基于PC104總線的實時信號采集處理系統(tǒng)

摘要：為了滿足外場裝備檢測裝置的便攜化和信號采集的實時化要求，基于PC104總線的高效數(shù)據(jù)傳輸特點，采用了上位機控制板和信號采集板相結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)搭建方法，在信號采集板中通過FPGA控制邏輯實現(xiàn)了多通道開關(guān)、信號調(diào)理電路和A／D轉(zhuǎn)換器的配置，并把采集的信號數(shù)據(jù)傳輸給上位機控制板進行實時顯示。應(yīng)用結(jié)果表明，該實時信號采集處理系統(tǒng)操作簡單，具有較高的實時性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：PC104；FPGA；數(shù)據(jù)采集；嵌入式系統(tǒng)；邏輯控制

0 引言
PC104是嵌入式工控機的一種，其外部總線接口為PC104總線。使用堆疊的方式可以將多個PC104主板結(jié)合到一起，并通過螺栓固定，保證系統(tǒng)的牢固可靠，應(yīng)對惡劣的使用環(huán)境。由于PC104具有功耗低，體積小，擴展性高，功能強大等優(yōu)點，其已經(jīng)在航空航天、軍用武器裝備、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的使用。
在對武器裝備進行測試維護時，經(jīng)常需要對設(shè)備中的各類模擬信號進行分析，從而對武器系統(tǒng)的運行情況做出判斷。目前常見的測試設(shè)備往往實時性不高，無法更多地進行人機交互。同時由于測試設(shè)備體積過于龐大，并不方便在外場對武器裝備進行直接的測試和維護。隨著現(xiàn)階段軍用裝備外場測試的信息化程度逐漸提高，迫切需要研制出體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的便攜式實時測試設(shè)備。
目前主流的實時信號采集方式是通過高速A／D轉(zhuǎn)換器件來完成的，其優(yōu)點是信號精度高，實時的信號采集帶來了大量的數(shù)據(jù)需要處理，對后端的信號處理系統(tǒng)提出了較高的要求。因此本文搭建了基于PC104總線的實時信號采集處理系統(tǒng)，憑借FPGA的高速處理能力控制A／D轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)的采集，并通過PC104總線將數(shù)據(jù)提供給上位機完成用戶對實時信號的監(jiān)測。

1 總體設(shè)計方案
本文的實時信號采集處理系統(tǒng)主要包括信號采集板和上位機控制板2部分，兩者之間通過PC104總線進行通信。上位機控制板以CPU為核心，擴展出VGA，RJ45等人機交互所需要的外圍設(shè)備接口。信號采集板主要包括了FPGA邏輯控制、A／D轉(zhuǎn)換器、通道選擇開關(guān)、前端信號調(diào)理器等。實時信號采集處理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

信號采集處理系統(tǒng)進行工作時，上位機控制板的CPU通過PC104總線向底層信號采集板發(fā)送命令，對其工作參數(shù)進行設(shè)置。CPU與FPGA之間通過地址和數(shù)據(jù)總線完成命令及數(shù)據(jù)的交互。多通道選擇開關(guān)對外部輸入的模擬信號進行通道選擇，在信號調(diào)理芯片對模擬信號進行相應(yīng)的預處理之后，在FPGA的邏輯控制下由A／D轉(zhuǎn)換器完成信號的采集。FPGA通過PC104總線實時地將采集的信號數(shù)據(jù)傳輸給CPU，通過運行在上位機控制板的應(yīng)用程序完成數(shù)據(jù)的最終分析和處理。信號采集處理系統(tǒng)可以通過FPGA邏輯控制模塊靈活地調(diào)整采樣速率，來滿足多種信號不同速率的采樣要求。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
2．1 上位機控制板
本系統(tǒng)采用深圳盛博公司的PC104模塊SCM9022作為上位機控制系統(tǒng)硬件平臺，其處理器為英特爾凌動N455處理器，使用了1 GB的DDR3內(nèi)存，支持2 GB的SSD和1路SATA接口，支持2個100 Base-T以太網(wǎng)口，具有8路GPIO接口和6個串口，4個USB 2．0接口，標準鼠標鍵盤接口，支持18位的LVDS和VGA顯示。SCM9022的硬件資源可以滿足對所需要采集信號的處理，用戶可以方便地使用其通用的外設(shè)接口完成必要的人機交互。上位機控制板包括了64針腳的雙排單列插針J1和40針腳的雙排單列插針J2，總共104根信號總線。上位機控制板是標準的PC104模塊，其尺寸為96 mmx90 mm。當工作在8 b數(shù)據(jù)模式下時，J2的針腳信號無效，只有J1針腳有效；當工作在16 b數(shù)據(jù)模式下時，J1和J2所有針腳都有效。在104個針腳中，包括了16個數(shù)據(jù)針腳，7個鎖存地址針腳，20個地址針腳，32個控制針腳，14個地線和電源線，1個14 MHz的OSC，1個8 MHz的BCLK。其中，SA[0．．11]為地址總線；SD[0．．7]為數(shù)據(jù)總線；IOR為輸入／輸出接口的讀控制，低電平有效；IOW為輸入／輸出接口的寫控制，低電平有效；DATA為串行數(shù)據(jù)；BALE為地址鎖存信號；CLK為移位脈沖；SY-CLK為總線時鐘；IOCHADY為輸入／輸出接口的準備就緒信號，該信號由集電極開路門或三態(tài)門驅(qū)動，低電平時處于無效狀態(tài)，表示輸入／輸出接口設(shè)備需要將總線的周期延長。時序如圖2所示。

2．2 信號采集板
為了能快速高效保證上位機控制板與信號采集板之間的PC104總線數(shù)據(jù)通信，底層的信號采集板使用了Altera公司的CycloneⅢ系列FPGA芯片EP3C25F256C7N，通過控制邏輯來按照PC104總線的時序進行數(shù)據(jù)傳輸。該芯片具有200 Kb邏輯單元、8 Mb嵌入式存儲器以及396個嵌入式乘法器能夠在控制信號采集芯片的同時，將采集的信號數(shù)據(jù)傳輸給上位機。需要注意的是，由于PC 104總線的針腳都是5 V電平，而FPGA芯片采用了3．3 V的電平信號，所以在信號采集板上使用了74LVH162245芯片對電平進行轉(zhuǎn)換，調(diào)整電氣特性，完成由TTL電平向LVTTL電平的轉(zhuǎn)換，并增強驅(qū)動能力。在信號的采集過程中，由于外部的多路模擬輸入信號往往比較微弱，其電平的幅度很小，為了保證A／D轉(zhuǎn)換模塊采集到足夠強的信號幅度，在信號采集板中使用了放大器INA103把輸入信號進行調(diào)理放大到0～10 V之間。INA103是由BB公司生產(chǎn)的低功率增益可調(diào)通用儀器放大器，其具有高精度寬帶寬的特點。在增益為100時，對應(yīng)的帶寬仍達到200 kHz。該芯片采用了可調(diào)電阻調(diào)整放大倍數(shù)，具體公式如式(1)所示：
G=1+6 kΩ／R (1)