Funktionsweise der internen Multifunktionskarte ACL-8316

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1 Funktionsweise der internen Multifunktionskarte ACL-8316 Das Kernstück jeder Meßkarte ist der Analog/Digitalwandlerbaustein (zum Messen und Digitalisieren von Spannungen) und/ oder der Digital/Analogwandlerbaustein (zur Ausgabe von Spannungen) sowie eine für beide Bauelemente benötigte Spannungsreferenz. Diese drei Komponenten begrenzen die technisch mögliche Qualität der Messung. Neben der Bitbreite pro Meßbereich (dieser liegt typisch bei 10 V) die derzeit zwischen 8 Bit und 24 Bit variiert ist noch das Rauschen, die Linearität und die Temperaturstabilität wesentlich. Die Gestaltung des eigentlichen Meßsystems ist von Karte zu Karte je nach geplanten Aufgabenbereich sehr unterschiedlich und reicht von einer Billiglösung in der die Digitalanschlüsse der AD- und DA- Bausteine nahezu direkt mit der internen Datenschnittstelle des PC verbunden sind bis zu Systemen mit eigenen Mikrokontrollern, Speicherbausteinen und Taktgebern, die auch sorgfältig von elektrischen Störungen innerhalb des PCs abgeschirmt sind. Während im billigen Fall die Datenaufnahme und Signalausgabe mit der momentanen Leistung der Hardware und des Betriebssytems schwankt und daher nur für einfache Meßanwendungen geeignet sind können höherwertige Karten programmierbare Signalgeneratoren (DA Ausgang) und Transientenrekorder bzw. Oszilloskope ersetzen. Diese "internen" Meßkarten haben einige Vorteile gegenüber externen Meßgeräten aber auch Nachteile. Zu den Vorteilen zählt (i) Die schnelle Übernahme der Meßdaten in das Anwenderprogramm und (ii) Kosteneinsparung gegenüber einem Meßgerät da sowohl Gehäuse als auch Eingabe- und Ausgabeeinheit wegfallen. Weiters benötigen Einsteckkarten keine eigene Stromversorgung oder eine Datenfernübertragungsmöglichkeit (GPIB oder RS 232). Da meist viele Datenleitungen auf engem Raum aus dem Rechner geführt werden müssen ist die experimentelle Anordnung mitunter schwieriger zu gestalten. Schutzmechanismen wie Sicherungen gegen Überlastung und Überspannung fehlen in der Regel, so daß eine Fehlspannung den gesamten PC zerstören kann. So vielfältig die Kartenauswahl, so vielfältig ist auch die systemnahe Registerprogrammierung (siehe Datei regprog.pdf) derartiger Komponenten für die es bestenfalls (undokumentierte), firmeninterne Standards gibt. Sehr häufig ist dazu auch die erhältliche Dokumentation einer Meßkarte ungenügend und nicht selten fehlerhaft. Im Rahmen der Experimente werden wir uns daher auf die beiden einfachen Funktionen der Meßkarte: (i) eine Spannung über den DA ausgeben und (ii) einen Meßwert am AD einlesen beschränken. Im nachfolgenden eine kurze allgemeine Zusammenfassung worauf es bei der Registerprogrammierung ankommt gefolgt von den kartenspezifischen Eigenschaften (blau hervorgehoben). Die technischen Spezifikationen der Karte ACL-8316 finden Sie am Ende des Abschnitts. 