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一種PC104溫度采集卡的設(shè)計(jì)
摘要：介紹了一種用于12路通道溫度采集的PC104采集卡的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)描述了實(shí)現(xiàn)通道校正、采集數(shù)據(jù)的控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程。該控制器提供了一定的數(shù)據(jù)緩沖能力和多種參數(shù)的工作方式，使得PC104采集卡的功能比較強(qiáng)大和全面，并且非常靈活。其設(shè)計(jì)思路值得以后類似的采集卡借鑒。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該采集卡的設(shè)計(jì)是成功的，并且工作可靠。PC104總線是一種出現(xiàn)已久的棧式總線，基本上屬于ISA總線的變型。模塊尺寸很�。�90mm×96mm），多個(gè)模塊通過(guò)針孔結(jié)構(gòu)堆疊而成，形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、抗沖擊性能好，加上現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的低功耗技術(shù)，使PC104總線特別適于用戶自行開(kāi)發(fā)特殊應(yīng)用產(chǎn)品。
對(duì)于低速率、高精度的測(cè)量系統(tǒng)而言，A/D芯片AD7711是個(gè)功能完事的模擬前端。它直接從傳感器接收信號(hào)，通過(guò)一個(gè)可編程的增益控制后將信號(hào)送到模擬調(diào)節(jié)器，再經(jīng)濾波后輸出一個(gè)16位的串行數(shù)字字。它的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：內(nèi)部包含有一個(gè)∑-Δ A/D轉(zhuǎn)換器，具有非常高的轉(zhuǎn)換精度；兩個(gè)通道的可編程增益前端；帶內(nèi)部SRAM的校正控制器，使得校正因子可讀可寫(xiě)；時(shí)鐘發(fā)生器；低通數(shù)字濾波器，具有可編程的通阻帶分截點(diǎn)；一個(gè)雙向串行通信端口，能較方便地與微處理器接口；可以單電壓或雙電壓供電，具有較低的功耗。
對(duì)于RTD（電阻式溫度檢測(cè)）傳感器的應(yīng)用，AD7711是一款很不錯(cuò)的選擇。本文介紹的PC104采集卡主要用于分布式溫度點(diǎn)采集測(cè)量，上面集成了12個(gè)AD7711，形成12個(gè)通道，每個(gè)通道可以輸入兩路模擬信號(hào)，其中一路為單極性輸入，另一路為雙極性輸入。
1 電路原理
PC104溫度采集卡主要由12個(gè)AD7711、通道控制器、PC104棧式連接器組成，其原理框圖如圖1所示。板卡地址輸入由撥盤開(kāi)關(guān)完成。串口E2PROM用來(lái)保存每個(gè)通道的校準(zhǔn)參數(shù)和一些板卡工作參數(shù)。另外還提供了配置ROM EPC2。
通道控制器采用Altera公司的CPLD器件FLEX10K50QC240來(lái)實(shí)現(xiàn)。PC104主機(jī)首先初始化通道控制器，通過(guò)板卡命令對(duì)板卡進(jìn)行操作，如啟動(dòng)、停止、設(shè)置工作參數(shù)（如中斷選擇、每分鐘采校次數(shù)、輸出因子等）。然后通道控制器對(duì)各個(gè)AD7711通道進(jìn)行操作，如寫(xiě)AD7711的控制寄存器、讀寫(xiě)其校準(zhǔn)寄存器里的校正因子、讀取每個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)。通道控制器的另一個(gè)功能是模擬PC104主機(jī)的指示對(duì)串口E2PROM進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并提供結(jié)果。
采樣頻率有1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、64Hz等，指定每個(gè)通道每分鐘等間隔采樣次數(shù)。板卡的控制器提供數(shù)據(jù)緩沖能力，每個(gè)采樣周期都將12個(gè)通道的數(shù)據(jù)保存在緩沖器里。在存儲(chǔ)了若干個(gè)采樣周期的數(shù)據(jù)后，向主機(jī)發(fā)出中斷，讓PC104總線讀走數(shù)據(jù)，輸出因子則指定每次中斷采樣周期的個(gè)數(shù)。板卡提供八個(gè)ISA中斷，主機(jī)可以選擇其中一個(gè)。
