PC104數(shù)據(jù)采集與檢測電路實(shí)現(xiàn)改進(jìn)投彈裝備故障檢測方法

介紹了一個基于PC104 的數(shù)據(jù)采集與檢測電路的設(shè)計，它完成A/D 數(shù)據(jù)采集、D/A 數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入/輸出、信號顯示卡以及LCD 顯示器的控制等功能。PC104 總線信號檢測電路對于改進(jìn)裝備故障檢測方式具有重大意義。通過對信號波形顯示原理以及顯示方法的分析，確定了具體的實(shí)際方案，完成了功能電路的設(shè)計；采用專用接口芯片結(jié)合CPLD 的方法實(shí)現(xiàn)了PC104 總線的接口協(xié)議以及邏輯控制電路；檢測系統(tǒng)電路在實(shí)際測試過程中能穩(wěn)定工作，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

數(shù)據(jù)采集與檢測電路是電動投彈器故障診斷系統(tǒng)中的重要組件，主要完成系統(tǒng)工作過程中采集信號的顯示和診斷流程的指示，是重要的人機(jī)對話窗口的執(zhí)行部件。因此，檢測電路功能的好壞，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)最終能否完成工作。

為了保證系統(tǒng)的可靠性和輕便性，采用了PC104 工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)，顯示采用投彈信號顯示卡與小型的液晶顯示器（LCD）。

1 檢測系統(tǒng)電路的功能

PC/104 在國際上十分流行， 被IEEE 協(xié)會定義為IEEEP996.1.IEEE-P996 是PC 和PC/AT 工業(yè)總線規(guī)范，是一種優(yōu)化的、小型堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)，適應(yīng)于攜便的測量系統(tǒng)。PC/104 基本上是PC ISA 總線的重新包裝。它提供一種機(jī)制，將PC 技術(shù)嵌入到結(jié)實(shí)而空間有限的環(huán)境中。PC104總線完全與ISA 總線兼容，但具有可堆疊而緊湊（3.6"×3.8"）的模塊。

采集與控制電路以基于PC104 規(guī)范的586 工控機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)電動投彈器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果打印和存儲功能，系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。接收機(jī)的模擬輸出信號和接收機(jī)的狀態(tài)信息分別由A/D 轉(zhuǎn)換器采集和8 位數(shù)字輸入端口送入到計算機(jī)中；接收機(jī)的增益由D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓控制，接收機(jī)的通道選擇和狀態(tài)切換由8 位數(shù)字量輸出端口輸出的信號控制；液晶顯示器的控制通過并行端口完成， 信號顯示系統(tǒng)將顯示的信息輸入到液晶控制器，由液晶控制器實(shí)現(xiàn)顯示的控制。

圖1 電動投彈器數(shù)據(jù)采集與控制電路原理框圖

采集電路主要由8 路12 位的A/D 變換器、3 路12 位的D/A 變換、信號控制器接口、8 位數(shù)據(jù)輸入和輸出口。8 路A/D采用MAX197 芯片；3 路D/A 由兩片DAC1210 和一片MAX501 實(shí)現(xiàn)；LCD 接口與投彈信號顯示卡連接， 控制液晶顯示屏；輸入、輸出口分別采用74HC245 八位雙向總線收發(fā)器和74HC377 八位鎖存器。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 地址分配

地址分配由譯碼電路完成， 譯碼電路采用了一片74HC138 和一片74HC139,對SA0-SA9 低10 位地址進(jìn)行譯碼。PC 機(jī)內(nèi)部地址從300H-35FH 為空地址，因此本系統(tǒng)各端口的地址分配也要符合這一規(guī)定。

當(dāng)CPU 總線在非DMA 讀寫周期，AEN 信號為低電平時選通1/2 片74HC139, 當(dāng)?shù)刂肪€SA5 和SA8 為高電平，74HC139 第5 腳輸出低電平， 同時SA6 為低電平，SA9 為高電平時，74HC138 就被選通。設(shè)計中將譯碼范圍分為兩段：

300H-31FH 和340H-35FH,通常采用SA7 為零的低32 個地址，同時SA7 還用于74HC139 另一半的譯碼電路中，譯出地址作為兩片DAC1210 的片選信號。