1) Adressraum der Meßkarte 2) Datenbreite des Übertragungsmediums (verwendeter interner Bus) im Vergleich zur Bitbreite des AD bzw. DA Bausteins 3) Herstellen eines definierten Grundzustands der Karte vor Meßbeginn 4) DA - Wandlung (Analogausgang) 5) AD Wandlung (Analogeingang) Zu 1) Wie alle im PC vorhandenen Komponenten werden die Datenregister über Adressleitungen angesprochen. Das Konzept zur Registerprogrammierung können Sie in regprog.pdf nachlesen. Die Angabe einer Adresse besteht aus der Basisadresse (üblicherweise in Hexadezimaldarstellung) und dem Versatz (Offset) der einzelnen Register zur Basisadresse. Da die ACL-8316 Meßkarte keine Plug & Play Autokonfiguration zuläßt muß Registeradresse, IRQ und DMA Belegung beim Einbau festgelegt und notiert werden. Bei Bedarf, aber nicht notwendigerweise können die belegten Ressourcen händisch in das Betriebssystem eingetragen werden. Ihre ACL-8316 Karte hat die Basisadresse 0x220 (&H220). Alle im folgenden genannten Versatzangaben beziehen sich auf diese Basisadresse. IRQ und DMA werden bei unseren Programmen nicht benötigt. Zu 2) In diesem Seminar wird intern meist der 8 Bit breite Datenbus genützt. Will man dementsprechend an einen DA Wandler einen 12 oder 16 Bit breiten Wert übertragen, muß dieser in 2 Bytes zu 8 Bits zerstückelt werden. Das umgekehrte gilt für das Einlesen eines digitalisierten AD Werts. Hier müssen 2 Bytes zu einem Wert zusammengesetzt werden. Nachfolgend ist angegeben wie beim zerstückeln und zusammensetzen vorzugehen ist wobei Zahl der zu zerstückelnde Wert ist, Lowbyte das niederwertige Nippel (8Bit Byte) und Highbyte das hochwertige Nippel der beiden Bytes. Zerstückeln: Highbyte = Lowbyte = [ Zahl / 256] Ganze _ Zahl [ Zahl 256 Highbyte] Ganze _ Zahl Zusammensetzen: Zahl = 256 Highbyte + Lowbyte Beim Zerstückeln und Zusammensetzen ist zu beachten in welcher Reihenfolge die beiden Bytes (niederwertiges Nippel muß zwingend vor oder nach dem hochwertigen Nippel übertragen/gelesen werden). über den Bus geschrieben bzw. gelesen werden müssen. Dann kommt es auch darauf an zu wissen wie die Bits (eines 12 oder 16 wertigen Datums) in den beiden Bytes abgelegt sind (Es kann das LSB links oder rechts im Byte stehen).

2 Die ACL-8316 Karte verwendet für die Datenübertragung (Werteeinlesen der AD Wandlung bzw. Werteausgabe für den DA Ausgang) den 16 Bit breiten ISA-Bus. sodaß das Zerstückeln, bzw. das Zusammensetzen entfällt. Der vorherige Absatz ist für Sie nur der Vollständigkeit halber angeführt. Unter LabWindows sind anstelle der in regprog.pdf beschriebenen inp und outp Anweisungen für 8Bit -Datenbreite) in diesem Fall die korrespondierenden Funktionen ouptw und inpw für 16Bit Datenbreite zu verwenden. Das MSB des Datums steht links im Word (=16 Bit Einheit im Vergleich zum Byte mit 8 Bit) d.h. Bit 15. Das LSB ist rechts = Bit 0. Beachten Sie, daß alle Anweisungen (D.h. all das was keine AD oder DA Daten sind) wie bei den anderen Karten über den 8 Bit breiten Datenkanal gesendet und empfangen wird. In diesem Fall verwenden Sie die gewohnten inp und outp Funktionen. Ergänzend sei angemerkt, daß der DA Ausgang zwar mit 16Bit angesprochen wird, die Karte aber nur die 12 signifikantesten Bits zur Wandlung verwendet. Zu 3) Der Aufwand zur Herstellung eines definierten Ausgangszustands hängt in der Regel vom Funktionsumfang der Karte ab. Weiters ist es wichtig zu wissen was man mit der Meßkarte nachfolgend machen will. Für einfache Karten ist es sinnvoll die DA Ausgänge in einen definierten