基于80C196的脈沖信號(hào)采集卡的設(shè)計(jì)

在雷達(dá)、聲納及工業(yè)控制領(lǐng)域中的故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，往往需要采集雷達(dá)、聲納的回波信號(hào)或故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的故障信號(hào)。由于這些信號(hào)是隨機(jī)出現(xiàn)的，并且這些信號(hào)的幅度、脈寬及形狀相差較大。有些信號(hào)脈寬可能很窄，有的可能較寬，且占空比不均勻。若采用傳統(tǒng)的固定采樣速率采集方式則不能滿足實(shí)時(shí)處理要求。因?yàn)?，?duì)窄脈沖采樣，要求采樣速率很高，若采用連續(xù)采樣方法，則采集數(shù)據(jù)量太大，采集數(shù)據(jù)不能及時(shí)處理，不能滿足采集信號(hào)的實(shí)時(shí)分析或故障的實(shí)時(shí)處理的要求。為此研制一種隨機(jī)脈沖信號(hào)采集卡，其基本工作原理為：隨機(jī)脈沖信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，高速采集電路工作，無脈沖信號(hào)時(shí)，高速采集電路停止工作。由于在上述方面應(yīng)用中要求采集的隨機(jī)脈沖的平均占空比很小，因此采用該隨機(jī)脈沖信號(hào)采集卡采集的數(shù)據(jù)量不是很大，能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，并滿足上述領(lǐng)域的特殊需要。

　　1 隨機(jī)脈沖信號(hào)采集卡

　　隨機(jī)脈沖信號(hào)采集卡硬件組成框圖如圖1所示，它主要分為輸入輸出接口、幅度采集和控制、單片機(jī)運(yùn)行和控制、主機(jī)接口控制、信號(hào)重放等5個(gè)模塊電路。

　　1)輸入接口電路 該模塊電路主要包括隨機(jī)信號(hào)輸入及處理、高速A／D采樣、GPS信號(hào)輸入及分頻，其他數(shù)字信號(hào)輸入等電路。

　　2)隨機(jī)脈沖處理電路 該模塊電路可對(duì)隨機(jī)脈沖進(jìn)行放大和限幅，放大倍數(shù)不小于200倍，確保大于25 mV的隨機(jī)脈沖信號(hào)通過放大后其峰值電平接近5 V，達(dá)到TTL電平信號(hào)的要求。該信號(hào)作為采樣控制電路、脈寬測(cè)量32位時(shí)鐘電路及80C196單片機(jī)的HIS輸入電路的觸發(fā)脈沖信號(hào)，控制脈沖的采集和停止及脈寬測(cè)量電路的計(jì)數(shù)。

　　3)幅度采集和控制電路 該電路主要包括高速A／D采樣電路和采樣控制電路等。此外80C196內(nèi)部也含一個(gè)信號(hào)幅度采集電路。

　　4)高速A／D采樣電路 該電路對(duì)隨機(jī)脈沖進(jìn)行高速采樣，其采樣頻率由單片機(jī)設(shè)置。

　　5)GPS信號(hào)輸入及分頻電路 該電路是為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)也給脈寬測(cè)量的32位時(shí)鐘提供一個(gè)整點(diǎn)的復(fù)位脈沖信號(hào)。

　　6)脈沖重放電路 該電路可將采集的脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)輸出，用于顯示或聽音。

　　7)其他數(shù)字信號(hào)輸入電路 該電路包括主機(jī)給單片機(jī)提供的一些控制參數(shù)(如高速A／D的采樣率)和其他輸入的一些數(shù)字信號(hào)(如雷達(dá)脈沖的方位和載頻等數(shù)字信號(hào))。

