基于PC104的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

1 引言

　　隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到家用市場(chǎng)、工業(yè)市場(chǎng)、商業(yè)市場(chǎng)、通訊市場(chǎng)和國(guó)防市場(chǎng)。PC104是一種嵌入式平臺(tái)，該平臺(tái)與IBM的PC機(jī)兼容，具有靈活的可擴(kuò)展性，其小巧的尺寸非常適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用?，F(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集要求高速，高精度，需要一個(gè)處理能力強(qiáng)的嵌入式平臺(tái)，PC104正好符合這一要求。

　　本文基于PCM-3350型PC104嵌入式開發(fā)平臺(tái)，采用MAX1308AD轉(zhuǎn)換芯片,設(shè)計(jì)了一個(gè)16通道，最高采集速度可達(dá)1Msps,分辨率為12bit,能夠進(jìn)行通道掃描采集和單通道采集的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由放大電路、光耦隔離電路、多路選擇開關(guān)、帶采樣保持器的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘電路、CPLD控制電路、數(shù)據(jù)緩存（FIFO）等部分組成，總結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

2.1 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集電路

　　A/D轉(zhuǎn)換選用max1308AD芯片，它是一種采樣速率最高可達(dá)1Msps，分辨率為12bit的采集芯片，多達(dá)8個(gè)通道的同時(shí)采樣，+5V模擬電源，+3V至+5V數(shù)字電源，其硬件系統(tǒng)連接如圖2所示：

圖2 max1308AD硬件連接

　　2.2 FIFO存儲(chǔ)電路

　　FIFO電路芯片選用IDT公司的IDT7203，它是一個(gè)雙端口的存儲(chǔ)緩沖芯片，具有2048×9 的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，具有12ns 的高速存取時(shí)間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，并具有控制端、標(biāo)志端、擴(kuò)展端和內(nèi)部RAM 陣列，內(nèi)部讀、寫指針在先進(jìn)先出的基礎(chǔ)上可進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)寫入和讀出。

　　2.3 CPLD控制電路設(shè)計(jì)

　　CPLD（EPM7160STC100-6）的設(shè)計(jì)是本采集系統(tǒng)的核心，它能夠?qū)C104地址總線進(jìn)行譯碼，所產(chǎn)生的邏輯控制信號(hào)對(duì)各個(gè)單元的工作狀態(tài)起控制作用。

　　數(shù)據(jù)的讀取可以采用查詢的方式。當(dāng)FIFO的空標(biāo)號(hào)有效時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)中斷，使主機(jī)停止對(duì)FIFO的讀取。在PC104 ISA部分，用到ISA的16位數(shù)據(jù)總線D[0..15]。A[0..9]是PC104的地址總線;IOW和IOR是對(duì)指定設(shè)備的讀寫信號(hào);AEN是允許DMA控制地址總線、數(shù)據(jù)總線及讀寫命令線進(jìn)行DMA傳輸及對(duì)存儲(chǔ)器和IO設(shè)備的讀寫。系統(tǒng)工作流程如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)工作流程

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作邏輯框圖如圖4所示：

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的邏輯框圖

　　其中，地址譯碼、控制器：只有地址選中該模塊時(shí)，A/D 才能工作，同時(shí)使PC104工作在16位數(shù)據(jù)線方式，A0到A3分別控制著轉(zhuǎn)換通道的選擇;啟動(dòng)觸發(fā)器：用于控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)，其操作通過寫信號(hào)和CONVST等信號(hào)進(jìn)行;中斷響應(yīng)寄存器：用于查詢A/D轉(zhuǎn)換完畢，F(xiàn)IFO為空引起的中斷。啟動(dòng)觸發(fā)器和中斷響應(yīng)寄存器都位于狀態(tài)控制器內(nèi)部;讀數(shù)據(jù)寄存器：當(dāng)FIFO不為空，在FIFO中的轉(zhuǎn)換結(jié)果直接進(jìn)人數(shù)據(jù)總線，第12位到15位 由CPLD提供，使數(shù)據(jù)與其相等再進(jìn)入16位數(shù)據(jù)總線，完成整個(gè)轉(zhuǎn)換過程。

