
5.4.4通道标志选择:
JK5为通道标志选择跨接插座,当选择其为有效时,本卡可自动将通道代码加载后在16位数据的最高4位,以便于用户对数据进行自动识别。
JK5的选择使用方法见图9。
a.有效b.无效
图9JK5的选择使用方法
5.4.5可预置模拟电平触发方式选择:
JK6为可预置模拟电平触发方式选择跨接插座(工作原理参见5.7.3),其使同方法见图10。
为防止因外部干扰造成误启动,当不使用该方式时必须将其置为无效。
a.有效b.无效
图10JK6的选择方法
5.4.6存储器映像地址选择:
JK7为存储器映像地址选择跨接插座。
其使用方法见图11。
由于目前部分彩显卡的驱动程序固化在C000:
0000~C000:
7FFF段内,所以应尽量不使用该段。
a.选择D000:
0000b.选择C000:
0000
~D000:
7FFF段~C000:
7FFF段
图11JK7的选择方法
5.4.7中断源选择:
JK8为中断源选择跨接插座,该插座使用举例见图12。
IORQNC15121110753IORQNC15121110753
图12JK8的选择方法
5.5控制端口地址及有关数据格式:
5.5.1各个控制端口的操作地址与功能见表6:
表6端口操作地址与功能表
端口操作地址
操作命令
功能
基地址+0
写
写入状态控制字
基地址+1
写
写入通道控制字
基地址+2
写
程控启动A/D转换
基地址+3
读
读总采样结束标志
基地址+4
读/写
读/写8254计数器0通道数据
基地址+5
读/写
读/写8254计数器1通道数据
基地址+6
读/写
读/写8254计数器2通道数据
基地址+7
写
写入8254寄存器控制字
5.5.2状态控制字格式和定义:
状态控制字是用来确定本卡是处于A/D采集状态还是主机读写存储器状态及其它相关操作。
其格式和定义见表7(端口地址为基地址+0)。
表7状态控制字格式及定义表(×为无定义)
格式
D7
D6
D5
D4D3
D2D1D0
定义
C1
C2
C3
××
页面控制字
说明:
C1为本卡工作方式:
C1=1为A/D采样状态
C1=0为主机读写存储器状态
C2为外TTL信号触发控制:
C2=1允许外TTL信号触发
C2=0禁止外TTL信号触发
C3为采集结束中断控制:
C3=1为允许采集结束中断
C3=0为禁止采集结束中断
页面控制是指当主机读写存储器时,由于本卡设计的存储器映像区为32K,需要在同一映像区配合不同的页面,即可读写超过32K的存储器。
当本卡配置128K×16Bit的存储器时,页面控制有效范围为0~3页。
即:
32K×4(页)=128K当本卡配置256K×16Bit的存储器时,页面控制有效范围为0~7页。
即:
32K×8(页)=256K
5.5.3通道控制字格式和定义:
通道控制字格式和定义见表8(端口地址为基地址+1)。
表8通道控制字格式和定义表
端口地址
操作命令
D7D6D5D4
D3D2D1D0
操作结果
基地址+1
写
1×××
通道代码
自动扫描
基地址+1
写
0×××
通道代码
程序指定
注:
自动扫描方式时,本卡将从0通道自动扫描到指定的末通道,并反复进行。
程序指定方式将按程序指定的唯一通道反复采样。
通道代码数据格式见表9:
表9通道代码数据格式表
通道号
十进制代码
十六进制代码
输入方式
通道号
十进制代码
十六进制代码
输入方式
1
0
00H
单/双
9
8
08H
单
2
1
01H
单/双
10
9
09H
单
3
2
02H
单/双
11
10
0AH
单
4
3
03H
单/双
12
11
0BH
单
5
4
04H
单/双
13
12
0CH
单
6
5
05H
单/双
14
13
0DH
单
7
6
06H
单/双
15
14
0EH
单
8
7
07H
单/双
16
15
0FH
单
5.5.4总采样结束标志格式:
总采样结束标志格式见表10(端口地址为基地址+3)。
表10总采样结束标志格式表(×为无定义)
操作命令
D7
D6D5D4D3D2D1D0
总采样状况
读
0
×××××××
没有或正在采样
读
1
×××××××
总采样结束
注:
当本卡置为主机读写存储器状态时,总采样结束标志及中断申请标志将被自动清除,以准备下一次采样。