Zustand zu versetzen und einen Dummy Wert vom AD abzulesen da viele Karten wenigstens den letzten AD Wert buffern und diesen bei der nächsten Abfrage anstelle des aktuellen Meßsignals senden. Da die ACL-8316 Karte über den Rahmen der Aufgabenstellung hinausgehende Funktionen verfügt, wird nachfolgend beschrieben welche Registeranweisungen (Mit den 8 Bit-Registerfunktionen outp durzuführen!) einmal zu Beginn des Programms auszuführen sind um die Karte so zu konfigurieren wie wir es in dem nachfolgende Experiment benötigen: (1) Konfiguration der AD Funktionen: In das Register Offset = 0x0C wird der Wert 0 geschrieben. Das bedeutet, daß kein externer Trigger, verwendet wird, kein DMA Transfer stattfindet und die Kanalauswahl fixiert ist. Weiters wird der karteninterne FIFO Buffer abgeschaltet indem in das Register Offset = 0x08 der Wert 0 geschrieben wird. (2) Konfiguration der DA Funktionen: In das Register Offset = 0x0D wird 0 geschrieben. Damit wird das Datenformat auf Ganzzahl MIT Vorzeichen festgelegt und der DA Ausgang wird bei einer Dateneingabe direkt angesprochen ( Transparent -Modus). D.h. die Daten werden NICHT in einen Buffer abgelegt und später abgearbeitet. Außer diesen 3 Anweisungen können Sie wie oben erwähnt die DA Ausgänge wie unten beschrieben auf 0V setzen und eine Leermessung durchführen. Nachfolgende Tabelle gibt eine kurze Zusammenfassung der Funktionen der einzelnen Register beim Schreibbzw. Lesezugriff Für den AD Wandlereingang wichtige Funktionen sind dabei grün hervorgehoben für den DA Ausgang rot. Wie DA bzw. AD Funktionen ausgeführt werden ist im folgenden beschrieben. Register-Offset (+Basisadresse) Lesen (Inp funktionen in C) Schreiben (Outp funktionen in C) 0 (Byte) Counter 0 Counter 0 1 (Byte) Counter 1 Counter 1 2 (Byte) Counter 2 Counter 2 3 (Byte) Counter Status Counter Einstellungen 4+5 (Word) AD Daten Bit 15(MSB) Bit 0(LSB) DA0 Daten Bit 15(MSB) Bit 4(LSB) 6+7 (Word) AD FIFO Daten DA1 Daten Bit 15(MSB) Bit 4(LSB) 8 (Byte) AD Kanal und Status AD FIFO enable/disable 9 (Byte) Lösche IRQ AD Verstärkung A (Byte) AD Software Trigger AD Kanalauswahl B (Byte) IRQ Einstellungen IRQ Einstellungen C (Byte) AD Modus AD Modus Einstellungen D (Byte) DA Modus DA Modus Einstellungen E+F (Word) DI (0 15) DO (0 15) Zu 4) Der DA Wandler (Analogausgang). Viele Karten besitzen mehr als einen DA Ausgang. D.h. der gewünschte Ausgang muß angewählt werden. Zu berücksichtigen ist weiters, daß der Wert den der DA Wandler erwartet eine ganze Zahl zwischen 0 und 2 (Bitanzahl) -1 ist. Während Sie eine bestimmte Spannung am Ausgang haben wollen. Diese Konversion von Spannungs- in Binärdaten können Sie entweder manuell (mit Taschenrechner) vornehmen oder Sie bauen eine entsprechende Umwandlungsroutine in Ihr Programm ein: U Binärzahl = U Ausgang max U U min min 2 ( Bi tan zahl ) ganze _ Zahl Wobei U max und U min die der Spezifikation entnommene größte bzw. kleinste ausgebbare Spannung ist. U Ausgang ist die gewünschte Ausgangsspannung. Die Schritte um eine Wandlung vorzunehmen sind dann:

