介紹了一個基于PC104 的數據采集與檢測電路的設計，它完成A/D 數據采集、D/A 數字/模擬轉換、數字量輸入/輸出、信號顯示卡以及LCD 顯示器的控制等功能。PC104 總線信號檢測電路對于改進裝備故障檢測方式具有重大意義。通過對信號波形顯示原理以及顯示方法的分析，確定了具體的實際方案，完成了功能電路的設計；采用專用接口芯片結合CPLD 的方法實現了PC104 總線的接口協議以及邏輯控制電路；檢測系統電路在實際測試過程中能穩定工作，滿足設計指標要求。

數據采集與檢測電路是電動投彈器故障診斷系統中的重要組件，主要完成系統工作過程中采集信號的顯示和診斷流程的指示，是重要的人機對話窗口的執行部件。因此，檢測電路功能的好壞，直接關系到整個系統最終能否完成工作。

為了保證系統的可靠性和輕便性，采用了PC104 工業控制計算機系統，顯示采用投彈信號顯示卡與小型的液晶顯示器（LCD）。

1 檢測系統電路的功能

PC/104 在國際上十分流行， 被IEEE 協會定義為IEEEP996.1.IEEE-P996 是PC 和PC/AT 工業總線規范，是一種優化的、小型堆棧式結構的嵌入式控制系統，適應于攜便的測量系統。PC/104 基本上是PC ISA 總線的重新包裝。它提供一種機制，將PC 技術嵌入到結實而空間有限的環境中。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 規范的586 工控機為核心，實現電動投彈器的控制、數據采集、數據處理、結果打印和存儲功能，系統原理框圖如圖1 所示。接收機的模擬輸出信號和接收機的狀態信息分別由A/D 轉換器采集和8 位數字輸入端口送入到計算機中；接收機的增益由D/A 轉換器輸出的模擬電壓控制，接收機的通道選擇和狀態切換由8 位數字量輸出端口輸出的信號控制；液晶顯示器的控制通過并行端口完成， 信號顯示系統將顯示的信息輸入到液晶控制器，由液晶控制器實現顯示的控制。

圖1 電動投彈器數據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、信號控制器接口、8 位數據輸入和輸出口。8 路A/D采用MAX197 芯片；3 路D/A 由兩片DAC1210 和一片MAX501 實現；LCD 接口與投彈信號顯示卡連接， 控制液晶顯示屏；輸入、輸出口分別采用74HC245 八位雙向總線收發器和74HC377 八位鎖存器。

2 系統電路設計與實現

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SA0-SA9 低10 位地址進行譯碼。PC 機內部地址從300H-35FH 為空地址，因此本系統各端口的地址分配也要符合這一規定。

當CPU 總線在非DMA 讀寫周期，AEN 信號為低電平時選通1/2 片74HC139, 當地址線SA5 和SA8 為高電平，74HC139 第5 腳輸出低電平， 同時SA6 為低電平，SA9 為高電平時，74HC138 就被選通。設計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 個地址，同時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。

2.2 總線的驅動電路

由于PC/104 總線驅動能力只有4 mA,達不到設計的要求，故采用了一片74HC245 對SD0-SD7 進行驅動，同時采用一片74HC32 對PC/104 總線的SA0、IOW（寫信號）、IOR（讀信號） 進行驅動。在總線的讀周期， 總線的讀信號變低，使74HC245 的DIR 變低，74HC245 數據傳輸方向由B 到A,PC/104 的總線就可以從外部端口讀入數據； 在寫周期則剛好相反，使DIR 變高，74HC245 數據傳輸方向由A 到B,PC/104 的總線可以往外部端口寫數據。經過74HC245 后總線驅動能力可滿足系統要求。

