基于PC104總線的性能檢測(cè)系統(tǒng)

朱欣穎，袁煥麗

（周口師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，河南周口466001）

隨動(dòng)系統(tǒng)又稱(chēng)為伺服控制系統(tǒng)，在誤差允許的范圍內(nèi)，隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)通過(guò)反饋校正電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的控制[1]。在航空、軍用裝備和工程建設(shè)中，隨動(dòng)系統(tǒng)具有舉足輕重的地位。如雷達(dá)的距離跟蹤系統(tǒng)，火炮目標(biāo)跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，各種導(dǎo)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(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也越加復(fù)雜、精密，它運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定度是武器裝備系統(tǒng)卓越性能評(píng)價(jià)的重要參考指標(biāo)。武器裝備常用于外場(chǎng)工作，因此隨動(dòng)系統(tǒng)的性能檢測(cè)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(jì)算機(jī)的一種，它的片外總線接口是PC104總線[4]。數(shù)個(gè)PC104板卡可以通過(guò)堆疊方式組合到一個(gè)大小合適的機(jī)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(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用[5]。

在對(duì)武器裝備進(jìn)行測(cè)試維護(hù)時(shí)，經(jīng)常對(duì)設(shè)備中的各類(lèi)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、處理與分析，從而對(duì)武器裝備的工作狀態(tài)做出判斷，及時(shí)了解武器的性能。以往的檢測(cè)系統(tǒng)比較笨重，攜帶不便，很難應(yīng)用于野外工作的需要。同時(shí)，受外界多種噪聲的影響，動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集存在較大的誤差，且缺少人機(jī)交互環(huán)節(jié)。因此，精確性高且便于攜帶的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)受到人們的廣泛關(guān)注。因此，本文設(shè)計(jì)了基于PC104總線的性能檢測(cè)系統(tǒng)，憑借PC104板卡的高速處理能力完成用戶對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

2 性能檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的工作狀態(tài)信號(hào)是衡量其工作性能的重要參數(shù)。性能檢測(cè)系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)采集設(shè)備的工作狀態(tài)信號(hào)，并能及時(shí)做出分析和判斷，這些工作狀態(tài)信號(hào)引出后，不能影響隨動(dòng)系統(tǒng)的正常工作，并且性能檢測(cè)系統(tǒng)要與隨動(dòng)系統(tǒng)工作同步。信號(hào)由專(zhuān)用電纜引出后，經(jīng)信號(hào)調(diào)理設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理，再接入性能檢測(cè)系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)性能檢測(cè)系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析為一體的自動(dòng)化設(shè)備，具有高效的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理的功能。由快速運(yùn)算的CPU模塊，精確地?cái)?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(tái)采用PC104板卡搭建。在軟件實(shí)現(xiàn)上，操作系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定并具有良好的人機(jī)交互的Windows系統(tǒng)，并采用跨平臺(tái)Visual C++開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)分析及處理的應(yīng)用軟件，Visual C++提供跨平臺(tái)的應(yīng)用程序框架MFC[6]。

3 硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

硬件環(huán)境的設(shè)計(jì)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(guò)PC104總線連接，采用標(biāo)準(zhǔn)的固定孔將這些固定在封閉的機(jī)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(jì)電路圖如圖1所示

圖1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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”P(pán)C104中央處理器。CPU采用AMD Geode LX 800，工作主頻可以達(dá)到500 MHz，具有128KB一級(jí)高速緩存和128KB二級(jí)高速緩存。與PC/AT標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，并遵從PC/104標(biāo)準(zhǔn)。在PC機(jī)上運(yùn)行的眾多軟件全部能在以SCM/LX-3160為控制核心的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行，這也為簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，提高程序的可移植性。在SCM/LX-3160主板上集成了鍵盤(pán)，鼠標(biāo)、USB 2.0、串口、并口、2個(gè)10/100BaseT以太網(wǎng)平板顯示等接口，在其狹小的極小空間里實(shí)現(xiàn)PC機(jī)幾乎所有的功能。根據(jù)工程的需要，在SCM/LX-3160可以擴(kuò)展不同的板卡，用戶很容易實(shí)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(kuò)展板，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集。通過(guò)PC104總線可將其與盛博SCM/LX-3160構(gòu)成一個(gè)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(yīng)用。該擴(kuò)展板具有八/十六個(gè)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(yǔ)言等特點(diǎn)。ADT620根據(jù)其特點(diǎn)最多可采集十六個(gè)單端模擬輸入信號(hào)，并將這些模擬信號(hào)變換成8位或12位的數(shù)字量，然后送到總線上，讀入存儲(chǔ)器中。信號(hào)的量化轉(zhuǎn)換是由一個(gè)12位的逐次逼近式的變換器來(lái)實(shí)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(dòng)態(tài)輸入的模擬信號(hào)精確地?cái)?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(hào)采集卡選用CDT2000（圖4）。CDT2000也是基于PC104總線的擴(kuò)展板，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的采集。與IBMPC兼容盛博SCM/LX-3160構(gòu)成高性能的數(shù)字信號(hào)采集控制系統(tǒng)。模塊結(jié)構(gòu)緊湊，非常適合便攜式應(yīng)用。該擴(kuò)展板具有獨(dú)立的16位8 MHz計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，48通道基于TTL或CMOS的可編程數(shù)字量I/O，支持C語(yǔ)言等特點(diǎn)。CDT2000供電電壓僅需5 V，48個(gè)數(shù)字量I/O通道可以直接與外部信號(hào)輸出設(shè)備連接，在設(shè)定的范圍內(nèi)直接感知開(kāi)關(guān)的閉合、數(shù)字事件的觸發(fā)或固態(tài)繼電器的動(dòng)作。這樣，不需要擴(kuò)展外圍復(fù)雜的電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

