便攜式數據采集分析儀的研制
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(4) A/D 程控濾波、程控放大功能
根據不同的采樣頻率，對一些高頻噪聲進行低通濾波，濾波截止頻率可由程序控制選擇；不同傳感器信號輸出范圍不一樣，為保證A/D 轉換精度必須對輸出范圍小的模擬信號進行放大，具體倍數可由程序控制。
(5) 差分應變放大器選擇功能
對于壓力溫度或磁電式傳感器需要應變放大，我們設計了五路應變放大器，這樣省掉了外加應變放大器，為試驗帶來方便，可用程序控制硬件電路自動實現是否放大選擇。
(6) A/D 輸入通道同步采樣/保持的選擇功能
許多道路試驗要求數據采集過程中各通道采樣點相位一致，所以要求A/D 各通道具備采樣/保持性能。是否使用采樣/保持可由程序控制選擇。
(7) 系統自檢功能
在系統中，我們設計了一個2.5V 標準信號參考源和一個100HZ 標準脈沖方波，可以通過外部端子線輸入相應的模擬或脈沖通道，這樣可不用外加標準信號源即可對系統進行標定，或對整個系統采集功能進行檢測，可以查出某一個模擬或數字輸入通道是否有故障。
(8) 信號示波器跟隨監視功能
可對采集的信號進行實時跟蹤顯示，可及時發現傳感器信號輸入情況及量程合適與否，減少試驗的重復性，顯著提高試驗效率。
比如說有一速度信號，插頭接觸不良或連線斷了，從前只能是經過數據分析處理之后，通過讀取數據或結果曲線才能發現，試驗必須從頭做，這不僅浪費了時間而且也提高了試驗成本。
(9) 單一工作電源，反向保護功能
筆記本電腦工作電源是+15V，那么外部輸入就需要+24 V，以往用的是由兩個12V 電瓶串起來組合電瓶，如果只使用一個+12V 電瓶供電，那么就得外加一個逆變電源給筆記本供電，但市售逆變電源體積和重量都非常大，這兩種方式都非常麻煩。這次開發使用了一個國外最新研發的逆變器電源DC1550，它體積小、功率大，實現了整個采集儀共用一個+12V 電瓶即可工作的目的。由于該逆變電源價格昂貴達四千余元，電源極性不能接反，否則會立即燒毀。我們加了一個大功率二級管實現反相接入保護功能。
3.2 系統研發路線及總體方案確定
為了達到系統滿足上述新型數據采集分析儀的研發目標，并滿足上述采集儀具體性能的要求，我們制定了如下系統研發路線及總體方案：
3.2.1 采用商用筆記本電腦作數據采集儀主控計算機
車載數據采集系統中的主控機的只能用便攜式計算機，共有兩種兩種可供選擇：一種是工業級便攜式計算機，不僅價格昂貴而且非常笨重，可靠性高一些是唯一的優點。另一種是我們常用的商用筆記本電腦，價格是工業級筆記本電腦的1/3，而且輕巧、攜帶移動非常方便，只是在車上使用可靠性差一點，但廣大試驗人員喜歡用這種，所以以往并非完全考慮價格問題，采用的都是這種性能價格比較高的商業筆記本電腦，所以我們這次采用臺灣產WINBOOK380 微型筆記本電腦，它具有體積小，結構緊湊，可靠性高，抗振動，抗干擾能力強等特點。
3.2.2 開發打印機并行口總線數據采集接口板
我們這次迫切開發新型系統采集儀，就是因為原來那種ISA 擴展總線的筆記本電腦已經淘汰了。當今流行的筆記本電腦只有串口、并口和USB 接口。串口只是一個通訊接口，USB 是一種流行接口，但這次開發我們沒有采用，主要是兩個原因：一是開發任務迫切許多單位等著使用，由于USB 接口協議非常復雜幾乎不能在DOS 環境下使用，這樣必須得在WINDOWS 環境下編制驅動程序，而原有的分析處理軟件也必須得在WINDOWS 環境下全部重新編制調試，工作量至少得需要二人年；另一方面需要購置USB接口板，由于兩年前USB接口開發資料非常少當時自行開發不了。盡管市場上有了一些現成的USB接口采集板，但象有24 路模擬通道、帶有應便放大采樣保持，5 路16 計數器、內/外部時鐘觸發的USB 接口采集板是根本沒有的。如果外委專業公司設計，因為我們用量少而不愿干，或愿意干要價也太高，我們難以接受，而且這些板對于我們使用、維護都不方便。所以我們決定采用EPP 打印機并行口，它具有8 位雙向數據實現并行通訊功能。一般來說它是做兩個設備之間的高速雙向通訊接口，但通過對該接口功能及時序分析，我們認為經過一定的改造和特殊設計，完全可以變成一個類似ISA 總線的接口，所以決定開發設計打印機并行口總線數據采集接口板。
3.2.3 信號輸入通道及穩壓/逆變電源的集成面板總成設計