SA0、IOW（寫信號）、IOR（讀信號）的驅動是分別經過一個或門與地相或后輸出，輸出信號與原信號的TTL 電平是一樣的，但驅動能力提高了。

2.3 A/D 變換電路

數據采集是通過A/D 轉換電路實現由模擬信號轉化為數字信號的過程，A/D 轉換電路選用了MAX197 芯片。

MAX197 是一個12 位的8 輸入通道A/D 轉換器。線性度達1/2 LSB,+5 V 單電源供電，可通過編程選擇輸入電壓范圍：±10 V、±5 V、0-10 V 或0-5 V,輸入過壓保護可達±16.5 V,可工作在內采樣或外采樣模式，轉換時間為6 μs.參考源可用內部4.096 V 或外接參考源。時鐘方式可選用內時鐘或外時鐘。MAX197 通過8+4 并行接口實現12 位數據傳輸。它的A/D 轉換功能就是將由軟件選擇的通道的輸入電壓轉換成12 位數字量，以補碼的形式，分別將低8 位、高4 位由一個8位并行口分時輸出。A/D 轉換電路如圖2 所示。

圖2 A/D 電路原理圖

2.4 D/A 轉換電路

D/A 轉換電路采用了3 路D/A 轉換器， 由一片MAX501和兩片DAC1210 組成，電路原理圖如圖3 所示。

圖3 D/A 轉換電路

MAX501 是一個12 位的電壓輸出型D/A 轉換芯片，線性度達1/2 LSB,±5 V 雙電源供電，片內包含有精密的輸出緩沖放大器，用來提供電壓輸出。MAX501 是8 位的數據總線，8+4 位數據由CSMSB、CSLSB 及WR 控制。其內部有一個12位輸入寄存器和12 位DAC 寄存器，DAC 采用反相R-2R 梯形電阻網絡， 將12 位數字輸入信號轉換為與基準源成比例的等效模擬輸出電壓。誤差范圍為±3 LSB.MAX501 的控制十分簡單，僅須將低8 位數據和高4 位數據寫入（順序沒有要求），再控制它將12 位數據寫入D/A 寄存器即可自動開始D/A 轉換。

DAC1210 是12 位D/A 轉換器， 輸入寄存器是一個8 位寄存器和一個4 位寄存器， 便于與8 位CPU 相連接。

DAC1210 為電流輸出型轉換器， 應用時需要電流-電壓轉換電路，使電流變為電壓輸出。電路中采用負電壓參考源，設計電流-電壓轉換電路的輸出為正電壓。電路中采用TL082 作為轉換電路， 它是通用JFET 輸入雙運算放大器， 采用高壓JFET 管作為輸入級，具有高阻抗、低偏置電流的特點，具有較寬的帶寬和較高的壓擺率。

D/A 轉換電路的參考電壓由LM336-5.0 提供，LM336-5.0 相當于一個穩壓二極管，2 腳接高電壓，3 腳接低電壓，1腳是可調端。當電流滿足要求600 μA~10 mA 時，2 腳與3 腳之間電壓差就保持恒定的5 V.

2.5 數據輸入/輸出口

8 位數據量的輸入采用74HC245 雙向總線收發器。

74HC245 內含8 個具有三態輸出的雙向總線收發器，由方向控制端（DIR）確定數據傳送方向。DIR 為低電平，數據傳送方向由B 到A,輸出允許端（G）由地址318H 與IOR 信號經或門后共同控制，當CPU 讀地址318H 時，或門兩個輸入端均為低電平， 輸出則為低電平，74HC245 的輸出允許端低電平有效，實現8 位數據的讀入。

8 位數據量的輸出要求具有鎖存功能， 設計中采用了74HC377 作為8 位鎖存器，它內含8 個具有三態輸出的D 型上升沿觸發的觸發器。G 用來控制8 個輸出處于常規邏輯（高電平或低電平）或高阻態。當G 為高電平時輸出Q 為高阻態，但觸發器內部運算不受影響。輸入端D 的數據在CLK 上升沿作用下送到Q.當CPU 往地址314H 寫數據時，G 為低電平， 在IOW 信號上升沿將系統總線的數據鎖存到對應的Q端，實現了8 位數據的輸出鎖存。

2.6 信號顯示卡

信號顯示卡是投彈嵌入式故障診斷系統中的重要組件，主要完成系統工作過程中采集信號的顯示和診斷流程的指示，是重要的人機對話窗口的執行部件。該顯示卡的硬件電路主要由輸入匹配網絡、模數轉換單元、時鐘產生電路、時序產生電路、控制信號產生模塊和顯示單元組成，如圖4 所示。

