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

介紹了一個(gè)基于PC104 的數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，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(hào)顯示卡以及LCD 顯示器的控制等功能。PC104 總線信號(hào)檢測(cè)電路對(duì)于改進(jìn)裝備故障檢測(cè)方式具有重大意義。通過(guò)對(duì)信號(hào)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(jì)；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(cè)系統(tǒng)電路在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中能穩(wěn)定工作，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)電路是電動(dòng)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(guò)程中采集信號(hào)的顯示和診斷流程的指示，是重要的人機(jī)對(duì)話窗口的執(zhí)行部件。因此，檢測(cè)電路功能的好壞，直接關(guān)系到整個(gè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，顯示采用投彈信號(hào)顯示卡與小型的液晶顯示器（LCD）。

1 檢測(cè)系統(tǒng)電路的功能

PC/104 在國(guó)際上十分流行， 被IEEE 協(xié)會(huì)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(cè)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(dòng)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(chǔ)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(hào)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(jì)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(hào)控制；液晶顯示器的控制通過(guò)并行端口完成， 信號(hào)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(dòng)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(hào)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(hào)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(jì)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(duì)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(xiě)周期，AEN 信號(hào)為低電平時(shí)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(shí)SA6 為低電平，SA9 為高電平時(shí)，74HC138 就被選通。設(shè)計(jì)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(gè)地址，同時(shí)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(hào)。

2.2 總線的驅(qū)動(dòng)電路

由于PC/104 總線驅(qū)動(dòng)能力只有4 mA,達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，故采用了一片74HC245 對(duì)SD0-SD7 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采用一片74HC32 對(duì)PC/104 總線的SA0、IOW（寫(xiě)信號(hào)）、IOR（讀信號(hào)） 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在總線的讀周期， 總線的讀信號(hào)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(xiě)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(xiě)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)74HC245 后總線驅(qū)動(dòng)能力可滿足系統(tǒng)要求。

SA0、IOW（寫(xiě)信號(hào)）、IOR（讀信號(hào)）的驅(qū)動(dòng)是分別經(jīng)過(guò)一個(gè)或門(mén)與地相或后輸出，輸出信號(hào)與原信號(hào)的TTL 電平是一樣的，但驅(qū)動(dòng)能力提高了。

2.3 A/D 變換電路

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

MAX197 是一個(gè)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(guò)編程選擇輸入電壓范圍：±10 V、±5 V、0-10 V 或0-5 V,輸入過(guò)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(shí)間為6 μs.參考源可用內(nèi)部4.096 V 或外接參考源。時(shí)鐘方式可選用內(nèi)時(shí)鐘或外時(shí)鐘。MAX197 通過(guò)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(gè)8位并行口分時(shí)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(gè)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(lái)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(gè)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(hào)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(jiǎn)單，僅須將低8 位數(shù)據(jù)和高4 位數(shù)據(jù)寫(xiě)入（順序沒(méi)有要求），再控制它將12 位數(shù)據(jù)寫(xiě)入D/A 寄存器即可自動(dòng)開(kāi)始D/A 轉(zhuǎn)換。

DAC1210 是12 位D/A 轉(zhuǎn)換器， 輸入寄存器是一個(gè)8 位寄存器和一個(gè)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(shí)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(jì)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(jí)，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(gè)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(shí)，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(gè)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(hào)經(jīng)或門(mén)后共同控制，當(dāng)CPU 讀地址318H 時(shí)，或門(mén)兩個(gè)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(jì)中采用了74HC377 作為8 位鎖存器，它內(nèi)含8 個(gè)具有三態(tài)輸出的D 型上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器。G 用來(lái)控制8 個(gè)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(shí)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(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，G 為低電平， 在IOW 信號(hào)上升沿將系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)鎖存到對(duì)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(hào)顯示卡

信號(hào)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(guò)程中采集信號(hào)的顯示和診斷流程的指示，是重要的人機(jī)對(duì)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(shí)鐘產(chǎn)生電路、時(shí)序產(chǎn)生電路、控制信號(hào)產(chǎn)生模塊和顯示單元組成，如圖4 所示。