3 Wahl des Ausgangs Senden der Binärzahl Wandlung auslösen Für die ACL-8316 Karte mit 2 DA Ausgängen zwischen 10V und +10V (=U max ) mit virtuell 16Bit Auflösung verwenden Sie anstelle von 10V für U min den Nullpunkt ±0V. D.h.: U max - 0 = 10, Anstelle von 2 16 verwenden Sie diesmal 2 15 = und reservieren das 16. Bit für das Vorzeichen. Z.B. ergibt eine Spannung von 3V dann (-3/10) = Diesen Wert verwenden Sie bei der ouptw-funktion als zu sendendes Word. Die Kanalauswahl geschieht über die Auswahl des Registes in das das Word geschrieben wird. Für den 1. DA Ausgang ist das das Register mit dem OFFSET = 0x04. Sofern zu Programmbeginn der entsprechende Modus ( Transparent ) für den DA Ausgang eingestellt wurde löst die Übertragung mit outpw die Wandlung aus und am Ausgang sollte die gewünschte Spannung meßbar sein. Für den 2. DA Kanal ist die Registeradresse 0x06. Zu 5) Ähnlich zum vorhin gesagtem werden auf Meßkarten häufig mehrere Eingänge (über einen Multiplexer) zum AD Konverter geleitet. D.h. Sie müssen festlegen welchen Eingang Sie abfragen wollen. Weiters besitzen viele Karten die Möglichkeit das Eingangssignal zu verstärken, und/oder die Auflösung der AD Wandlung einzustellen. Die Zahl die Sie von den Registern einlesen ist wiederum eine ganze Binärzahl die erst wieder skaliert werden muß um einen Spannungswert zu erhalten. Die wesentlichen Schritte einer AD Wandlung sind dann: Wahl des Eingangs (mit Optionen wie Empfindlichkeit und Auflösung) Einleiten einer Wandlung Warten bis die Wandlung fertig ist Empfangen des Binärwerts Skalieren (falls erforderlich) Für die ACL-8316 Karte mit 8 AD Eingängen, 16 Bit Auflösung und 4 Empfindlichkeitsbereichen zwischen ±10 V und ±1.25V wird zunächst die Eingangsempfindlichkeit festgelegt indem man eine Zahl zwischen 0 und 3 in das Register 0x09 schreibt. Der Zusammenhang zwischen Meßbereich und dem Registereintrag ist in nachfolgender Tabelle zusammengestellt: Registereintrag Spannungsbereich Verstärkung (Offset = 0x09) 0 ±10V 1 1 ±5V 2 2 ±2.5V 4 3 ±1.25V 8 Danach wird der Meßkanal zwischen 0 und 7 gewählt in das Register 0x0A eingetragen. Ist die Einstellung einer Softwaretriggerung korrekt zu Programmbeginn durchgeführt worden so kann mit Einlesen des Registers 0x0A eine AD wandlung gestartet werden. Der Registerinhalt ist ohne Bedeutung und kann verworfen werden. Der Status der Wandlung kann mit dem wiederholten Einlesen des Registerinhalts von Offset 0x08 geprüft werden. Ist das 8. Bit (2 7 = 128) gesetzt so ist die Wandlung abgeschlossen. In einer Schleife kann durch Auslesen von Register 0x08 geprüft werden wann die Wandlung beendet wurde. Da das Byte mehrere Informationen enthält uns aber nur der Status Wandlung ist beendet (Entspricht einem gesetztem Bit 7 des Bytes, Wertigkeit 2 7 = 128) interessiert, sollte die Abfrage mit einer Maske für Bit 7 durchgeführt werden. Ist Byte UND Maske = 128? (siehe auch regprog.pdf). Danach kann der Wert der AD Wandlung durch eine inpw-anweisung bei Offset = 0x04 eingelesen werden. Der Wert wird über die folgende Beziehung skaliert, wobei U max der positive Bereichsendwert, entsprechend der Verstärkereinstellung aus obiger Tabelle zu entnehmen ist und U min wiederum auf ±0Vgesetzt wird. Die Bitanzahl wird mit 15 festgelegt. Das 16. Bit liefert wiederum das Vorzeichen: U U 2 U Binärwert max min Eingang = + U ( Bi tan zahl ) min

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