基于PC104總線的性能檢測系統(tǒng)

朱欣穎，袁煥麗

（周口師范學院物理與機電工程學院，河南周口466001）

隨動系統(tǒng)又稱為伺服控制系統(tǒng)，在誤差允許的范圍內(nèi)，隨動系統(tǒng)的輸入信號通過反饋校正電路，實現(xiàn)對輸出信號的控制[1]。在航空、軍用裝備和工程建設(shè)中，隨動系統(tǒng)具有舉足輕重的地位。如雷達的距離跟蹤系統(tǒng)，火炮目標跟蹤瞄準系統(tǒng)，各種導彈的自引系統(tǒng)等[1-2]。隨著武器裝備系統(tǒng)智能化的提高，隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也越加復雜、精密，它運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定度是武器裝備系統(tǒng)卓越性能評價的重要參考指標。武器裝備常用于外場工作，因此隨動系統(tǒng)的性能檢測設(shè)備必須精確、輕巧、便于攜帶[3]。

1 PC104嵌入式系統(tǒng)

PC104是嵌入式計算機的一種，它的片外總線接口是PC104總線[4]。數(shù)個PC104板卡可以通過堆疊方式組合到一個大小合適的機箱中，并采用螺栓固定。這樣系統(tǒng)安全、牢固，抗噪聲性能好，即使在惡略的環(huán)境中也可以有出色的表現(xiàn)。PC104嵌入式系統(tǒng)具有功耗低，效率高，體積小，可擴展等優(yōu)點，因此在航空航天、軍用武器裝備、工業(yè)控制等領(lǐng)域有著廣泛的應用[5]。

在對武器裝備進行測試維護時，經(jīng)常對設(shè)備中的各類信號進行實時的采集、處理與分析，從而對武器裝備的工作狀態(tài)做出判斷，及時了解武器的性能。以往的檢測系統(tǒng)比較笨重，攜帶不便，很難應用于野外工作的需要。同時，受外界多種噪聲的影響，動態(tài)信號的采集存在較大的誤差，且缺少人機交互環(huán)節(jié)。因此，精確性高且便于攜帶的實時檢測系統(tǒng)受到人們的廣泛關(guān)注。因此，本文設(shè)計了基于PC104總線的性能檢測系統(tǒng)，憑借PC104板卡的高速處理能力完成用戶對隨動系統(tǒng)的實時信號的監(jiān)測。

2 性能檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計

設(shè)備在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的工作狀態(tài)信號是衡量其工作性能的重要參數(shù)。性能檢測系統(tǒng)必須實時采集設(shè)備的工作狀態(tài)信號，并能及時做出分析和判斷，這些工作狀態(tài)信號引出后，不能影響隨動系統(tǒng)的正常工作，并且性能檢測系統(tǒng)要與隨動系統(tǒng)工作同步。信號由專用電纜引出后，經(jīng)信號調(diào)理設(shè)備進行預處理，再接入性能檢測系統(tǒng)。本文設(shè)計性能檢測系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析為一體的自動化設(shè)備，具有高效的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集、處理的功能。由快速運算的CPU模塊，精確地數(shù)據(jù)采集卡和高效的數(shù)據(jù)處理分析軟件組成，硬件平臺采用PC104板卡搭建。在軟件實現(xiàn)上，操作系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定并具有良好的人機交互的Windows系統(tǒng)，并采用跨平臺Visual C++開發(fā)數(shù)據(jù)分析及處理的應用軟件，Visual C++提供跨平臺的應用程序框架MFC[6]。

3 硬件平臺的實現(xiàn)

硬件環(huán)境的設(shè)計以PC104板卡作為基本組件，包括CPU、模擬采集卡、數(shù)字采集卡。這些板卡通過PC104總線連接，采用標準的固定孔將這些固定在封閉的機箱中，形成堆疊式的緊湊結(jié)構(gòu)，并具有良好的抗噪聲性能，硬件設(shè)計電路圖如圖1所示

圖1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計圖Fig.1 System hardware block diagram

