關于設計PC1O4總線雷達信號顯示卡的方案

引言

PC104總線雷達信號顯示卡是將基于PC104總線的虛擬儀器技術應用于通用雷達嵌入式診斷組合中信號的顯示，對于改進雷達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，確定了具體的實際方案，完成了功能電路的設計;采用專用接口芯片結合CPLD的方法實現了PC104總線的接口協議以及邏輯控制電路，最后編寫了相關的軟件程序;顯示卡在實際測試過程中能穩(wěn)定工作，滿足設計指標要求。因此，顯示卡功能的好壞，直接關系到整個系統(tǒng)最終能否完成工作。

1 系統(tǒng)硬件設計與實現

如圖1所示，該顯示卡的硬件電路主要由輸入匹配網絡、模數轉換單元、時鐘產生電路、時序產生電路、控制信號產生模塊和顯示單元組成。

輸入的模擬信號經緩沖放大以后進入模數變換器AD9054，其最高采樣速率為200Ms/s，具有380MHz的模擬輸入帶寬。它有兩個采集數據輸出端口（Port A和Port B），可以選用單端口輸出或雙端口交替乒乓輸出。A/D轉換后輸出的數據經兩路鎖存器鎖存以滿足后續(xù)存儲器的高速寫入。

如圖1所示，系統(tǒng)時序產生控制電路產生系統(tǒng)時鐘并協調系統(tǒng)各部分工作步驟，它根據A/D變換采樣時鐘以及A/D變換器輸出接口時序的要求，產生鎖存器的鎖存時鐘，并以適當的延遲量提供存儲器的讀寫脈沖。時序產生電路還提供地址產生器和記錄長度計數器的計數時鐘。系統(tǒng)初始化后，A/D變換就開始進行，采集到的數據不斷寫入存儲器，這時時序產生電路僅向地址產生器提供時鐘源，使其作“+1”操作，這樣存儲器地址遞增翻轉。當觸發(fā)邏輯被觸發(fā)后，時序產生電路使能記錄長度計數器工作，并提供采樣時鐘作為計數時鐘源。記錄長度計數器到用戶設定的記錄長度時，時序產生電路就關斷時鐘開關，使存儲器停止翻轉，同時向PC 機申請數據傳輸。當PC機以某種形式讀取采集數據時，時序產生電路又根據PC104總線讀取操作提供存儲器讀出地址翻轉時鐘，將存儲器的內容按采集記錄的相反順序讀出。

圖1中的虛線框內包含的邏輯被集成在一片大規(guī)模高速可編程邏輯器件EP1K30內。其中觸發(fā)邏輯、記錄長度計數器和地址產生器密切配合使系統(tǒng)按設定的方式工作。觸發(fā)方式由軟件觸發(fā)，示波器卡一經運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，待設定的邏輯信號沿到來時產生觸發(fā);信號電平觸發(fā)是根據被采集信號的幅度值到或超過設定的電平值時產生觸發(fā)。信號電平觸發(fā)的實現通過高速邏輯信號比較器實時監(jiān)測A/D變換器的輸出結果，當比較結果大于或小于設定基準值時產生觸發(fā)。為了能夠實現預期觸發(fā)，地址產生器和記錄長度計數器相互結合使用。地址產生器實質上是一個雙向環(huán)形計數器，如圖2所示，其順時針方向地址遞增數據寫入，逆時針向地址遞減數據讀出。

計算機通過PC104總線設置顯示卡的工作方式和讀取采集到的數據。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機可通過I/O、DMA、中斷等多種方式與示波器卡進行通訊或采樣數據讀取。

2 系統(tǒng)軟件設計

顯示卡的整個結構是由PC104總線接口電路和功能電路兩部分構成的，而功能電路部分單片機是核心，因此單片機軟件的編寫也是一個很重要的部分。單片機的程序是用C語言編寫的，主要結構如下：

（1）和上位機的通信程序。其中包括讀取上位機的命令，把測試數據傳送給上位機，報告功能電路的狀態(tài)。

（2）功能函數。其中包括AD采集程序、設置量程、復位、自動調零、自檢、中斷服務程序等等。

因此，顯示卡軟件由主程序和中斷程序組成，程序如框圖3和圖4所示。

主程序完成開辟與遙控幀格式一致的數據區(qū)域、芯片的初始化以及串行異步數據的發(fā)送和接收。串行異步數據發(fā)送接收期間，MPU會關閉中斷O和1，但這并不會影響MPU對按鍵的相應和處理。當82C79檢測到有按鍵按下時，要么能夠在數據發(fā)送完畢后的時間空隙內申請中斷并得到處理，要么多等待30ms，而后請求中斷并得到處理。多出來的30ms與下一次按鍵的時間間隔（最少為幾百毫秒）相比少得多，因此關閉中斷的過程不影響按鍵的處理。

中斷程序/INT0中，MPU將讀取82C79中的鍵值，并判斷按鍵類型。當按鍵為普通按鍵時，MPU并不改變82C79的工作方式，只將按鍵對應的指令代碼填充到數據區(qū)域的相應字節(jié)位，并將R4賦值#01H。當按鍵為“長按”按鍵時，MPU將指令代碼填充到數據區(qū)域的相應字節(jié)位后，會立即改變82C79 的工作方式，將其設置在傳感器掃描工作方式。當“長按”按鍵斷開時，由于傳感器矩陣發(fā)生了變化，82C79能再次通過IRQ信號通知MPU。再次進入中斷程序時，MPU將82C79的工作方式再改回到鍵盤掃描方式后，才將R4賦值#01H，至此一個完整的按鍵過程完成。對于配合旋鈕開關的“長按”按鍵，按鍵閉合的時候，MPU還需要打開A/D轉換;按鍵斷開時，MPU則要關閉A/D轉換。

中斷程序TO中，每經過兩次中斷即80ms（MPU的工作頻率決定了其最大定時到達不了80ms），MPU就將串行數據發(fā)送指針置位。

結論

解決PC104總線數據傳輸的瓶頸問題，合理分配硬件資源。PC104總線的突出優(yōu)點是結構簡單、易于開發(fā)，但其傳輸速率較慢。通過實際應用證明基于PC104總線雷達信號顯示卡的設計能克服以上設計缺陷，特別是能充分滿足便攜式設計特點的要求，適應維修訓練要求。