　　8)輸出接口電路 該電路主要包括大深度的FIFO電路及狀態(tài)鎖存電路等，用于采集卡與主機(jī)接口。

　　2 工作模式

　　隨機(jī)脈沖信號(hào)采集卡有2種工作模式：一種是采用單片機(jī)完成的單一脈沖幅度的測(cè)量模式：一種是對(duì)特殊脈沖波形測(cè)量使用的脈沖幅度高速采樣模式。第1種工作模式下，脈沖幅度的測(cè)量由80C196單片機(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換電路完成，每個(gè)脈沖僅采樣測(cè)量一次。脈沖寬度及脈沖到達(dá)時(shí)間等雖然可由80C196單片機(jī)的HIS(高速輸入通道)電路等測(cè)量，但因?yàn)槠錅y(cè)量精度達(dá)不到要求，因此，外加了一個(gè)32位時(shí)間計(jì)數(shù)器及其相應(yīng)的2套鎖存器等電路用于脈沖寬度及脈沖到達(dá)時(shí)間的測(cè)量。第2種工作模式下，脈沖幅度的測(cè)量由外加的高速A／D轉(zhuǎn)換電路完成．高速A／D采樣測(cè)量電路由每個(gè)脈沖的上升沿啟動(dòng)，由脈沖的下降沿觸發(fā)一個(gè)延時(shí)電路。延時(shí)一段時(shí)間后由延時(shí)電路的下降沿停止高速A／D采樣測(cè)量電路。高速A／D采樣測(cè)量電路的采樣率可由主機(jī)根據(jù)需要設(shè)定，最高采樣速率可設(shè)定為20 MHz。脈寬及到達(dá)時(shí)間的測(cè)量與第1種工作模式相同。

　　3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)硬件電路主要包括單片機(jī)主系統(tǒng)中的隨機(jī)脈沖放大及限幅電路、脈沖幅度、脈沖寬度測(cè)量電路、高速信號(hào)采集及存儲(chǔ)電路及由EPLD等構(gòu)成的控制信號(hào)電路等。

　　3．1 隨機(jī)脈沖放大及限幅電路

　　隨機(jī)脈沖放大及限幅電路完成脈沖信號(hào)的放大、限幅及整形，以滿足TTL輸入端信號(hào)的要求。圖2為隨機(jī)脈沖放大及限幅電路，采用高速運(yùn)算放大器OPA603，其特點(diǎn)是頻帶寬且轉(zhuǎn)換速率較高，適用于脈沖放大類電路。輸入的脈沖信號(hào)通過兩級(jí)放大及限幅后。輸出的脈沖信號(hào)送到80C196的高速輸入器件的輸入端。

　　圖3為脈沖幅度及寬度測(cè)量電路示意圖。單片機(jī)(80C196)內(nèi)置的10位A／D轉(zhuǎn)換電路完成脈沖幅度的測(cè)量。由74LSl61構(gòu)成的脈沖計(jì)數(shù)電路測(cè)量脈寬。主系統(tǒng)電路負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制、采樣頻率的設(shè)置及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理及控制傳送等。其工作原理為：隨機(jī)脈沖信號(hào)(Vin)送入80C196的模擬信號(hào)輸入端ACH6，然后由80C196的內(nèi)部的10位A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換同時(shí)該隨機(jī)脈沖信號(hào)經(jīng)放大、限幅并整形后的脈沖信號(hào)(Vout)送高速輸入器件的HSI0、HSIl端，作為脈沖前后沿的觸發(fā)事件，啟動(dòng)中斷處理程序。HSI0輸入端作為脈沖信號(hào)的前沿(上升沿)事件觸發(fā)輸入端，用于讀出并記錄脈沖前沿到達(dá)的時(shí)刻及啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換；HSIl輸入端作為脈沖信號(hào)的后沿(下降沿)事件觸發(fā)輸入端，用于讀出并記錄脈沖后沿到達(dá)的時(shí)刻及讀取A／D轉(zhuǎn)換器的值。另外整形后的脈沖信號(hào)(Vout)有一路信號(hào)(CLKl)送到一組7415374(4片)的CLK端，用于鎖存74Lsl61計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值(即脈沖前沿到達(dá)的時(shí)刻)。通過反相器輸出的另一路信號(hào)(CLK2)送到另74LS374(4片)的CLK端，用于鎖存74LSl61計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值(即脈沖后沿到達(dá)的時(shí)刻)。脈沖信號(hào)的寬度即為2個(gè)計(jì)數(shù)值的差值。