3.1 硬件選型

3.1.1 CPU主板

CPU主板采用盛博SCM/LX-3160（圖2）。SCM/LX-3160是一款高性能的“ALL IN ONE”PC104中央處理器。CPU采用AMD Geode LX 800，工作主頻可以達到500 MHz，具有128KB一級高速緩存和128KB二級高速緩存。與PC/AT標準完全兼容，并遵從PC/104標準。在PC機上運行的眾多軟件全部能在以SCM/LX-3160為控制核心的嵌入式計算機系統(tǒng)中運行，這也為簡化應用軟件的設(shè)計，提高程序的可移植性。在SCM/LX-3160主板上集成了鍵盤，鼠標、USB 2.0、串口、并口、2個10/100BaseT以太網(wǎng)平板顯示等接口，在其狹小的極小空間里實現(xiàn)PC機幾乎所有的功能。根據(jù)工程的需要，在SCM/LX-3160可以擴展不同的板卡，用戶很容易實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的需求。

圖2 PC104-SCM/LX-3160CPU主板Fig.2 PC104-SCM/LX-3160 CPU mainboard

3.1.2 模擬量采集卡

模擬量采集卡選用的是高功效的ADT620（圖3）。ADT620是基于PC104總線的擴展板，實現(xiàn)對模擬信號的采集。通過PC104總線可將其與盛博SCM/LX-3160構(gòu)成一個高性能的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，適用于結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高的嵌入式應用。該擴展板具有八/十六個單端模擬輸入通道，12位的20微秒或10微秒A/D變換器，±5 V、±10 V或0～+10 V模擬輸入量程，支持C語言等特點。ADT620根據(jù)其特點最多可采集十六個單端模擬輸入信號，并將這些模擬信號變換成8位或12位的數(shù)字量，然后送到總線上，讀入存儲器中。信號的量化轉(zhuǎn)換是由一個12位的逐次逼近式的變換器來實現(xiàn)的，高性能的變換器以及在其前的高速采樣-保持放大器可以保能將動態(tài)輸入的模擬信號精確地數(shù)字化。

圖3 ADT-620模擬量采集卡Fig.3 ADT-620 analog signal acquisition board

3.1.3 數(shù)字量采集卡

數(shù)字信號采集卡選用CDT2000（圖4）。CDT2000也是基于PC104總線的擴展板，實現(xiàn)對數(shù)字信號的采集。與IBMPC兼容盛博SCM/LX-3160構(gòu)成高性能的數(shù)字信號采集控制系統(tǒng)。模塊結(jié)構(gòu)緊湊，非常適合便攜式應用。該擴展板具有獨立的16位8 MHz計數(shù)器/定時器，48通道基于TTL或CMOS的可編程數(shù)字量I/O，支持C語言等特點。CDT2000供電電壓僅需5 V，48個數(shù)字量I/O通道可以直接與外部信號輸出設(shè)備連接，在設(shè)定的范圍內(nèi)直接感知開關(guān)的閉合、數(shù)字事件的觸發(fā)或固態(tài)繼電器的動作。這樣，不需要擴展外圍復雜的電路，簡化了系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計。

圖4 數(shù)字信號采集卡CDT-2000Fig.4 CDT2000 digital signal acquisition board

3.2 信號的采集與轉(zhuǎn)換

某型自行火炮的隨動系統(tǒng)有兩部分高低隨動系統(tǒng)和方位隨動系統(tǒng)組成，方位系統(tǒng)驅(qū)動火炮炮筒的水平平移，高低系統(tǒng)驅(qū)動炮塔的升降，測量和控制炮筒的高低射角[7]。兩者的工作原理相同，在運轉(zhuǎn)中它們產(chǎn)生的工作狀態(tài)信號必須經(jīng)過預處理才能接入性能檢測系統(tǒng)（如圖5所示），防止電信號量程過大而燒毀PC104擴展板。模擬信號如電源信號，位置控制信號需經(jīng)過信號調(diào)理電路的隔離分壓板進行濾波、隔離、分壓，轉(zhuǎn)換至ADT620合適的量程后，再接入性能檢測系統(tǒng)。數(shù)字信號是隨動控制箱工作狀態(tài)信號，以高低電平的形式存在。數(shù)字信號經(jīng)過信號調(diào)理設(shè)備的光電隔離控制板，轉(zhuǎn)煥至TTL電平后再接入CDT2000，CDT2000可以直接感知電平的閉合。