AD7711每次采樣16位數(shù)據(jù)，所以主機(jī)PC104總線從通道控制器讀取數(shù)據(jù)時(shí)，使用16位I/O訪問(wèn)，因此/IOCS16和SBHE信號(hào)應(yīng)當(dāng)被驅(qū)動(dòng)，而IOCHRDY則被用來(lái)插入等待周期。由于通道控制器和AD7711都采用10MHz時(shí)鐘，所以對(duì)于CPU主頻比較快的PC104總線，其ALE、/IOW、/IOR、AEN等信號(hào)的有效電平脈寬是與時(shí)鐘周期有關(guān)系的，此時(shí)它們的脈寬可能比板卡的時(shí)鐘周期100ns要小，故不能用它們直接作為時(shí)鐘使能，而應(yīng)當(dāng)利用它們的沿來(lái)鎖存地址，并觸發(fā)得到寬脈沖信號(hào)完成使能，鎖存數(shù)據(jù)。
AD7711采用自時(shí)鐘方式。SCLK提供串行時(shí)鐘輸出；SDATA是串行數(shù)據(jù)位；/DRDY的下降沿表明數(shù)據(jù)字準(zhǔn)備好，當(dāng)傳送完畢時(shí)恢復(fù)到高電平；/TFS、/RFS是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀同步信號(hào)；A0是地址輸入，表明是對(duì)AD7711控制寄存器操作，還是對(duì)AD7711數(shù)據(jù)或校準(zhǔn)寄存器操作。
圖2
2 通道控制器的設(shè)計(jì)
2．1 邏輯框圖
這里采用CPLD器件FLEX10K50QC240來(lái)實(shí)現(xiàn)通道控制器的所有邏輯。其內(nèi)部邏輯原理框圖如圖2所示。主要的功能有：①包含有若干個(gè)控制或狀態(tài)寄存器，主要用來(lái)設(shè)置工作參數(shù)和對(duì)AD7711通道進(jìn)行控制；②對(duì)AD7711的數(shù)字界面提供接口；③提供足夠的數(shù)據(jù)緩沖能力；④具有可編程的采樣時(shí)鐘發(fā)生器；⑤具有內(nèi)部RAM和控制讀取片外串口E2PROM的能力。
當(dāng)主機(jī)的PC104總線地址被驅(qū)動(dòng)時(shí)，則在ALE的下降沿鎖存地址。當(dāng)選中板卡地址時(shí)（這里以0x280～0x28f為例），則利用/IOW的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，并根據(jù)地址譯碼的不同，鎖存到不同的寄存器里。這里有四個(gè)控制寄存器，即通道操作寄存器（CtlReg,0x282）、板卡命令寄存器（CmdReg,0x286）、用于串口E2PROM和內(nèi)部RAM的存儲(chǔ)器操作控制寄存器（EepReg，其中包括用于控制的16位寄存器0x288和數(shù)據(jù)寄存器0x289）及參數(shù)寄存器（ParaReg,0x280）。由于通道操作寄存器是32位，主機(jī)對(duì)同一個(gè)口地址（如0x282）連續(xù)進(jìn)行兩個(gè)16位寫(xiě)操作，因此利用兩個(gè)連續(xù)的/IOW寫(xiě)數(shù)據(jù)。通道操作寄存器低24位是寫(xiě)入AD7711的數(shù)據(jù)，即24位控制字或校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。高8位的含義如下：
R/WF1F0CHCH3CH2CH1CH0R/W：0表示寫(xiě)，1表示讀。
F1，F(xiàn)0：00表示對(duì)AD7711控制寄存器操作，11表示對(duì)AD7711校準(zhǔn)寄存器操作，01則是讀取數(shù)據(jù)。
CHCH3CH3CH1CH0：1xxxx表示全通道操作，0xxxx表示某單通道操作。
因?yàn)榉峙浣o每塊采集卡的I/O地址空間有限，所以利用板卡命令寄存器的低8位作為參數(shù)數(shù)據(jù)，高8位作為命令/參數(shù)類型。為了穩(wěn)定可靠地鎖存數(shù)據(jù)，參數(shù)寄存器的使能信號(hào)由板卡命令寄存器寫(xiě)造中信號(hào)延時(shí)兩個(gè)野兔周期得到。參數(shù)類型是指采樣速率、輸出因子、中斷號(hào)。板卡命令寄存器高8位提供的命令有啟動(dòng)（START）、停止、同步（驅(qū)動(dòng)AD7711的/sync線）、復(fù)位、FIFO清零等命令。
圖2中的粗線表示數(shù)據(jù)的流向。通道主控器（ChnMaster）與AD7711數(shù)字界面接口，負(fù)責(zé)產(chǎn)生AD7711的所有讀寫(xiě)時(shí)序。
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