　　2.4 采集卡的地址分配

　　由于該數(shù)據(jù)采集卡是作為PC104的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)進(jìn)行工作的。PC104規(guī)定，外設(shè)的操作地址為A[9:0],在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中要防止地址沖突。PC104中使用A0～A9地址位來表示I/O端口地址，即可有1024個(gè)口地址，前512個(gè)供系統(tǒng)板使用，后512個(gè)供擴(kuò)充插槽使用，當(dāng)A9=0時(shí)表示為系統(tǒng)板上的口地址;當(dāng)A9=1時(shí)表示擴(kuò)充插槽接口卡上的口地址[2]。

　　因此本采集的的板卡地址由A[9:3]來確定，偏移地址由地址線的A[2:0]所確定，選擇該地址就意味著相應(yīng)的操作，CPLD對(duì)地址經(jīng)過譯碼后就產(chǎn)生相應(yīng)的控制。對(duì)于板卡的地址，為了方便，還可在板卡上設(shè)置跳線。

　　采集卡的基地址分配和譯碼地址分配見表1，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡的地址范圍是：2E0H―2F7H，不會(huì)發(fā)生地址沖突。

表1：數(shù)據(jù)采集卡的地址分配及譯碼

2.5 其他部分電路設(shè)計(jì)

　　由于MAX1308內(nèi)部含有多路模擬開關(guān)，因此，采用2片MAX1308就可以進(jìn)行16個(gè)通道的同時(shí)采樣。硬件方面，為了減少延時(shí)，提高速度，將CPLD或FIFO 和數(shù)據(jù)采集部分集中到一塊四層印制電路板，然后通過連接器連接到PC104。電源部分應(yīng)將數(shù)字電源和模擬電源分開?？紤]到對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換的精度、穩(wěn)定，使用6N137光耦隔離。

3 PC104平臺(tái)

　　PC104平臺(tái)硬件采用PC/104總線標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品PCM一3350主板。它是研華新一代高速低耗PC/104系列的代表產(chǎn)品?？刂破髂K包括一個(gè)主控32位微處理器單元，具有32MRAM和內(nèi)置的非易失存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)，提供VGA，LCD顯示器接口;該模塊還具有一系列標(biāo)準(zhǔn)通訊口從而提供多種通訊方式，包括串行通訊（RS232，RS485）、以太網(wǎng)等以及一個(gè)PC104總線接口。

4 軟件設(shè)計(jì)

　　由于PC104CPU模塊支持可讀寫的固態(tài)盤，這種以半導(dǎo)體存儲(chǔ)設(shè)備來代替通常使用的磁盤驅(qū)動(dòng)器，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的功耗和成本。本系統(tǒng)中，根據(jù)固態(tài)盤的特點(diǎn)，操作系統(tǒng)軟件采用DOS6.22，以TuborC 2.O作為開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用程序采用C語言和匯編語言相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)除此在編寫軟件時(shí)，首先要設(shè)置好I/0板卡的基地址，再根據(jù)基地址來確認(rèn)其他外圍寄存器端口地址，包括讀寫端口、控制字和通道選擇等地址。

5 結(jié)束語

　　數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景。本文基于PC104的嵌入式平臺(tái)，采用MAX1308AD轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)16通道，最高采集速度可達(dá)1Msps， 分辨率為12bit的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于其小型化易攜帶的特點(diǎn)，此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可方便地用于野外作業(yè)。另外，隨著PC104加入嵌入式領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者就可以使用于桌面PC所兼容的軟件。 PC104已經(jīng)被廣大用戶證明是嵌入式領(lǐng)域的理想解決方案，尤其當(dāng)它結(jié)合了PCI總線之后，它將如虎添翼。PC/104 的發(fā)展前景非?？春?，“堆棧型PC”的前途無限光明。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：把各個(gè)電路模塊的控制信號(hào)集中到一片CPLD芯片上，采用柔性電路設(shè)計(jì)方法，增強(qiáng)了電路設(shè)計(jì)的靈活性和可開發(fā)性。