2.2 總線的驅(qū)動電路

由于PC/104 總線驅(qū)動能力只有4 mA,達(dá)不到設(shè)計的要求，故采用了一片74HC245 對SD0-SD7 進(jìn)行驅(qū)動，同時采用一片74HC32 對PC/104 總線的SA0、IOW（寫信號）、IOR（讀信號） 進(jìn)行驅(qū)動。在總線的讀周期， 總線的讀信號變低，使74HC245 的DIR 變低，74HC245 數(shù)據(jù)傳輸方向由B 到A,PC/104 的總線就可以從外部端口讀入數(shù)據(jù)； 在寫周期則剛好相反，使DIR 變高，74HC245 數(shù)據(jù)傳輸方向由A 到B,PC/104 的總線可以往外部端口寫數(shù)據(jù)。經(jīng)過74HC245 后總線驅(qū)動能力可滿足系統(tǒng)要求。

SA0、IOW（寫信號）、IOR（讀信號）的驅(qū)動是分別經(jīng)過一個或門與地相或后輸出，輸出信號與原信號的TTL 電平是一樣的，但驅(qū)動能力提高了。

2.3 A/D 變換電路

數(shù)據(jù)采集是通過A/D 轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)由模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程，A/D 轉(zhuǎn)換電路選用了MAX197 芯片。

MAX197 是一個12 位的8 輸入通道A/D 轉(zhuǎn)換器。線性度達(dá)1/2 LSB,+5 V 單電源供電，可通過編程選擇輸入電壓范圍：±10 V、±5 V、0-10 V 或0-5 V,輸入過壓保護(hù)可達(dá)±16.5 V,可工作在內(nèi)采樣或外采樣模式，轉(zhuǎn)換時間為6 μs.參考源可用內(nèi)部4.096 V 或外接參考源。時鐘方式可選用內(nèi)時鐘或外時鐘。MAX197 通過8+4 并行接口實(shí)現(xiàn)12 位數(shù)據(jù)傳輸。它的A/D 轉(zhuǎn)換功能就是將由軟件選擇的通道的輸入電壓轉(zhuǎn)換成12 位數(shù)字量，以補(bǔ)碼的形式，分別將低8 位、高4 位由一個8位并行口分時輸出。A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。

圖2 A/D 電路原理圖

2.4 D/A 轉(zhuǎn)換電路

D/A 轉(zhuǎn)換電路采用了3 路D/A 轉(zhuǎn)換器， 由一片MAX501和兩片DAC1210 組成，電路原理圖如圖3 所示。

圖3 D/A 轉(zhuǎn)換電路

MAX501 是一個12 位的電壓輸出型D/A 轉(zhuǎn)換芯片，線性度達(dá)1/2 LSB,±5 V 雙電源供電，片內(nèi)包含有精密的輸出緩沖放大器，用來提供電壓輸出。MAX501 是8 位的數(shù)據(jù)總線，8+4 位數(shù)據(jù)由CSMSB、CSLSB 及WR 控制。其內(nèi)部有一個12位輸入寄存器和12 位DAC 寄存器，DAC 采用反相R-2R 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)， 將12 位數(shù)字輸入信號轉(zhuǎn)換為與基準(zhǔn)源成比例的等效模擬輸出電壓。誤差范圍為±3 LSB.MAX501 的控制十分簡單，僅須將低8 位數(shù)據(jù)和高4 位數(shù)據(jù)寫入（順序沒有要求），再控制它將12 位數(shù)據(jù)寫入D/A 寄存器即可自動開始D/A 轉(zhuǎn)換。

DAC1210 是12 位D/A 轉(zhuǎn)換器， 輸入寄存器是一個8 位寄存器和一個4 位寄存器， 便于與8 位CPU 相連接。

DAC1210 為電流輸出型轉(zhuǎn)換器， 應(yīng)用時需要電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，使電流變?yōu)殡妷狠敵觥ｋ娐分胁捎秘?fù)電壓參考源，設(shè)計電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出為正電壓。電路中采用TL082 作為轉(zhuǎn)換電路， 它是通用JFET 輸入雙運(yùn)算放大器， 采用高壓JFET 管作為輸入級，具有高阻抗、低偏置電流的特點(diǎn)，具有較寬的帶寬和較高的壓擺率。

D/A 轉(zhuǎn)換電路的參考電壓由LM336-5.0 提供，LM336-5.0 相當(dāng)于一個穩(wěn)壓二極管，2 腳接高電壓，3 腳接低電壓，1腳是可調(diào)端。當(dāng)電流滿足要求600 μA~10 mA 時，2 腳與3 腳之間電壓差就保持恒定的5 V.

