DAS-1802HC高性能数据采集卡及其DMA编程 数据采集, DMA, 高性能

简述了美国吉时利(Keithley)公司的DAS-1802HC数据采集卡的性能及其Windows 95下的VB驱动程序DriverLINX/VB，并结合实例，介绍了该卡在DMA传输方式下的编程方法。
　　关键词：数据采集，驱动程序，直接存储器存取

The DAS-1802HC High-performence Data-acquisition Board and Its DMA Programming

　　Abstract:Major features of the DAS-1802HC data acquisition board of Keithley Instruments Inc. of USA and its VB driver DriverLINX/VB in Windows 95 are briefly introduced.Its programming method in DMA mode with an example is also introduced.
　　Key words:data acquisition,driver,DMA

　要构成一个高速实时数据采集系统，必须选择高性能的数据采集产品。DAS-1802HC数据采集卡（以下简称数采卡）是美国Keithley公司DAS-1800数采卡系列中的一个产品。该卡具有高速、多通道、多种触发方式等特点，并配有功能强大的驱动程序DriverLINX/VB，特别适于高速、多通道的实时数据采集。在宝钢2030冷连轧机大电机故障诊断专家系统中，使用该卡完成64个通道的实时数据采集任务，取得了非常满意的效果。本文对DAS-1802 HC数采卡的性能及其驱动程序DriverLINX/VB作一个简要介绍，并结合笔者使用经验，介绍该卡在DMA（direct memory access,直接存储器存取）传输方式下的编程方法。

1　DAS-1802HC数采卡的主要性能^［1］
　　① 64路单端/32路双端模拟量输入；2路模拟量输出；4路/8路数字量输入/输出；
　　② 最大采样速率333 Ksamples/s；12位分辨率；ISA总线；
　　③ 64路通道/增益队列，各通道增益可单独设置为1/2/4/8；
　　④ 1 K字FIFO缓冲器，双通道DMA；
　　⑤ 外/内触发；模拟/数字触发；预触发（Pre-Trigger）/后触发（Post-Trigger）/全触发（About-Trigger）；
　　⑥ 丰富的驱动程序，以支持不同的开发平台（C/C+　+、VB、LabVIEW、TestPoint等）；
　　⑦ 除基地址用DIP开关设置外，单端/双端、单极性/双极性、DMA通道号等均用软件设置

2　驱动程序DriverLINX/VB^［2，3］
　　DriverLINX/VB是Keithley公司的数据采集板卡在Windows 95下的VB驱动程序（用于DAS-1800系列的产品序号是DLINX-18VB），系Keithley公司的OEM产品，由美国SST公司开发。该软件是Keithley公司向用户推荐使用的驱动程序。在该软件的强大功能支持下，用户能非常容易地在Windows 95下用VB开发自己的应用程序。该软件与硬件、操作系统及用户应用程序之间的关系如图1所示。

图1　驱动程序框图

　　DriverLINX/VB是一个独立于硬件的通用产品，它支持在一台计算机中多块多类型数采卡的并发操作，为用户提供的API可以完成100多个前台或后台的数据采集服务。

在DriverLINX/VB中，面向应用程序开发的有3个部分：SR控件和LDD控件（均为ActiveX控件）、一个或多个与硬件有关的DLL库和几个后缀名为Bas的模块。 用户在设计或运行时，可通过设置SR和LDD控件的属性来说明需执行的数据采集任务；DLL库提供了 DriverLINX/VB驱动数采卡的接口；模块定义了 DriverLINX/VB API的子程序声明、符号常量和错误代码。
　　在高速实时数据采集系统中，数据从数采卡传输至内存通常采用的是DMA方式，若数据量大且连续，则使用双DMA缓冲区技术来保证数据高速、可靠地传输。所谓双DMA缓冲区技术，指的是在内存中分配两个DMA缓冲区，卡上的数据通过DMA方式轮流地传送到两个缓冲区中，并在一个缓冲区填满后通知应用程序，将该缓冲区中的数据转移到VB数组中。DriverLINX/VB对DMA方式强有力的支持，为双DMA缓冲区技术的使用奠定了基础。其主要表现在：
　　① DriverLINX/VB带有一个虚拟设备驱动器——DriverLINX VxD，通过VxD，DriverLINX/VB在Windows 95管理的内存中开辟出一个或数个在物理上连续的只由DriverLINX/VB管理的数据块，用作DMA缓冲区，缓冲区的数目和大小均可由用户在控制面板中设定，DriverLINX VxD协同卡上的FIFO缓冲器，将卡上数据高速、可靠地轮流传送到各DMA缓冲区中。
　　② 由于DMA缓冲区由DriverLINX/VB管理，用户的VB程序无法直接读取，因此，DriverLINX/VB还提供了相应的API函数，用户程序可通过API调用将DMA缓冲区中的数据转移到用户程序的VB数组中，以供用户程序使用。
　　③ 为保证用户程序能及时地从DMA缓冲区中转移数据，DriverLINX/VB还提供了相应的VB事件，在DMA缓冲区数据填满时，DriverLINX/VB通过SR控件使该事件得到触发，以通知用户程序转移数据。

