基于PC104總線的實時信號采集處理系統

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總線的高效數據傳輸特點，采用了上位機控制板和信號采集板相結合的嵌入式系統搭建方法，在信號采集板中通過FPGA控制邏輯實現了多通道開關、信號調理電路和A/D轉換器的配置，并把采集的信號數據傳輸給上位機控制板進行實時顯示。應用結果表明，該實時信號采集處理系統操作簡單，具有較高的實時性和穩定性。

關鍵詞： PC104； FPGA； 數據采集； 嵌入式系統； 邏輯控制

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0150?03

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主板結合到一起，并通過螺栓固定，保證系統的牢固可靠，應對惡劣的使用環境。由于PC104具有功耗低，體積小，擴展性高，功能強大等優點，其已經在航空航天、軍用武器裝備、工業控制等領域得到了廣泛的使用[1?2]。

在對武器裝備進行測試維護時，經常需要對設備中的各類模擬信號進行分析，從而對武器系統的運行情況做出判斷。目前常見的測試設備往往實時性不高，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、結構緊湊的便攜式實時測試設備[3]。

目前主流的實時信號采集方式是通過高速A/D轉換器件來完成的，其優點是信號精度高，實時的信號采集帶來了大量的數據需要處理，對后端的信號處理系統提出了較高的要求。因此本文搭建了基于PC104總線的實時信號采集處理系統，憑借FPGA的高速處理能力控制A/D轉換器完成數據的采集，并通過PC104總線將數據提供給上位機完成用戶對實時信號的監測。

1 總體設計方案

信號采集處理系統進行工作時，上位機控制板的CPU通過PC104總線向底層信號采集板發送命令，對其工作參數進行設置。CPU與FPGA之間通過地址和數據總線完成命令及數據的交互。多通道選擇開關對外部輸入的模擬信號進行通道選擇，在信號調理芯片對模擬信號進行相應的預處理之后，在FPGA的邏輯控制下由A/D轉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據傳輸給CPU，通過運行在上位機控制板的應用程序完成數據的最終分析和處理。信號采集處理系統可以通過FPGA邏輯控制模塊靈活地調整采樣速率，來滿足多種信號不同速率的采樣要求。

2.2 信號采集板

3 軟件系統設計

實時信號采集處理系統的軟件部分包括了信號采集板的FPGA控制邏輯和上位機控制板運行的應用程序。信號采集板在FPGA控制邏輯下實現了信號的采集和傳輸，上位機控制板通過應用程序完成人機界面的交互和數據控制處理。

3.1 FPGA控制邏輯的設計

FPGA控制邏輯是整個數據采集過程的核心部分，它所實現的功能包括：對多路選通開關ADG508A的控制，對地址總線進行譯碼，對A/D轉換模塊ADS7805的控制，將采集的數據在FIFO中進行存儲等。FPGA控制邏輯工作時的操作時序如圖4所示，其在一個總線操作周期內的工作流程按如下順序進行：

（1）FPGA上電后，首先進行全局復位，數據總線設置為三態，地址鎖存清零。

（2）等待BALE信號進入下降沿的有效狀態，對PC104的地址總線進行鎖存。

（3）等待IOR/W信號有效，對地址進行解碼，將鎖存的地址信息譯碼。

（4）對地址進行比對，若比對正確則準備就緒，若比對不正確則將地址鎖存器清零，數據總線設置為三態。

（5）等待PC104數據周期有效時，接收上位機控制板傳輸過來的動作命令數據。

（6）控制INA103芯片對輸入的模擬信號進行調理。

（7）控制ADG508A芯片進行通道選擇。

（8）控制AD7805芯片開始進行數據采集。

（9）以輸入輸出端口的OE信號為觸發脈沖，對所采集的信號數據進行鎖存控制。

（10）等待OE信號拉低，采集數據的鎖存結束，將數據通過總線傳輸給上位機控制板。

（11）等待數據傳輸周期結束，將地址鎖存清零，數據總線設置為三態。

（12）等待下一個時鐘周期到來，再次重復進行讀寫操作。

4 結 語

本文基于PC104總線，采用了上位機控制板和信號采集板相結合的方式，實現了用戶對信號的實時采集和處理。信號采集板的所有控制功能由FPGA芯片來完成，大大減少電路板的器件數量，同時降低了系統成本，提高系統的可靠性。運行在上位機控制板嵌入式操作系統的應用程序完成了采集數據的實時顯示及用戶命令的配置，使用戶在使用時可以直觀的了解整個系統的工作狀況，并根據現場需要對信號采集的工作參數進行調整。該實時信號采集系統具有較低的功耗、穩定的性能、精簡的體積、和優良的抗震性能，其已經作為某型裝備的便攜式外場檢測設備進行了實地應用，整體運行可靠穩定，具有較廣的推廣前景和較好的軍事經濟效益。

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