PC1O4總線雷達(dá)信號顯示卡的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：PC104總線雷達(dá)信號顯示卡是將基于PC104總線的虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于通用雷達(dá)嵌入式診斷組合中信號的顯示，對于改進雷達(dá)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，確定了具體的實際方案，完成了功能電路的設(shè)計；采用專用接口芯片結(jié)合CPLD的方法實現(xiàn)了PC104總線的接口協(xié)議以及邏輯控制電路，最后編寫了相關(guān)的軟件程序；顯示卡在實際測試過程中能穩(wěn)定工作，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞：PC104總線：顯示卡；信號采集

0 引言
    信號顯示卡是雷達(dá)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。因此，顯示卡功能的好壞，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)最終能否完成工作。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)
    如圖1所示，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。


    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200Ms／s，具有380MHz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口交替乒乓輸出。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。
    如圖1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(dāng)?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(dāng)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。當(dāng)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1中的虛線框內(nèi)包含的邏輯被集成在一片大規(guī)模高速可編程邏輯器件EP1K30內(nèi)。其中觸發(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(dāng)比較結(jié)果大于或小于設(shè)定基準(zhǔn)值時產(chǎn)生觸發(fā)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)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，如圖2所示，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。


    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、中斷等多種方式與示波器卡進行通訊或采樣數(shù)據(jù)讀取。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    顯示卡的整個結(jié)構(gòu)是由PC104總線接口電路和功能電路兩部分構(gòu)成的，而功能電路部分單片機是核心，因此單片機軟件的編寫也是一個很重要的部分。單片機的程序是用C語言編寫的，主要結(jié)構(gòu)如下：
    (1)和上位機的通信程序。其中包括讀取上位機的命令，把測試數(shù)據(jù)傳送給上位機，報告功能電路的狀態(tài)。
    (2)功能函數(shù)。其中包括AD采集程序、設(shè)置量程、復(fù)位、自動調(diào)零、自檢、中斷服務(wù)程序等等。
    因此，顯示卡軟件由主程序和中斷程序組成，程序如框圖3和圖4所示。


    主程序完成開辟與遙控幀格式一致的數(shù)據(jù)區(qū)域、芯片的初始化以及串行異步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。串行異步數(shù)據(jù)發(fā)送接收期間，MPU會關(guān)閉中斷O和1，但這并不會影響MPU對按鍵的相應(yīng)和處理。當(dāng)82C79檢測到有按鍵按下時，要么能夠在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后的時間空隙內(nèi)申請中斷并得到處理，要么多等待30ms，而后請求中斷并得到處理。多出來的30ms與下一次按鍵的時間間隔(最少為幾百毫秒)相比少得多，因此關(guān)閉中斷的過程不影響按鍵的處理。
    中斷程序／INT0中，MPU將讀取82C79中的鍵值，并判斷按鍵類型。當(dāng)按鍵為普通按鍵時，MPU并不改變82C79的工作方式，只將按鍵對應(yīng)的指令代碼填充到數(shù)據(jù)區(qū)域的相應(yīng)字節(jié)位，并將R4賦值#01H。當(dāng)按鍵為“長按”按鍵時，MPU將指令代碼填充到數(shù)據(jù)區(qū)域的相應(yīng)字節(jié)位后，會立即改變82C79 的工作方式，將其設(shè)置在傳感器掃描工作方式。當(dāng)“長按”按鍵斷開時，由于傳感器矩陣發(fā)生了變化，82C79能再次通過IRQ信號通知MPU。再次進入中斷程序時，MPU將82C79的工作方式再改回到鍵盤掃描方式后，才將R4賦值#01H，至此一個完整的按鍵過程完成。對于配合旋鈕開關(guān)的“長按”按鍵，按鍵閉合的時候，MPU還需要打開A／D轉(zhuǎn)換；按鍵斷開時，MPU則要關(guān)閉A／D轉(zhuǎn)換。
    中斷程序TO中，每經(jīng)過兩次中斷即80ms(MPU的工作頻率決定了其最大定時到達(dá)不了80ms)，MPU就將串行數(shù)據(jù)發(fā)送指針置位。

3 結(jié)論
    解決PC104總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i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總線雷達(dá)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(xùn)練要求。