隨著大規模集成的電路的飛速發展，PC機性能不斷提高。在PC機擴展槽中嵌入以高性能微處理器為核心的智能型功能卡，可以組成綜合性能極佳的分布式控制系統。這種結構方式可充分利用微處理器的控制功能、PC機的快速數據處理能力，以及多任務工作方式等特點。對于這種分布式控制系統，主機要頻敏接收到來自擴展卡從機所采集的數據、工作狀態等信息；向從機發送控制命令或處理數據等。這種主、從機之間的通訊，根據應用條件的不同有多種方式。但在數據傳輸速度較高、數據量較大且需經常交換信息的場合，采用雙口共享RAM緩沖區方式是最合適的。

　　為了用單片機實現對微秒級甚至納秒級高速瞬變信號進行采樣，研究了一種基于ISA總線、GPS同步時鐘、用硬件電路實現高速數據采集、高速尋址以及存儲的技術，保證了高速瞬態信號的實時采集。對于變化速極快、過程極短的高速瞬態信號的采集，需要高速A/D轉換單元、大量數據存儲單元、高速尋址和快速存儲等。

　　由于所采集的信號是高頻信號，用常規則方法受到單片機本身運行速度的限制，不僅造成成本提高，而且對高頻、遠距離多路信號的信號處理增加困難，有時無法區別所采集信號的真偽。通過對8051單片機的外圍進行有效的擴展，采取在數據采集時由硬件實現采集和存儲，采集完畢后由8051系列單片機進行數據處理和通信，比較好地解決了二者的矛盾。

　　筆者研制的高速數據采集板采樣頻率為20MSPS；A/D轉換字長為8位，并且采樣速率可變；存儲容量為512K字節，符合ISA總線標準。可廣泛用于電力測量、繼電保護和故障定位等。

　　1 硬件系統基本工作原理

　　硬件電路框圖如圖1所示，它是由CPU1及CPU2基本系統、視頻閃爍ADC轉換器、高速緩存RAM、雙口RAM、地址計數器、采樣頻率控制、時序控制及譯碼電路等部分組成。

　　根據需要CPU采用DS80C320單片機。在時鐘頻率為33MHz條件下，單周期指令執行時間是110納秒，充分發揮高速A/D轉換芯片的性能。DS80C320內部有三個16位定時器/計數器、二個全雙工串行口、十三個中斷源（六個外部中斷端）、二個數據指針DPTR0和DPTR1。在33MHz晶振時，ALE的輸出信號頻率是8.25MHz。

　　CPU1主要用于數據采集、與PC機通訊；CPU2用于接收GPS時間報文，GPS時間報文可在任何時刻由CPU1從與之相接的雙口RAM2中讀取。高速雙端口RAM

　　IDT7130（2K×8位）、IDT7134（4K×8位），內部具有判決電路以防止因對某一單元同時操作而產生沖突。雙口RAM1

　　IDT7134主要用于CPU1存放采集的數據、同步時間信息及工作狀態等，供PC機定時取用，同時也接收來自PC機的命令。雙口RAM2

　　IDT7130其容量為2K字節，主要用于CPU1與CPU2交換GPS的同步時鐘信息。

　　對高速數據采集技術而言，最為重要的是系統的分辨率、精度與通過速率。特別是系統通過速率，是區別高速數據采集與一般數據采集最為關鍵的一項技術指標。在硬件的具體實現過程中，則需要考慮兩個方面：（1）A/D轉換器的轉換時間；（2）轉換后的數據存儲時間［2］。

　　1.1 高速A/D轉換

　　A/D轉換采用閃爍ADC器件AD9048，其最大轉換速率為35MSPS，分辨率為8位。利用高速雙極工藝制造，采樣速率快，頻帶寬，無代碼遺失，輸入電容小（僅為16pF），功耗低（為500mW）。AD9048內部時鐘鎖定比較器可使編碼邏輯電路和輸出緩沖寄存器作在35MSPS的高速，并避免了多數系統對取樣保持電路（S/H）和跟蹤保持電路（T/H）的需要。數字輸入、輸出及控制電平與TTL兼容。AD589和AD741、2N3906等構成穩壓可調電路，提供給9048的RB、RT接地。AD9618作為輸入緩沖放大器［3］。由于AD9048的數據輸出沒有三態門控制，故在輸出加上74LS241作三態門控制。AD9048是否工作取決于輸入轉換脈沖信號，在脈沖信號上升沿取樣。轉換脈沖來自采樣頻率控制電路中的8254分頻器的輸出。

　　1.2 高速尋址

　　對于高速數據采集系統，A/D轉換應不受CPU控制。每當ADC轉換一次后，由控制電路發出相應的信號，將ADC轉換結果寫入高速緩存RAM某單元中，再使地址計數器加1，直到地址計數器記滿后產生采樣結束信號，封鎖RAM寫信號，利用二進制地址發生器的最高位通過中斷方式通知主機采樣已完成。

　　地址計數器可根據地址位數由若干同步記有選舉權器級聯而成，五片74LS163可構成19位地址形成電路。計數器每收到一個脈沖即產生一個地址。地址的初值可通過時序控制電路清零。若采用循環地址，則在計數滿后，用進位信號迫使計數器的同步預置電平發生變化，使計數器恢復初值，進入新一輪計數。

　　1.3 快速存儲

　　單片機與上位PC機間串口通訊的數據傳輸速率往往不能滿足實時要求；DMA通道最的大數據傳輸率也不超過5MB/s［1］，這顯然無法滿足本系統中高達20MB/s的采樣速度。為了解決高速數據采集與低速數據傳輸的矛盾，在單片機系統中，數據存儲器選用雙端口RAM

　　IDT7134（圖1中RAM1）。在上位PC主機與單片機之間建立了一個4K字節大小的緩沖區，單片機只須將經過預處理的采樣值通過一個端口存放緩沖區，上位PC主機通過另一端口從緩沖區取數據。這樣就解決了高速采樣與低速數據傳輸的矛盾，可滿足實時采集和控制的要求。