圖5 總體連接圖Fig.5 Collection of overall structure diagram

4 軟件設(shè)計

圖6 A/D轉(zhuǎn)換流程圖Fig.6 Flow chart of the A/D conversion system

本系統(tǒng)的運行環(huán)境是Windows XP系統(tǒng)，在可視化的操作環(huán)境下，可以很好地實現(xiàn)人機交互。開發(fā)工具是Visual C++，它提供封裝了大量API函數(shù)的MFC函數(shù)庫，這可以大大簡化應用程序的開發(fā)周期。應用程序采用面向?qū)ο蟮腃++語言來設(shè)計，總體分為采集卡驅(qū)動模塊和性能檢測模塊。C++語言最大的特點是支持類與對象[8]，將各個模塊分別封裝，形成采集卡操作類和性能檢測類。

4.1 采集卡初始化

盛博公司的數(shù)據(jù)采集卡為程序設(shè)計者提供了豐富的外包函數(shù)。對采集卡的操作涉及到數(shù)據(jù)存儲單元的地址，數(shù)據(jù)的讀寫函數(shù)，動態(tài)鏈接庫等問題。在Visual C++中建立基于MFC對話框的工程，設(shè)計采集卡操作類，對用戶不可見，保障程序的安全性。利用對象調(diào)用動態(tài)鏈接庫中的外包函數(shù)，可以很方便的對采集卡的操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫與顯示。流程圖如圖6所示，系統(tǒng)上電后，采集卡初始化，判斷打開的是哪一個采集卡。ADT620打開設(shè)定模擬輸入通道范圍，啟動AD轉(zhuǎn)換，將AD值保存到全局數(shù)組中；CDT2000打開，直接感知高低電平，兩者都為性能檢測模塊提供分析數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)處理與顯示

性能檢測模塊實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的分析處理，這部分設(shè)計的是否合理，直接影響到系統(tǒng)的總體性能。性能檢測就是根據(jù)隨動系統(tǒng)的工作狀態(tài)信號來判斷其性能是否良好。因此，檢測必須和隨動系統(tǒng)的工作進程同步，分別對高低隨動系統(tǒng)和方位隨動系統(tǒng)進行檢測。建立信號檢測對話框，作為人機交互的友好界面，并生成高低系統(tǒng)檢測類和方位系統(tǒng)檢測類。消息映射是Visual C++開發(fā)工具的基本特征，考慮到動態(tài)信號存在延時問題，信號采集讀取以定時查詢消息方式來實現(xiàn)。MFC提供大量的API函數(shù)，通過SetLedlightStatue（）等函數(shù)的調(diào)用實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析與顯示。高低系統(tǒng)工作時，先檢測電源信號，然后檢測指令信號和工作狀態(tài)信號。方位系統(tǒng)檢測與高低系統(tǒng)檢測基本原理一致。

5 結(jié)果分析

性能檢測系統(tǒng)設(shè)計完成后，通過專用電纜與某自行火炮隨動系統(tǒng)的信號調(diào)理設(shè)備相連接。通電復位，系統(tǒng)先進行自檢，檢測電路連接是否正常。隨動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，信號引出、預處理、采集、轉(zhuǎn)換，交給應用程序分析讀取。方位檢測界面如圖7所示，高低檢測與方位檢測類似。

圖7 系統(tǒng)檢測界面Fig.7 Testing result of diagram

6 結(jié)束語

本檢測系統(tǒng)采用基于PC104總線的CPU和數(shù)據(jù)采集板相結(jié)合的方式，通過Visual C++開發(fā)工具實現(xiàn)了用戶對信號的實時采集、處理、分析與顯示。信號采集的所有控制功能由PC104采集擴展板完成，大大精簡外圍電路的設(shè)計。硬件設(shè)計采用數(shù)量少且效率高的開發(fā)元件，降低了系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。運行在Windows XP操作系統(tǒng)的應用程序?qū)崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)的分析與顯示，Visual C++與Windows XP提供的友好界面使用戶可以直觀的了解整個隨動系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀況。C++語言是有C語言的特點，這對硬件驅(qū)動程序的編寫非常有利。同時C++語言最主要的特點是面向?qū)ο?，根?jù)各模塊建立相應的類，并進行封裝，使軟件整體運行可靠穩(wěn)定。該檢測系統(tǒng)具有功耗低，體積小，抗噪性能優(yōu)良，穩(wěn)定性高等優(yōu)點，在應用中具有有良好的推廣前景和顯著的軍事經(jīng)濟效益。

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