статья: Универсальные платы АЦП для шины PCI 2000 г.

В. 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 2–3 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 дешёвых моделей семейств плат АЦП на шину PCI всех этих компаний.

Таблица 1. Основные характеристики плат АЦП на шину PCI от ведущих разработчиков

* - 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 надёжность плат АЦП и даёт 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, 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 5–10 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 надёжности 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 отдаётся 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 её 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 даёт 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 счётчиков/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 даёт 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 счёт 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 помехозащищённость 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.

     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 разъём 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 манёвра при выборе плат АЦП по техническим, экономическим соображениям и авторитету производителя. При этом, однако, следует принимать во внимание ещё 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 сайте "Л Кард" организована оперативная справочная служба и дискуссионный клуб по вопросам применения плат АЦП/ЦАП с сигнальными процессорами. Вместе с более обширной справочной службой Chipinfo информация на сайте "Л Кард" позволяет быстро решать проблемы применения плат АЦП/ЦАП.

Литература

1. Сорокин С. Шина PCI в специальных приложениях // Современные технологии автоматизации (СТА). — 1998. — № 3. — С. 14–26.
2. Рыбаков А.Н. Шина PCI в специальных приложениях: мифы и реальность // Мир компьютерной автоматизации (МКА). — 1999. — № 1. — С. 7–21.
3. Буткевич В., Невзоров В. Изделия L-CARD: отечественные платы АЦП/ЦАП с сигнальным процессором // Электроника НТБ. — 1999. — № 3. — С. 32–33.