輸入的模擬信號經緩沖放大以后進入模數變換器AD9054,其最高采樣速率為200 Mb/s,具有380 MHz 的模擬輸入帶寬。它有兩個采集數據輸出端口（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 轉換后輸出的數據經兩路鎖存器鎖存以滿足后續存儲器的高速寫入。

如圖4 所示，系統時序產生控制電路產生系統時鐘并協調系統各部分工作步驟，它根據A/D 變換采樣時鐘以及A/D變換器輸出接口時序的要求，產生鎖存器的鎖存時鐘，并以適當的延遲量提供存儲器的讀寫脈沖。時序產生電路還提供地址產生器和記錄長度計數器的計數時鐘。系統初始化后，A/D 變換就開始進行，采集到的數據不斷寫入存儲器，這時時序產生電路僅向地址產生器提供時鐘源，使其作"+1"操作，這樣存儲器地址遞增翻轉。當觸發邏輯被觸發后，時序產生電路使能記錄長度計數器工作，并提供采樣時鐘作為計數時鐘源。記錄長度計數器到用戶設定的記錄長度時，時序產生電路就關斷時鐘開關，使存儲器停止翻轉，同時向PC 機申請數據傳輸。當PC 機以某種形式讀取采集數據時，時序產生電路又根據PC104 總線讀取操作提供存儲器讀出地址翻轉時鐘，將存儲器的內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 中觸發邏輯、記錄長度計數器和地址產生器密切配合使系統按設定的方式工作。觸發方式由軟件觸發，示波器卡一經運行就自動地不斷抓取波形；外輸入觸發需要一個外輸入TTL 邏輯信號， 待設定的邏輯信號沿到來時產生觸發；信號電平觸發是根據被采集信號的幅度值到或超過設定的電平值時產生觸發。信號電平觸發的實現通過高速邏輯信號比較器實時監測A/D 變換器的輸出結果，當比較結果大于或小于設定基準值時產生觸發。為了能夠實現預期觸發，地址產生器和記錄長度計數器相互結合使用。地址產生器實質上是一個雙向環形計數器， 其順時針方向地址遞增數據寫入，逆時針向地址遞減數據讀出。

計算機通過PC104 總線設置顯示卡的工作方式和讀取采集到的數據。為了多通道同時使用，每個顯示器卡有一通道號，軟件逐個設置好各通道狀態后可以同時或分別使能觸發。各通道的外觸發輸入可用于多通道在同一觸發時刻采樣記錄。PC 機可通過I/O、DMA、中斷等多種方式與顯示卡進行通訊或采樣數據讀取。

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、液晶驅動電源電路、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

液晶驅動電源完成5 V 到-20 V 的轉換， 作為液晶驅動電源。

當計算機把指令代碼寫入指令輸入緩沖器內（此時A0=1），緊跟著寫入指令的參數（此時A0=0）。帶參數的指令代碼的作用之一就是選通相應參數的寄存器，任一條指令的執行（除SLEEPIN,CSRDIR,CSRR 和MERAD 外） 都發生在輸入完附屬參數之后。當寫入一條新的指令時，DPK174@1335-1/-2 將在舊指令參數組運行完成之后等待新參數的到來。計算機可用寫入新參數與余下的舊參數有效地組合成新的參數組。指令參數必須全部寫入，且參數寫入的順序不能改變，也不能省略。

3 結論

經過調試，A/D 轉換器和D/A 轉換器的精度達到設計要求，顯示卡工作正常，整個控制電路完成預期的功能，滿足電動投彈器檢測要求。

解決PC104 總線數據傳輸的瓶頸問題，合理分配硬件資源。PC104 總線的突出優點是結構簡單、易于開發，但其傳輸速率較慢。通過實際應用證明基于PC104 總線投彈信號顯示卡的設計能克服以上設計缺陷，特別是能充分滿足便攜式設計特點的要求，適應維修訓練要求。

投彈信號顯示卡是將基于PC104 總線的虛擬儀器技術應用于通用投彈診斷組合中信號的顯示，對于改進投彈裝備故障檢測方式具有重大意義。通過對信號波形顯示原理以及顯示方法的分析，實現了PC104 總線的接口協議以及邏輯控制電路。