基于PC104的電動投彈器檢測系統(tǒng)電路設(shè)計與實現(xiàn)

王昊鵬，范惠林，齊 鐸

（中國人民解放軍空軍航空大學軍械系 吉林 長春 130022）

數(shù)據(jù)采集與檢測電路是電動投彈器故障診斷系統(tǒng)中的重要組件，主要完成系統(tǒng)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(zhí)行部件。因此，檢測電路功能的好壞，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)最終能否完成工作。

為了保證系統(tǒng)的可靠性和輕便性，采用了PC104工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，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(tǒng)電路的功能

PC/104在國際上十分流行，被IEEE協(xié)會定義為IEEEP996.1。IEEE-P996是PC和PC/AT工業(yè)總線規(guī)范，是一種優(yōu)化的、小型堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)，適應(yīng)于攜便的測量系統(tǒng)。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(shù)嵌入到結(jié)實而空間有限的環(huán)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(guī)范的586工控機為核心，實現(xiàn)電動投彈器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果打印和存儲功能，系統(tǒng)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(tài)信息分別由A/D轉(zhuǎn)換器采集和8位數(shù)字輸入端口送入到計算機中；接收機的增益由D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓控制，接收機的通道選擇和狀態(tài)切換由8位數(shù)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(tǒng)將顯示的信息輸入到液晶控制器，由液晶控制器實現(xiàn)顯示的控制。

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(shù)據(jù)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(xiàn)；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(fā)器和74HC377八位鎖存器。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計與實現(xiàn)

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(nèi)部地址從300H-35FH為空地址[1]，因此本系統(tǒng)各端口的地址分配也要符合這一規(guī)定。

圖1 電動投彈器數(shù)據(jù)采集與控制電路原理框圖Fig.1 Data acquisition and control circuit principle diagram of electric bombing machine

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?shù)刂肪€ 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(shè)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(qū)動電路

由于PC/104總線驅(qū)動能力只有4 mA[2]，達不到設(shè)計的要求，故采用了一片74HC245對SD0-SD7進行驅(qū)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(qū)動。在總線的讀周期，總線的讀信號變低，使74HC245的DIR變低，74HC245數(shù)據(jù)傳輸方向由B到A，PC/104的總線就可以從外部端口讀入數(shù)據(jù)；在寫周期則剛好相反，使DIR變高，74HC245數(shù)據(jù)傳輸方向由A到B，PC/104的總線可以往外部端口寫數(shù)據(jù)。經(jīng)過74HC245后總線驅(qū)動能力可滿足系統(tǒng)要求。

SA0、IOW（寫信號）、IOR（讀信號）的驅(qū)動是分別經(jīng)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(qū)動能力提高了。

2.3 A/D變換電路

數(shù)據(jù)采集是通過A/D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)由模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程，A/D轉(zhuǎn)換電路選用了MAX197芯片。

MAX197是一個12位的8輸入通道A/D轉(zhuǎn)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(nèi)采樣或外采樣模式，轉(zhuǎn)換時間為6 μs。參考源可用內(nèi)部4.096 V或外接參考源。時鐘方式可選用內(nèi)時鐘或外時鐘。MAX197通過8+4并行接口實現(xiàn)12位數(shù)據(jù)傳輸。它的A/D轉(zhuǎn)換功能就是將由軟件選擇的通道的輸入電壓轉(zhuǎn)換成12位數(shù)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(zhuǎn)換電路如圖2所示。

2.4 D/A轉(zhuǎn)換電路

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

圖2 A/D電路原理圖Fig.2 Principle diagram of A/D circuit

圖3 D/A轉(zhuǎn)換電路Fig.3 D/A transformation circuit

MAX501是一個12位的電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，線性度達1/2 LSB，±5 V雙電源供電，片內(nèi)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(shù)據(jù)總線，8+4位數(shù)據(jù)由CSMSB、CSLSB及WR控制。其內(nèi)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(wǎng)絡(luò)，將12位數(shù)字輸入信號轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)和高4位數(shù)據(jù)寫入（順序沒有要求），再控制它將12位數(shù)據(jù)寫入D/A寄存器即可自動開始D/A轉(zhuǎn)換。

DAC1210是12位D/A轉(zhuǎn)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[3]。DAC1210為電流輸出型轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用時需要電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，使電流變?yōu)殡妷狠敵?。電路中采用負電壓參考源，設(shè)計電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出為正電壓。電路中采用TL082作為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路的參考電壓由LM336-5.0提供，LM336-5.0相當于一個穩(wěn)壓二極管，2腳接高電壓，3腳接低電壓，1腳是可調(diào)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(shù)據(jù)輸入/輸出口

8 位數(shù)據(jù)量的輸入采用74HC245雙向總線收發(fā)器。74HC245內(nèi)含8個具有三態(tài)輸出的雙向總線收發(fā)器，由方向控制端（DIR）確定數(shù)據(jù)傳送方向。DIR為低電平，數(shù)據(jù)傳送方向由B到A，輸出允許端（G）由地址318H與IOR信號經(jīng)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(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀入。

