В. Буткевич, В. Куликов

Универсальные платы АЦП для шины PCI

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 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 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 (табл. 2).

Таблица 2. Характеристики плат АЦП L-xx производства Л-КАРД

 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 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

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.

ЗАО «Л-КАРД»
Тел. (095) 257-3414, факс (095) 737-9482
E-mail: vak@lcard.ru