3　DAS-1802HC卡的DMA编程
　　在DriverLINX/VB软件安装后，用户程序首先要载入DLCODES.BAS、DLVBLIB.BAS、DRVLNXVB.BAS和OEMCODES.BAS这4个模块，并在合适的窗体中载入SR和LDD控件。
　　在DMA编程之前，用户程序首先要初始化DAS-1802HC卡，若用户定义SR和LDD控件的名称分别为SR_-AI和LDD_-AI，则初始化程序如下：
　　Sub Init_{_}SR_{_}AI()
　　　SR_-AI.Req_-DLL_-name=“KMB1800.DLL”　'调用与DAS-1802HC卡对应的DLL库
　　　LDD_-ff_-AI.Req_-DLL_-name=SR_-AI.Req_-DLL_-name
　　　SR_-AI.Req_-subsystem=DL_-DEVICE　'指向卡上的各种数采任务
　　　SR_-AI.Req_-mode=DL_-OTHER　'停止各种数采任务
　　　SR_-AI.Req_-_op=DL-_INITIALIZE　'各种数采任务初始化
　　　SR_-AI.Refresh　'刷新后，执行初始化程序
　　　If SR_-AI.Res_-result＜＞DL_-NoErr Then　'检查初始化结果
SR_-AI.Req_-op=DL_-MESSAGEBOX　'显示出错信息
SR_-AI.Refresh　'刷新后，执行出错程序
　　　End If
　　End Sub
　　程序中的“各种数采任务”指的是模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出和定时/计数任务。

DMA编程，主要包括参数设定、分配DMA缓冲区和数据从DMA缓冲区转移到VB数组几个部分，下面以宝钢课题为例说明编程方法。该课题要求采集64路信号，通道总采样速率为100 kHz，使用卡上定时器作为主时钟，连续采样。程序如下：
　　^.Sub Start_-SR_-AI()　'启动数采卡硬件
　　　SR_-AI.Req_-subsystem=DL_-AI　'模拟量输入
　　　SR_-AI.Req_-mode=DL_-DMA　'DMA传输方式
　　　SR_-AI.Req_-op=DL_-START　'启动数据采集
　　　'——定时器设置——
　　　SR_-AI.Evt_-Tim_-type=DL_-RATEEVENT　'周期循环采样
　　　SR_-AI.Evt_-Tim_-rateChannel=DL_-DEFAULTTIMER　'使用卡上定时器
　　　SR_-AI.Evt_-Tim_-rateMode=DL_-RATEGEN　'由硬件定时器产生等间隔采样
　　　SR_-AI.Evt_-Tim_-rateClock=DL_-INTERNAL　'卡上定时器作为数采主时钟源
　　　'设置时钟周期=10 μs
　　　SR_-AI.Evt_-Tim_-ratePeriod=DLSecs2Tics(SR_-AI,SR_-AI.Evt_-Tim_-rateChannel,(1/100 000))
　　　SR_-AI.Evt_-Tim_-rateGate=DL_-DISABLED　'禁止定时器选通（定时器启动后一直有效）
　　　'——设置启停方式——
　　　SR_-AI.Evt_-Str_-type=DL_-COMMAND　'软件命令方式启动
　　　SR_-AI.Evt_-Stp_-type=DL_-COMMAND　'软件命令方式停止
　　　'——DMA缓冲区设置——
　　　SR_-AI.Sel_-buf_-N=2　'双DMA缓冲区
　　　SR_-AI.Sel_-buf_-notify=DL_-NOTIFY　'DMA缓冲区填满时，触发一个事件
　　　SR_-AI.Sel_-buf_-size=DLSamples2Bytes(SR_-AI,0,32 000)　'一个DMA缓冲区的容量=32 000个采样数据，并将采样的数据量转换成字节数
　　　SR_-AI.Sel_-chan_-format=DL_-tNATIVE　'DMA缓冲区的数据格式设为数采卡预定义格式（双字节整型数）
　　　'——通道参数设定——
　　　SR_-AI.Sel_-chan_-N=2　'通道的定义次数（启始/结束通道各定义一次）
　　　SR_-AI.Sel_-chan_-start=0　'从0通道开始
　　　SR_-AI.Sel_-chan_-startGainCode=DLGain2Code(SR_-AI,-1)　'双极性，统一增益（±10　V）
　　　SR_-AI.Sel_-chan_-stop=63　'到63通道结束
　　　SR_-AI.Sel_-chan_-stopGainCode=DLGain2Code(SR_-AI,-1)　'双极性，统一增益（±10V）
　　　SR_-AI.Refresh　'刷新后，设置有效，并启动采样
　　　'——检查启动结果——
　　　If SR_-AI.Res_-result <> DL_-NoErr Then
SR_-AI.Req_-op=DL_-MESSAGEBOX　'显示出错信息
SR_-AI.Refresh　'刷新后，执行出错程序
　　　End If
　　End Sub
　　上段程序中，将DAS-1802HC卡设置成软件命令启停方式，使数采卡启动后，将一直工作到有停止命令为止，这就实施了连续采样。