輸入的模擬信號(hào)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(gè)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(chǔ)器的高速寫(xiě)入。

如圖4 所示，系統(tǒng)時(shí)序產(chǎn)生控制電路產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)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(shí)鐘以及A/D變換器輸出接口時(shí)序的要求，產(chǎn)生鎖存器的鎖存時(shí)鐘，并以適當(dāng)?shù)难舆t量提供存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)脈沖。時(shí)序產(chǎn)生電路還提供地址產(chǎn)生器和記錄長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘。系統(tǒng)初始化后，A/D 變換就開(kāi)始進(jìn)行，采集到的數(shù)據(jù)不斷寫(xiě)入存儲(chǔ)器，這時(shí)時(shí)序產(chǎn)生電路僅向地址產(chǎn)生器提供時(shí)鐘源，使其作"+1"操作，這樣存儲(chǔ)器地址遞增翻轉(zhuǎn)。當(dāng)觸發(fā)邏輯被觸發(fā)后，時(shí)序產(chǎn)生電路使能記錄長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器工作，并提供采樣時(shí)鐘作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘源。記錄長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器到用戶設(shè)定的記錄長(zhǎng)度時(shí)，時(shí)序產(chǎn)生電路就關(guān)斷時(shí)鐘開(kāi)關(guān)，使存儲(chǔ)器停止翻轉(zhuǎn)，同時(shí)向PC 機(jī)申請(qǐng)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(shí)，時(shí)序產(chǎn)生電路又根據(jù)PC104 總線讀取操作提供存儲(chǔ)器讀出地址翻轉(zhuǎn)時(shí)鐘，將存儲(chǔ)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(zhǎng)度計(jì)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(dòng)地不斷抓取波形；外輸入觸發(fā)需要一個(gè)外輸入TTL 邏輯信號(hào)， 待設(shè)定的邏輯信號(hào)沿到來(lái)時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)；信號(hào)電平觸發(fā)是根據(jù)被采集信號(hào)的幅度值到或超過(guò)設(shè)定的電平值時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)。信號(hào)電平觸發(fā)的實(shí)現(xiàn)通過(guò)高速邏輯信號(hào)比較器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)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(zhǎng)度計(jì)數(shù)器相互結(jié)合使用。地址產(chǎn)生器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙向環(huán)形計(jì)數(shù)器， 其順時(shí)針?lè)较虻刂愤f增數(shù)據(jù)寫(xiě)入，逆時(shí)針向地址遞減數(shù)據(jù)讀出。

計(jì)算機(jī)通過(guò)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(shí)使用，每個(gè)顯示器卡有一通道號(hào)，軟件逐個(gè)設(shè)置好各通道狀態(tài)后可以同時(shí)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(shí)刻采樣記錄。PC 機(jī)可通過(guò)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(dòng)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(dòng)電源完成5 V 到-20 V 的轉(zhuǎn)換， 作為液晶驅(qū)動(dòng)電源。

當(dāng)計(jì)算機(jī)把指令代碼寫(xiě)入指令輸入緩沖器內(nèi)（此時(shí)A0=1），緊跟著寫(xiě)入指令的參數(shù)（此時(shí)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(xiě)入一條新的指令時(shí)，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(lái)。計(jì)算機(jī)可用寫(xiě)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(xiě)入，且參數(shù)寫(xiě)入的順序不能改變，也不能省略。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)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(jì)要求，顯示卡工作正常，整個(gè)控制電路完成預(yù)期的功能，滿足電動(dòng)投彈器檢測(cè)要求。

解決PC104 總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問(wèn)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(jiǎn)單、易于開(kāi)發(fā)，但其傳輸速率較慢。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明基于PC104 總線投彈信號(hào)顯示卡的設(shè)計(jì)能克服以上設(shè)計(jì)缺陷，特別是能充分滿足便攜式設(shè)計(jì)特點(diǎn)的要求，適應(yīng)維修訓(xùn)練要求。

投彈信號(hào)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(hào)的顯示，對(duì)于改進(jìn)投彈裝備故障檢測(cè)方式具有重大意義。通過(guò)對(duì)信號(hào)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。