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

3.2 信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換

某型自行火炮的隨動(dòng)系統(tǒng)有兩部分高低隨動(dòng)系統(tǒng)和方位隨動(dòng)系統(tǒng)組成，方位系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)火炮炮筒的水平平移，高低系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)炮塔的升降，測(cè)量和控制炮筒的高低射角[7]。兩者的工作原理相同，在運(yùn)轉(zhuǎn)中它們產(chǎn)生的工作狀態(tài)信號(hào)必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理才能接入性能檢測(cè)系統(tǒng)（如圖5所示），防止電信號(hào)量程過(guò)大而燒毀PC104擴(kuò)展板。模擬信號(hào)如電源信號(hào)，位置控制信號(hào)需經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的隔離分壓板進(jìn)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(cè)系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)是隨動(dòng)控制箱工作狀態(tài)信號(hào)，以高低電平的形式存在。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)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(jì)

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(yùn)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。開(kāi)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(kù)，這可以大大簡(jiǎn)化應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)周期。應(yīng)用程序采用面向?qū)ο蟮腃++語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)，總體分為采集卡驅(qū)動(dòng)模塊和性能檢測(cè)模塊。C++語(yǔ)言最大的特點(diǎn)是支持類(lèi)與對(duì)象[8]，將各個(gè)模塊分別封裝，形成采集卡操作類(lèi)和性能檢測(cè)類(lèi)。

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(jì)者提供了豐富的外包函數(shù)。對(duì)采集卡的操作涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的地址，數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)函數(shù)，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等問(wèn)題。在Visual C++中建立基于MFC對(duì)話框的工程，設(shè)計(jì)采集卡操作類(lèi)，對(duì)用戶不可見(jiàn)，保障程序的安全性。利用對(duì)象調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的外包函數(shù)，可以很方便的對(duì)采集卡的操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)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(kāi)的是哪一個(gè)采集卡。ADT620打開(kāi)設(shè)定模擬輸入通道范圍，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，將AD值保存到全局?jǐn)?shù)組中；CDT2000打開(kāi)，直接感知高低電平，兩者都為性能檢測(cè)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(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析處理，這部分設(shè)計(jì)的是否合理，直接影響到系統(tǒng)的總體性能。性能檢測(cè)就是根據(jù)隨動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)信號(hào)來(lái)判斷其性能是否良好。因此，檢測(cè)必須和隨動(dòng)系統(tǒng)的工作進(jìn)程同步，分別對(duì)高低隨動(dòng)系統(tǒng)和方位隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。建立信號(hào)檢測(cè)對(duì)話框，作為人機(jī)交互的友好界面，并生成高低系統(tǒng)檢測(cè)類(lèi)和方位系統(tǒng)檢測(cè)類(lèi)。消息映射是Visual C++開(kāi)發(fā)工具的基本特征，考慮到動(dòng)態(tài)信號(hào)存在延時(shí)問(wèn)題，信號(hào)采集讀取以定時(shí)查詢消息方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。MFC提供大量的API函數(shù)，通過(guò)SetLedlightStatue（）等函數(shù)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析與顯示。高低系統(tǒng)工作時(shí)，先檢測(cè)電源信號(hào)，然后檢測(cè)指令信號(hào)和工作狀態(tài)信號(hào)。方位系統(tǒng)檢測(cè)與高低系統(tǒng)檢測(cè)基本原理一致。

5 結(jié)果分析

性能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)專(zhuān)用電纜與某自行火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理設(shè)備相連接。通電復(fù)位，系統(tǒng)先進(jìn)行自檢，檢測(cè)電路連接是否正常。隨動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，信號(hào)引出、預(yù)處理、采集、轉(zhuǎn)換，交給應(yīng)用程序分析讀取。方位檢測(cè)界面如圖7所示，高低檢測(cè)與方位檢測(cè)類(lèi)似。

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

6 結(jié)束語(yǔ)

本檢測(cè)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(guò)Visual C++開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、處理、分析與顯示。信號(hào)采集的所有控制功能由PC104采集擴(kuò)展板完成，大大精簡(jiǎn)外圍電路的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)采用數(shù)量少且效率高的開(kāi)發(fā)元件，降低了系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。運(yùn)行在Windows XP操作系統(tǒng)的應(yīng)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(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。C++語(yǔ)言是有C語(yǔ)言的特點(diǎn)，這對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)非常有利。同時(shí)C++語(yǔ)言最主要的特點(diǎn)是面向?qū)ο螅鶕?jù)各模塊建立相應(yīng)的類(lèi)，并進(jìn)行封裝，使軟件整體運(yùn)行可靠穩(wěn)定。該檢測(cè)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(diǎn)，在應(yīng)用中具有有良好的推廣前景和顯著的軍事經(jīng)濟(jì)效益。

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