以往開發的采集儀所用的筆記本逆變電源、采集板用的穩壓電源和數據采集擴展板都是單獨模塊，把他們裝到機箱里會導致散熱不好，而且連線多而亂，拆裝非常不方便。我們決定充分利用儀器面板正反兩面，進行結構性緊湊優化設計和安裝。將整個儀器所用全部輸入信號端子插座、電源模塊和采集接口板都裝到面板上，不僅為維護和拆裝帶來方便，而且散熱良好，提高了系統可靠性。
3.2.4 采集、分析處理程序及仿WINDOWS 界面的集成界面的DOS 環境開發
如果使用WINDOWS 環境，就得需要全部編制驅動程序和試驗采集和分析處理程序。前面也講過利用WINDOWS 環境開發程序得需2 人年，時間太長；最重要的是由于WINDOWS 是多任務系統，直接控制EPP 接口最高采樣頻率只能達到2K，若設計帶有大緩存的數據采集板，這又要增加了開發時間和開發成本。為了保證研發進度我們決定還是采用DOS 環境，由于DOS 所需資源少，硬件控制速度完全能夠滿足試驗要求。
由于更換了總線，系統采集程序需要全部重新編制，對以往的數據采集分析處理程序進行了優化移植，并利用一些特殊的軟件技術開發了一些新的功能模塊。為了與WINDOWS 接軌，又開發了完全可以以假亂真的、用戶非常滿意的仿WINDOWS 界面，為用戶操作帶來方便。
4 系統研發方案實施的技術關鍵
4.1 EPP 打印機并行接口的工作時序研究
無論是臺式還是筆記本電腦，最初的25 個插針的并行口都是為打印機設計的，數據只能單向傳輸，且速度非常慢，只能達到200K。1997 年INTEL 公司發起制定了EPP 并行接口協議，極大地提高了PC 機并行口數據傳輸能力，使打印機打印速度明顯提高；同時EPP 并行接口可作兩個設備的高速通訊接口，如并口光驅、軟驅等。通過資料分析研究明，EPP 協議除了保留了原來的SPP 標準控制等信號外，最大的不同是將原來8 位數據線由原來的單向變成了雙向；而且增加了主機向外圍設備發出數據的控制信號以及外設向主機發送數據的中斷請求信號。
4.2 并行接口的“總線化”電路設計
通過上述分析， EPP 口可以實現雙向高速并行通訊，但這是兩個獨立的智能設備之間的通訊，如兩臺計算機之間或計算機與另一個智能單片機控制的設備之間的通訊。如計算機控制打印機，打印機本身內部就有一個嵌入式單片機，象PC 機讀取光驅數據都是通過并口控制光驅內單片機完成的。因為它沒有地址信號，從而不能產生多個片選信號，從而只能帶一個非智能擴展接口。而我們開發的A/D 數據采集板，不僅有A/D 轉換器，還有多片定時計數器及多片 IO 接口，那么就得需要多個片選信號。而EPP 并行口只有8 位數據信號，沒有地址信號就不能產生片選信號，這樣EPP 并行口根本不能直接與采集板的各種接口芯片相聯。按正常邏輯和方法就得用一個高性能的單片機來控制這些芯片，才能滿足系統最高200K采集頻率的需要。我們歷經三次修改方案，創造性地開發了“EPP并行口數據/地址復用電路”，成功地實現了并行接口的“總線化”，解決了EPP 并行口沒有地址信號而不能擴展多個接口芯片的難題。
4.3 解決信號輸入通道模擬開關及及同步采樣/保持器的自動控制問題
為了簡化程序控制指令數目，提高A/D 轉換效率，我們采用了一個計數器與比較器硬件電路，實現了模擬開關及及同步采樣/保持器的自動控制功能。主機可對比較器一個輸入端設定通道個數，計數器輸出端同模擬開關和比較器的另一輸入端相連，轉換完成信號與計數器觸發脈沖端相連，當計數值與計數器設定值相等時，比較器將計數器清0，使系統自動按通道號由小至大順序依次往復轉換。同理在轉換零通道號時，各通道開始執行保持功能。
4.4 解決程控計數器在線飛讀高低位互置問題
一般擴展板使用的計數器采用的都是價格便宜、便于擴展的常用芯片8253。它是一個16 位計數器，但由于它的高8 位和低8 位共用一個地址，只是用讀寫先后順序來區別。一般是在計數器停止時讀取它的數據是非常準確的，但是我們讀取速度等計數值時芯片始終處理計數工作狀態，也就是所謂的“飛讀”。
這樣實際讀取的結果容易產生高位低位互換情況，造成整個計數值錯誤。國外設備一個16 位計數器是采用一個單片機完成的，這樣要增加了成本和復雜度。我們經過反復探索和試驗，最后設計了采用初始化“零復位”原理，采用兩個計數器級聯方式組成一個16 位計數器，成功地解決了高低位互換問題。
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