2.5 數(shù)據(jù)輸入/輸出口

8 位數(shù)據(jù)量的輸入采用74HC245 雙向總線收發(fā)器。

74HC245 內(nèi)含8 個具有三態(tài)輸出的雙向總線收發(fā)器，由方向控制端（DIR）確定數(shù)據(jù)傳送方向。DIR 為低電平，數(shù)據(jù)傳送方向由B 到A,輸出允許端（G）由地址318H 與IOR 信號經(jīng)或門后共同控制，當(dāng)CPU 讀地址318H 時，或門兩個輸入端均為低電平， 輸出則為低電平，74HC245 的輸出允許端低電平有效，實(shí)現(xiàn)8 位數(shù)據(jù)的讀入。

8 位數(shù)據(jù)量的輸出要求具有鎖存功能， 設(shè)計中采用了74HC377 作為8 位鎖存器，它內(nèi)含8 個具有三態(tài)輸出的D 型上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器。G 用來控制8 個輸出處于常規(guī)邏輯（高電平或低電平）或高阻態(tài)。當(dāng)G 為高電平時輸出Q 為高阻態(tài)，但觸發(fā)器內(nèi)部運(yùn)算不受影響。輸入端D 的數(shù)據(jù)在CLK 上升沿作用下送到Q.當(dāng)CPU 往地址314H 寫數(shù)據(jù)時，G 為低電平， 在IOW 信號上升沿將系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)鎖存到對應(yīng)的Q端，實(shí)現(xiàn)了8 位數(shù)據(jù)的輸出鎖存。

2.6 信號顯示卡

信號顯示卡是投彈嵌入式故障診斷系統(tǒng)中的重要組件，主要完成系統(tǒng)工作過程中采集信號的顯示和診斷流程的指示，是重要的人機(jī)對話窗口的執(zhí)行部件。該顯示卡的硬件電路主要由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、時鐘產(chǎn)生電路、時序產(chǎn)生電路、控制信號產(chǎn)生模塊和顯示單元組成，如圖4 所示。

輸入的模擬信號經(jīng)緩沖放大以后進(jìn)入模數(shù)變換器AD9054,其最高采樣速率為200 Mb/s,具有380 MHz 的模擬輸入帶寬。它有兩個采集數(shù)據(jù)輸出端口（Port A 和Port B），可以選用單端口輸出或雙端交替乒乓輸出。A/D 轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)兩路鎖存器鎖存以滿足后續(xù)存儲器的高速寫入。

如圖4 所示，系統(tǒng)時序產(chǎn)生控制電路產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘并協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分工作步驟，它根據(jù)A/D 變換采樣時鐘以及A/D變換器輸出接口時序的要求，產(chǎn)生鎖存器的鎖存時鐘，并以適當(dāng)?shù)难舆t量提供存儲器的讀寫脈沖。時序產(chǎn)生電路還提供地址產(chǎn)生器和記錄長度計數(shù)器的計數(shù)時鐘。系統(tǒng)初始化后，A/D 變換就開始進(jìn)行，采集到的數(shù)據(jù)不斷寫入存儲器，這時時序產(chǎn)生電路僅向地址產(chǎn)生器提供時鐘源，使其作"+1"操作，這樣存儲器地址遞增翻轉(zhuǎn)。當(dāng)觸發(fā)邏輯被觸發(fā)后，時序產(chǎn)生電路使能記錄長度計數(shù)器工作，并提供采樣時鐘作為計數(shù)時鐘源。記錄長度計數(shù)器到用戶設(shè)定的記錄長度時，時序產(chǎn)生電路就關(guān)斷時鐘開關(guān)，使存儲器停止翻轉(zhuǎn)，同時向PC 機(jī)申請數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)PC 機(jī)以某種形式讀取采集數(shù)據(jù)時，時序產(chǎn)生電路又根據(jù)PC104 總線讀取操作提供存儲器讀出地址翻轉(zhuǎn)時鐘，將存儲器的內(nèi)容按采集記錄的相反順序讀出。