当DMA缓冲区数据填满时，DriverLINX/VB会通过SR_-AI控件触发一个名为SR_-AI_-BufferFilled的VB事件，在响应该事件的VB程序中，调用API函数VBArrayBufferConvert()，将DMA缓冲区中的数据转移至VB程序定义的数组VBDataArray()中。代码如下：
　　Temp=SR_-AI.VBArrayBufferConvert(bufIndex,0,32 000,VBDataArray(), DL_-tINTEGER,0,0)
　　参数1：指明当前一组数据在哪个DMA缓冲区中;
　　参数2：从DMA缓冲区的起始位置读取数据;
　　参数3：从DMA缓冲区读取32 000个采样数据;
　　参数4：VB数组的地址;
　　参数5：数据的类型是双字节整型数;
　　参数6、7：不使用倍增因子和偏移量来修正数据;
　　返回值：Temp是函数返回的错误代码。
　　在上面的例子中，使用了双DMA缓冲区技术，其中对缓冲区大小的选择应在工作效率和实时性之间权衡考虑。这是因为系统的采样速率是一定的，故缓冲区的大小将直接影响触发VB事件的时间间隔。若间隔太短，则响应频繁，采集的数据虽能得到较快处理，但系统频繁在事件之间切换，工作效率会降低；反之，若间隔太长，会使数据得不到及时处理，降低了系统的实时性。此外，缓冲区的大小应为64的整数倍，以保证64个通道的数据不被分割开。选择每个缓冲区的容量为32 000个字，可存放32 000个采样数据，填满缓冲区的时间是320 ms。经测试，此时系统的效率和实时性均能达到要求。

由于高速实时数据采集对系统资源要求较高，当Windows 95中有多个进程在执行且CPU负荷较重时，可能导致DriverLINX/VB因对数采卡的DMA请求不能及时响应而挂起，此时，DriverLINX/VB会触发SR_-AI_-ServiceDone事件通知用户程序。DriverLINX/VB挂起时，采集的数据将会丢失，因此，用户应合理安排CPU的负荷，以保证程序运行中不出现挂起现象。此外，作为防范措施，用户程序应在响应SR_-AI_-ServiceDone事件中写入下面代码，保证当DriverLINX/VB挂起时，能重新启动DriverLINX/VB：
　　SR_-AI.Req_-op=DL_-START
　　SR_-AI.Refresh
　　用户退出应用系统时，程序应停止DriverLINX/VB的工作，通过下面代码完成：
　　SR_-AI.Req_-op=DL_-STOP
　　SR_-AI.Refresh
　　综上所述，DAS-1802HC是性能优异的高速数采卡，而DriverLINX/VB 是功能强大的驱动程序，两者完美的结合，为用户在较短时间内完成高速数据采集应用程序的开发创造了条件。