8 位數(shù)據(jù)量的輸出要求具有鎖存功能，設(shè)計中采用了74HC377作為8位鎖存器，它內(nèi)含8個具有三態(tài)輸出的D型上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器。G用來控制8個輸出處于常規(guī)邏輯（高電平或低電平）或高阻態(tài)。當G為高電平時輸出Q為高阻態(tài)，但觸發(fā)器內(nèi)部運算不受影響。輸入端D的數(shù)據(jù)在CLK上升沿作用下送到Q。當CPU往地址314H寫數(shù)據(jù)時，G為低電平，在IOW信號上升沿將系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)鎖存到對應(yīng)的Q端，實現(xiàn)了8位數(shù)據(jù)的輸出鎖存[4]。

2.6 信號顯示卡

信號顯示卡是投彈嵌入式故障診斷系統(tǒng)中的重要組件，主要完成系統(tǒng)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(zhí)行部件。該顯示卡的硬件電路主要由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、時鐘產(chǎn)生電路、時序產(chǎn)生電路、控制信號產(chǎn)生模塊和顯示單元組成，如圖4所示。

輸入的模擬信號經(jīng)緩沖放大以后進入模數(shù)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(shù)據(jù)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[5]。A/D轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)兩路鎖存器鎖存以滿足后續(xù)存儲器的高速寫入。

圖4 顯示卡硬件電路示意圖Fig.4 Hardware circuit diagram of display card

如圖4所示，系統(tǒng)時序產(chǎn)生控制電路產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘并協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分工作步驟，它根據(jù)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(chǎn)生鎖存器的鎖存時鐘，并以適當?shù)难舆t量提供存儲器的讀寫脈沖。時序產(chǎn)生電路還提供地址產(chǎn)生器和記錄長度計數(shù)器的計數(shù)時鐘。系統(tǒng)初始化后，A/D變換就開始進行，采集到的數(shù)據(jù)不斷寫入存儲器，這時時序產(chǎn)生電路僅向地址產(chǎn)生器提供時鐘源，使其作"+1"操作，這樣存儲器地址遞增翻轉(zhuǎn)。當觸發(fā)邏輯被觸發(fā)后，時序產(chǎn)生電路使能記錄長度計數(shù)器工作，并提供采樣時鐘作為計數(shù)時鐘源。記錄長度計數(shù)器到用戶設(shè)定的記錄長度時，時序產(chǎn)生電路就關(guān)斷時鐘開關(guān)，使存儲器停止翻轉(zhuǎn)，同時向PC機申請數(shù)據(jù)傳輸[6]。當PC機以某種形式讀取采集數(shù)據(jù)時，時序產(chǎn)生電路又根據(jù)PC104總線讀取操作提供存儲器讀出地址翻轉(zhuǎn)時鐘，將存儲器的內(nèi)容按采集記錄的相反順序讀出。

圖4中觸發(fā)邏輯、記錄長度計數(shù)器和地址產(chǎn)生器密切配合使系統(tǒng)按設(shè)定的方式工作。觸發(fā)方式由軟件觸發(fā)，示波器卡一經(jīng)運行就自動地不斷抓取波形；外輸入觸發(fā)需要一個外輸入TTL邏輯信號，待設(shè)定的邏輯信號沿到來時產(chǎn)生觸發(fā)；信號電平觸發(fā)是根據(jù)被采集信號的幅度值到或超過設(shè)定的電平值時產(chǎn)生觸發(fā)。信號電平觸發(fā)的實現(xiàn)通過高速邏輯信號比較器實時監(jiān)測A/D變換器的輸出結(jié)果，當比較結(jié)果大于或小于設(shè)定基準值時產(chǎn)生觸發(fā)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)預期觸發(fā)，地址產(chǎn)生器和記錄長度計數(shù)器相互結(jié)合使用。地址產(chǎn)生器實質(zhì)上是一個雙向環(huán)形計數(shù)器，其順時針方向地址遞增數(shù)據(jù)寫入，逆時針向地址遞減數(shù)據(jù)讀出[7]。

計算機通過PC104總線設(shè)置顯示卡的工作方式和讀取采集到的數(shù)據(jù)。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(shè)置好各通道狀態(tài)后可以同時或分別使能觸發(fā)。各通道的外觸發(fā)輸入可用于多通道在同一觸發(fā)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(shù)據(jù)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(qū)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Fig.5 Principle diagram of LCD

液晶驅(qū)動電源完成5 V到-20 V的轉(zhuǎn)換，作為液晶驅(qū)動電源。

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

3 結(jié) 論

經(jīng)過調(diào)試，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的精度達到設(shè)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(shù)據(jù)傳輸[8]的瓶頸問題，合理分配硬件資源。PC104總線的突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于開發(fā)，但其傳輸速率較慢。通過實際應(yīng)用證明基于PC104總線投彈信號顯示卡的設(shè)計能克服以上設(shè)計缺陷，特別是能充分滿足便攜式設(shè)計特點的要求，適應(yīng)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(shù)應(yīng)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(xiàn)了PC104總線的接口協(xié)議以及邏輯控制電路。

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