圖4 顯示卡硬件電路示意圖

圖4 中觸發(fā)邏輯、記錄長度計數(shù)器和地址產(chǎn)生器密切配合使系統(tǒng)按設(shè)定的方式工作。觸發(fā)方式由軟件觸發(fā)，示波器卡一經(jīng)運(yùn)行就自動地不斷抓取波形；外輸入觸發(fā)需要一個外輸入TTL 邏輯信號， 待設(shè)定的邏輯信號沿到來時產(chǎn)生觸發(fā)；信號電平觸發(fā)是根據(jù)被采集信號的幅度值到或超過設(shè)定的電平值時產(chǎn)生觸發(fā)。信號電平觸發(fā)的實(shí)現(xiàn)通過高速邏輯信號比較器實(shí)時監(jiān)測A/D 變換器的輸出結(jié)果，當(dāng)比較結(jié)果大于或小于設(shè)定基準(zhǔn)值時產(chǎn)生觸發(fā)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期觸發(fā)，地址產(chǎn)生器和記錄長度計數(shù)器相互結(jié)合使用。地址產(chǎn)生器實(shí)質(zhì)上是一個雙向環(huán)形計數(shù)器， 其順時針方向地址遞增數(shù)據(jù)寫入，逆時針向地址遞減數(shù)據(jù)讀出。

計算機(jī)通過PC104 總線設(shè)置顯示卡的工作方式和讀取采集到的數(shù)據(jù)。為了多通道同時使用，每個顯示器卡有一通道號，軟件逐個設(shè)置好各通道狀態(tài)后可以同時或分別使能觸發(fā)。各通道的外觸發(fā)輸入可用于多通道在同一觸發(fā)時刻采樣記錄。PC 機(jī)可通過I/O、DMA、中斷等多種方式與顯示卡進(jìn)行通訊或采樣數(shù)據(jù)讀取。

2.7 液晶顯示器（LCD）

液晶顯示組件包括：DPK174@1335-1/-2 液晶控制器、液晶驅(qū)動電源電路、DMF50081ZNB-FW 顯示屏和CXA-L10A逆變器。其原理框圖如圖5 所示。

圖5 液晶顯示原理框圖

液晶驅(qū)動電源完成5 V 到-20 V 的轉(zhuǎn)換， 作為液晶驅(qū)動電源。

當(dāng)計算機(jī)把指令代碼寫入指令輸入緩沖器內(nèi)（此時A0=1），緊跟著寫入指令的參數(shù)（此時A0=0）。帶參數(shù)的指令代碼的作用之一就是選通相應(yīng)參數(shù)的寄存器，任一條指令的執(zhí)行（除SLEEPIN,CSRDIR,CSRR 和MERAD 外） 都發(fā)生在輸入完附屬參數(shù)之后。當(dāng)寫入一條新的指令時，DPK174@1335-1/-2 將在舊指令參數(shù)組運(yùn)行完成之后等待新參數(shù)的到來。計算機(jī)可用寫入新參數(shù)與余下的舊參數(shù)有效地組合成新的參數(shù)組。指令參數(shù)必須全部寫入，且參數(shù)寫入的順序不能改變，也不能省略。

3 結(jié)論

經(jīng)過調(diào)試，A/D 轉(zhuǎn)換器和D/A 轉(zhuǎn)換器的精度達(dá)到設(shè)計要求，顯示卡工作正常，整個控制電路完成預(yù)期的功能，滿足電動投彈器檢測要求。

解決PC104 總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題，合理分配硬件資源。PC104 總線的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、易于開發(fā)，但其傳輸速率較慢。通過實(shí)際應(yīng)用證明基于PC104 總線投彈信號顯示卡的設(shè)計能克服以上設(shè)計缺陷，特別是能充分滿足便攜式設(shè)計特點(diǎn)的要求，適應(yīng)維修訓(xùn)練要求。

投彈信號顯示卡是將基于PC104 總線的虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于通用投彈診斷組合中信號的顯示，對于改進(jìn)投彈裝備故障檢測方式具有重大意義。通過對信號波形顯示原理以及顯示方法的分析，實(shí)現(xiàn)了PC104 總線的接口協(xié)議以及邏輯控制電路。