5.5.5A/D转换结果数据格式:
A/D转换结果数据格式见表11。
表11A/D转换结果数据格式表
JK5
D15D14D13D12
D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0
有效
通道代码
12位有效数据
无效
0000
12位有效数据
5.6输入模拟量码制以及数据与模拟量的对应关系:
5.6.1本接口卡在单极性方式工作时,即输入的模拟量为0~5V时,转换后的12位数码为二进制原码。
此12位数码表示一个正数码,其数码与模拟电压值的对应关系为:
模拟电压值=数码(12位)×5(V)/4096(V)
即:
1LSB=1.22mV
5.6.2本接口卡在双极性方式工作时,转换后的12位数码为二进制偏移码。
此时12位数码的最高位(DB11)为符号位,“0”表示负,“1”表示正。
偏移码与补码仅在符号位上定义不同,可以先求出补码再将符号位取反就可得到偏移码。
此时数码与模拟电压值的对应关系为:
输入的模拟信号为-5~+5V时:
模拟电压值=数码(12位)×10(V)/4096-5(V)
即:
1LSB=2.44mV
5.7A/D转换启动方式的详细说明:
5.7.1程序启动:
当预先设定好通道选择方式及采样频率和总采样数后,在基地址+2的端口地址任意写一个数据,即可启动A/D转换器。
5.7.2外部TTL信号触发启动:
本卡的A/D采样可在外部TTL信号触发方式工作,当本卡按用户要求设定好采样频率和总采样数,以及在状态控制字中置为A/D采样状态且允许外部TTL信号触发后,当外部TTL信号的上升沿到达后,本卡即开始采样工作。
外部TTL电平触发信号必须符合TTL电平标准。
5.7.3可预置模拟电平触启动:
在预先设定好通道选择方式及采样频率和总采样数,并且在输入输出接口CZ1中的引脚18(PV)中接入一个0~5V之内的预置电压。
此时只要当本卡通道0中的模拟电压信号幅度的绝对值超过±PV,即可启动A/D转换器。
5.8中断工作方式说明:
中断信号可以在总采样结束后通知CPU进行处理。
JK8跨接插座可用来选择IORQ3、5、7、10、11、12、15中的任一中断源,用户可以在需要采用中断方式时根据主机系统和其它功能卡的配置情况选择其一,并且需要将状态控制字中的中断控制置为允许。
不用中断方式时应放在NC位置。
用户在使用中断方式时,应对主机系统的8259中断管理器进行初始化并编制中断处理程序。
并在8259中断允许之前,先清除本卡的中断标志。
当A/D采样结束时,本卡会向8259中断管理器发出一个高电平的中断申请,CPU接到中断请求后转向中断处理程序运行读数操作。
5.9分频系数的计算及装载:
在采样开始之前应对8254的通道0写入控制字以及分频系数。
本通道按方式2(比率发生器)工作,控制字为34H。
分频系数=基准时钟÷采样频率
本卡的基准时钟为10MHz。
如取采样频率为1.25MHz,则:
分频系数=10(MHz)÷1.25(MHz)=8
如取采样频率为500KHz,则:
分频系数=10(MHz)÷0.5(MHz)=20
注意:
此处计算出来的分频系数结果均为十进制,在装入8254时应变换成16进制。
同时写8254通道数据时,应按先低8位后高8位的顺序分两次向同一地址写入,即使高8位数据为“0”也应写入。
5.10总采样数的计算及装载:
在采样开始前还应对8254的通道1写入控制字以及总采样数值。
本通道按方式0(计数结束中断)工作,控制字为70H。
计数值(总采样数值)=实际采样数÷2
=采样通道数×采样组数÷2
如需对16个通道连续采样5000组,则:
计数值(总采样数值)=16×5000÷2=40000=9C40H
注:
实际采样数÷2的原因参见5.4.3,如果存储器扩充到256K且实际数据量大于128K时,应配合JK4的选择改为:
计数值(总采样数值)=实际采样数÷4
计数值写入通道1的要求和方法可参见5.9中对通道0的要求和方法。
5.11映像存储器的读写操作:
在本卡的使用过程中,主机需要对卡上的
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