基于PC104的數據采集系統的研究與實現

1 引言

　　隨著科技和經濟的發展，嵌入式系統已經被廣泛應用到家用市場、工業市場、商業市場、通訊市場和國防市場。PC104是一種嵌入式平臺，該平臺與IBM的PC機兼容，具有靈活的可擴展性，其小巧的尺寸非常適合嵌入式系統的應用。現代的數據采集要求高速，高精度，需要一個處理能力強的嵌入式平臺，PC104正好符合這一要求。

　　本文基于PCM-3350型PC104嵌入式開發平臺，采用MAX1308AD轉換芯片,設計了一個16通道，最高采集速度可達1Msps,分辨率為12bit,能夠進行通道掃描采集和單通道采集的數據采集系統。

2 數據采集系統設計

　　數據采集系統主要由放大電路、光耦隔離電路、多路選擇開關、帶采樣保持器的AD模數轉換器、時鐘電路、CPLD控制電路、數據緩存（FIFO）等部分組成，總結構框圖如圖1所示：

2.1 A/D轉換數據采集電路

　　A/D轉換選用max1308AD芯片，它是一種采樣速率最高可達1Msps，分辨率為12bit的采集芯片，多達8個通道的同時采樣，+5V模擬電源，+3V至+5V數字電源，其硬件系統連接如圖2所示：

圖2 max1308AD硬件連接

　　2.2 FIFO存儲電路

　　FIFO電路芯片選用IDT公司的IDT7203，它是一個雙端口的存儲緩沖芯片，具有2048×9 的存儲結構，具有12ns 的高速存取時間，結構簡單，便于操作，并具有控制端、標志端、擴展端和內部RAM 陣列，內部讀、寫指針在先進先出的基礎上可進行數據的自動寫入和讀出。

　　2.3 CPLD控制電路設計

　　CPLD（EPM7160STC100-6）的設計是本采集系統的核心，它能夠對PC104地址總線進行譯碼，所產生的邏輯控制信號對各個單元的工作狀態起控制作用。

　　數據的讀取可以采用查詢的方式。當FIFO的空標號有效時，就產生一個中斷，使主機停止對FIFO的讀取。在PC104 ISA部分，用到ISA的16位數據總線D[0..15]。A[0..9]是PC104的地址總線;IOW和IOR是對指定設備的讀寫信號;AEN是允許DMA控制地址總線、數據總線及讀寫命令線進行DMA傳輸及對存儲器和IO設備的讀寫。系統工作流程如圖3所示：

圖3 系統工作流程

數據采集系統的工作邏輯框圖如圖4所示：

圖4 數據采集系統的邏輯框圖

　　其中，地址譯碼、控制器：只有地址選中該模塊時，A/D 才能工作，同時使PC104工作在16位數據線方式，A0到A3分別控制著轉換通道的選擇;啟動觸發器：用于控制A/D轉換的啟動，其操作通過寫信號和CONVST等信號進行;中斷響應寄存器：用于查詢A/D轉換完畢，FIFO為空引起的中斷。啟動觸發器和中斷響應寄存器都位于狀態控制器內部;讀數據寄存器：當FIFO不為空，在FIFO中的轉換結果直接進人數據總線，第12位到15位 由CPLD提供，使數據與其相等再進入16位數據總線，完成整個轉換過程。

　　2.4 采集卡的地址分配

　　由于該數據采集卡是作為PC104的標準外設進行工作的。PC104規定，外設的操作地址為A[9:0],在系統軟件設計中要防止地址沖突。PC104中使用A0～A9地址位來表示I/O端口地址，即可有1024個口地址，前512個供系統板使用，后512個供擴充插槽使用，當A9=0時表示為系統板上的口地址;當A9=1時表示擴充插槽接口卡上的口地址[2]。

　　因此本采集的的板卡地址由A[9:3]來確定，偏移地址由地址線的A[2:0]所確定，選擇該地址就意味著相應的操作，CPLD對地址經過譯碼后就產生相應的控制。對于板卡的地址，為了方便，還可在板卡上設置跳線。

　　采集卡的基地址分配和譯碼地址分配見表1，本文設計的數據采集卡的地址范圍是：2E0H―2F7H，不會發生地址沖突。

表1：數據采集卡的地址分配及譯碼

2.5 其他部分電路設計

　　由于MAX1308內部含有多路模擬開關，因此，采用2片MAX1308就可以進行16個通道的同時采樣。硬件方面，為了減少延時，提高速度，將CPLD或FIFO 和數據采集部分集中到一塊四層印制電路板，然后通過連接器連接到PC104。電源部分應將數字電源和模擬電源分開。考慮到對于A/D轉換的精度、穩定，使用6N137光耦隔離。

3 PC104平臺

　　PC104平臺硬件采用PC/104總線標準結構設計的產品PCM一3350主板。它是研華新一代高速低耗PC/104系列的代表產品。控制器模塊包括一個主控32位微處理器單元，具有32MRAM和內置的非易失存儲器用于數據和程序存儲，提供VGA，LCD顯示器接口;該模塊還具有一系列標準通訊口從而提供多種通訊方式，包括串行通訊（RS232，RS485）、以太網等以及一個PC104總線接口。

4 軟件設計

　　由于PC104CPU模塊支持可讀寫的固態盤，這種以半導體存儲設備來代替通常使用的磁盤驅動器，可以大大提高系統的可靠性，降低系統的功耗和成本。本系統中，根據固態盤的特點，操作系統軟件采用DOS6.22，以TuborC 2.O作為開發環境，應用程序采用C語言和匯編語言相結合來實現除此在編寫軟件時，首先要設置好I/0板卡的基地址，再根據基地址來確認其他外圍寄存器端口地址，包括讀寫端口、控制字和通道選擇等地址。

5 結束語

　　數據采集技術是信息科學的重要組成部分，已廣泛應用于國民經濟和國防建設的各個領域，并且隨著科學技術的發展，數據采集技術將有廣闊的發展前景。本文基于PC104的嵌入式平臺，采用MAX1308AD轉換芯片，設計了一個16通道，最高采集速度可達1Msps， 分辨率為12bit的數據采集系統，由于其小型化易攜帶的特點，此數據采集系統可方便地用于野外作業。另外，隨著PC104加入嵌入式領域，嵌入式系統的設計者就可以使用于桌面PC所兼容的軟件。 PC104已經被廣大用戶證明是嵌入式領域的理想解決方案，尤其當它結合了PCI總線之后，它將如虎添翼。PC/104 的發展前景非常看好，“堆棧型PC”的前途無限光明。

　　本文作者創新點：把各個電路模塊的控制信號集中到一片CPLD芯片上，采用柔性電路設計方法，增強了電路設計的靈活性和可開發性。